图片来源：沙特阿美
在技术不断进步的时代，复合材料已经取得了重大发展。然而，取得进一步进展的机会是巨大的，尤其是在石油和天然气以及建筑行业。
在石油和天然气行业，复合材料已经找到了替代碳钢合金的新用途，碳钢合金是该行业使用的主要材料。降低生命周期成本和提高耐腐蚀性的承诺促使能源公司阿美（沙特阿拉伯达兰）在其网络中部署约 10,000 公里的非金属管道，用于水、石油和天然气应用。这包括增强热塑性管 (RTP)、增强热固性树脂 (RTR) 管和热塑性内衬管。该公司于 2016 年开始大规模部署非金属管道，现在另一种非金属材料碳纤维 (CF) 的进展——由沙特阿美于 2018 年次部署——表明这可能是向前发展的重要组成部分。
从那时起，沙特阿美开始在其运营的多个应用中使用碳纤维基复合材料，由于安装速度更快、抗腐蚀性更强、维护和运营成本更低，从而实现了广泛的实际效益和成本节约。
碳纤维的优势
碳纤维固有的热机械特性，以及高强度重量比和高耐化学性，使其成为需要轻质部件、较低热膨胀系数、低导电性和低化学惰性的行业的理想选择。其在恶劣和具有挑战性的环境中的卓越性能继续推动包括石油和天然气应用在内的许多领域的复合材料创新；CF-钢筋混凝土、桥梁、甲板、覆层和建筑业中的麦加钟楼（沙特阿拉伯）等结构；氢动力运输压力容器；风力发电机;以及在汽车和航空航天工业中的众多应用。在汽车领域，沙特阿美正在与主要利益相关者合作，以影响新车的设计，开发创新的CF技术来替代钢和铝，旨在提高设计和装配过程的效率。
高生产成本限制了CF在某些行业的使用，但需求增加导致价格在过去八年中下降——从 2012 年的每公斤 30 美元到今天标准级CF的每公斤约 20 美元，具体取决于订单大小和合同条款。[1,2]
“碳纤维复合材料具有为许多工业部门带来更大价值的巨大潜力。通过与技术供应商和行业领导者合作，我们渴望在建筑和基础设施、汽车、可再生能源以及石油和天然气的各种应用中推动尖端的、石油基碳纤维复合技术的部署，”沙特阿美咨询服务部门经理 Abdullah Humaid 指出。
增加石油和天然气中的复合材料应用
以碳纤维增强、粘结的非金属管，即热塑性复合管（TCP）为例。2018年，阿美石油公司次将TCP作为鹅颈式陆上井口立管部署在高含硫原油作业中，该作业含有高芳烃含量（~50%）。与碳钢相比，TCP立管具有更好的灵活性，以及更高的抗疲劳性和隔热性。由于压力额定值为3000磅/平方英寸（PSIG），这种独特的应用减少了钻机释放后制造碳钢井口立管的长前置时间，并克服了与修井相关的困难，例如由于采油树（调节油井生产的装置）的方向或高度变化而需要重新组装套管。
除立管外，CF复合材料还可在陆上和海上碳钢管道的维修中发挥作用，这些管道随着使用年限的增加，更容易出现缺陷和故障。与传统的金属解决方案相比，CF复合材料维修不涉及高温作业、无需关闭生产线，且交付周期更短。阿美石油公司已将CF复合材料应用于无钻机表面套管维修，这加快了周转时间，迅速恢复了油井完整性，并实现了显著的成本节约。
此外，还部署了 1.5 公里长的内嵌CF的增强型热固性树脂 (RTR) 管道，为沙特阿美的一家工厂供应柴油。这种嵌入 CF 的导电 RTR 管已使用层压连接方法安装，以安全地消散任何静电积聚。RTR管道有助于确保完整性，因为它不会遇到任何内部或外部腐蚀。
沙特阿美完全有能力利用CF的潜力，将其用于其自身设施的关键应用中。虽然CF制造是能源密集型的，但它的优点弥补了这一点：CF基复合管重量轻、可缠绕，对腐蚀管理和检查的需求有限。
除了自身业务外，沙特阿美现正与供应商合作，将先进的基于 CF 的复合技术引入更广泛的石油和天然气领域——包括用于陆上、海上和井下应用的产品。我们还看到了与技术提供商和行业领导者合作，扩大在其他行业部署的机会。
放眼石油和天然气之外，沙特阿美的科学家和研究人员正在探索进一步降低成本的方法，并扩大碳纤维复合材料在不同市场更广泛应用的机会。合作同样是关键；例如，阿美已与贝克休斯（美国德克萨斯州休斯顿）合资成立了一家名为Novel的合资企业，该合资企业初将生产RTP，但可能扩展到更广泛的非金属产品，包括CF复合材料。
虽然降低成本仍然是提高碳纤维潜力的关键，但采用新的生产方法——如等离子氧化技术[3]以及开发低成本、高产量的前体和高反应性树脂[1]——可能会在复合材料以前无法企及的细分市场打开复合材料的潜力。这就是为什么沙特阿美继续探索非金属材料（包括 CF）的机会——为一种有望成为未来发展关键成分的材料奠定基础。
参考资料：
1 Carbon Composite are Becoming Competitive and Cost Effective-White Paper, Sharma R., Simha, T.. Rao, K.P. and Ravi, K., White Paper, Infosys, 2018
2 http://4mio.com/carbon-fiber/
3 https://www.compositesworld.com/articles/getting-carbon-fiber-cost-down, 2018
