海底管道硬质聚氨酯泡沫保温材料导热性能试验研究

张晓灵，吴文通，杨加栋，孔瑞林，蒋晓斌，杜宝银

（中海油能源发展管道工程公司，天津 300452）

海底管道硬质聚氨酯泡沫保温材料导热性能试验研究

张晓灵，吴文通，杨加栋，孔瑞林，蒋晓斌，杜宝银

（中海油能源发展管道工程公司，天津 300452）

针对硬质聚氨酯材料用于海底单层保温管道在保温性能上暴露出的不足之处，对硬质聚氨酯泡沫材料的导热性能进行试验研究，以确定在各种工况下保温材料的相关参数。文章从聚氨酯泡沫材料的基本性能、闭孔率和吸水率对导热系数的影响、外界压力对闭孔率影响等方面进行了试验研究，取得了相应的检测数据，为今后在不同工况下确定保温材料参数提供了参考。

硬质聚氨酯泡沫；保温材料；性能试验

以硬质聚氨酯为保温材料的海底单层保温管道已应用于渤海和南海海域的多个油田，为中海油边际油田的开发创造了经济效益，但同时该项技术在保温性能上也暴露出一些不足之处，有必要对硬质聚氨酯泡沫导热性能进行试验研究，以确定在各种工况下保温材料的相关参数。为此中海油能源发展管道工程公司进行了大量试验研究工作。

1 试验项目及采用的标准

从聚氨酯泡沫基本性能、闭孔率和吸水率对导热系数的影响、外压对闭孔率的影响、闭孔率对吸水率的影响、不同密度泡沫在不同水压下的吸水率变化等方面进行试验研究，取得了相应的检测数据。试验所用的硬质聚氨酯泡沫为相同工艺和发泡体系生产。试样放置时间、放置环境相同。

试验测试采用标准：密度采用GB/T 6343-2009/ISO 845：2006《泡沫塑料及橡胶 表观密度的测定》，抗压强度采用GB/T 8813-2008/ISO 844∶2004《硬质泡沫塑料压缩性能的测定》，拉伸强度采用GB/T 8811-2008/ISO 2796∶1986《硬质泡沫塑料尺寸稳定性试验方法》，体积吸水率除特别说明外采用CJ/T 114-2000《高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管》，闭孔率采用GB/T 10799-2008《硬质泡沫塑料开孔和闭孔体积百分率的测定》，导热系数采用GB/T 10297-1998《非金属固体材料导热系数的测定热线法》和SY/T 0415-1996《埋地钢质管道硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温层技术标准》，耐热性采用SY/T 0415-1996《埋地钢质管道硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温层技术标准》。

2 硬质聚氨酯泡沫的基本性能试验

试验共制备了密度分别为 40、50、60、80、100、 120、 140、 150、 180、 200 kg/m3的 10 组泡沫试样，测试了每一种密度下的泡沫的抗压强度、拉伸强度、 吸水率、 导热系数 （λ23℃,λ50℃）、 闭孔率、耐热性 （包括尺寸变化率、强度增长率、质量变化率）、导热系数变化率。试验结果见表1。

3 硬质聚氨酯泡沫闭孔率对导热系数影响的试验

3.1 试验方法

取密度为40、60、80 kg/m3的3组制作好的接近闭孔率设定值的试样，放入加压舱中，逐步加气压，陆续测量试样闭孔率，直至得到更接近闭孔率设定值的试样，然后测量试样的导热系数。重复上述过程，测量其他闭孔率设定点样品的导热系数。

3.2 试验结果 （见图1）

4 硬质聚氨酯泡沫吸水率对导热系数影响的试验

4.1 试验方法

取密度为40、60、80 kg/m3的3组试样，分别在不同吸水率条件下测试其导热系数的变化情况。相同密度不同吸水率的材料依靠加压获得。试样尺寸为150 mm×150 mm×100 mm，每组至少10块试样。

设定水压为0.2 MPa，将3块密度为40 kg/m3的试样放入试验装置中，保压24 h，取出，测量试样的吸水率，并迅速测量导热系数；提高水压至0.3 MPa，将3块密度为40 kg/m3的试样放入试验装置中，保压24 h，取出，测量试样的吸水率，之后，迅速测量导热系数。依次测量密度为60、80 kg/m3的样品。

表1 不同密度硬质聚氨酯泡沫的典型物理性能

图1 不同密度泡沫材料闭孔率不同时导热系数变化曲线

4.2 试验结果 （见图2）

图2 不同密度泡沫材料体积吸水率不同时导热系数变化曲线

5 硬质聚氨酯泡沫承压 （气压）对闭孔率影响的试验

5.1 试验方法

取密度为40、60、80、100 kg/m3的4组试样，每种样品3块 （尺寸为150mm×100mm×100mm），共计12块样品一起放入加压舱中，通过空气压缩机加压，当压力表显示500 kPa时，停止加压，保持该压力4 h，然后减压，开舱，迅速取出泡沫，按照闭孔率测试标准的要求，将每一组 （3块）制出9块试样，用闭孔率测试仪测量试样的闭孔率；重复上述过程，分别加压至1 000、2 000、3 000、5 000、6 000、7 000、8 000 kPa，并测量泡沫样品的闭孔率。

5.2 试验结果 （见图3）

图3 承受不同压力时不同密度泡沫材料闭孔率变化曲线

6 硬质聚氨酯泡沫闭孔率对吸水率影响的试验

6.1 试验方法

取密度为 40、60、80 kg/m3的 3组制作好的接近闭孔率设定值的试样，放入加压舱中，逐步加压，陆续测量试样闭孔率，直至得到更接近闭孔率设定值的试样，然后测量试样的吸水率。

重复上述过程，测量其他闭孔率设定点样品的吸水率值。

6.2 试验结果 （见图4）

图4 聚氨酯泡沫闭孔率对吸水率的影响

7 硬质聚氨酯泡沫在水压作用下吸水率变化的试验

7.1 试验方法

取 密 度 为 40、 60、 80、 100、 140、 180、200 kg/m3的7组试样，分别在9种不同的水压条件下测试吸水率的变化情况。试样尺寸为150 mm×150 mm×100 mm，每组至少需27块。

设定水压0.2 MPa，将3块密度为40 kg/m3的试样放入试验装置中，保压24 h，取出，测量试样吸水率；提高水压至0.3 MPa，将3块密度为40 kg/m3的试样放入试验装置中，保压24 h，取出，测量试样吸水率，依次测量至压力为1.0 MPa。依上述过程测量密度为 60、80、100、140、180、200 kg/m3的样品。

7.2 试验结果 （见图5、图6）

图5 不同密度泡沫材料受不同外压时体积吸水率变化曲线 （1）

图6 不同密度泡沫材料受不同外压时体积吸水率变化曲线 （2）

8 试验分析与结论

（1）相同密度材料，随闭孔率的加大，其导热系数会逐步降低；不同密度材料，在闭孔率基本相同的条件下，材料的导热系数随密度的增加而增大。

（2）相同密度材料，随着吸水率的加大，其导热系数会逐步加大；不同密度材料，在吸水率为零时，导热系数随其密度的增加而上升较为明显；当吸水后，导热系数受密度不同的影响变得不再明显；当吸水率＞3%时，导热系数受密度的影响很小，可以忽略不计。

（3）相同密度材料，外压增加时，闭孔率明显降低，因为在外压作用下，泡沫孔壁被压破导致穿孔。

（4）相同密度材料，随着闭孔率的加大，其吸水率会逐步降低。不同密度材料，在闭孔率基本相同的条件下，材料的吸水率随密度的增加而降低。

（5）综合对照各组试验数据，可以看出，在外压＜500 kPa时，所有泡沫材料闭孔率变化不大，吸水率变化也不大，但由于500 kPa外压已经超过密度小于60 kg/m3泡沫材料的抗压强度，导致密度小于60 kg/m3泡沫材料变形较为严重。

（6）从试验中可以看出，不论多大密度的泡沫材料，在外压作用下，吸水率均会发生变化 （增大），而这种变化将会导致导热系数显著增大，所以，泡沫材料的防水对于其发挥保温性能非常关键。

（7）对照几个标准，如SY/T 0415-1996《埋地钢质管道硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温层技术标准》规定聚氨酯泡沫保温层密度为40～60 kg/m3，CJ/T 114-2000《高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管》和EN 253-2009《区域供热管—直接铺设在地下的热水管路用预绝热复合管系统—由钢管、聚氨酯隔热和聚乙酰外壳制成的复合管系》规定聚氨酯泡沫保温层密度为60 kg/m3以上，而国外设计公司对于PL19-3等海底单层保温管保温层的设计密度为80～100 kg/m3，以往中海油海底管道保温层的密度一般设计为40～60 kg/m3或60～80 kg/m3，参考本次试验数据，笔者认为：中海油以往海底单层保温管保温层的密度设计偏低，建议当水深≤20 m时，宜选用密度60～80 kg/m3的泡沫材料；水深20～40 m时，宜选用密度80～100 kg/m3的泡沫材料。

Study on Thermal Conductivity of Rigid Polyurethane Foam Coating Material for Subsea Pipeline

ZHANG Xiao-ling（CNOOC Energy Technology&Services-Pipe Engineering Company,Tianjin 300452，China）,WU Wen-tong,YANG Jia-dong,et al.

To solve the shortages in thermal isolation property of rigid polyurethane applied in subsea pipeline with single thermal isolation layer,the tests for thermal conductivity of the rigid polyurethane foam material are conducted under different working conditions.The tests include its basic properties，the effects of closed cell rate and water absorption rate on thermal conductivity,and also the effects of external pressure on closed cell rate and the closed cell rate on water absorption.The test data offer some references for later application of the thermal insulation material in different working conditions.

rigid polyurethane foam;thermal insulation material;performance test

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.012

张晓灵 （1972-），男，河北万全人，高级工程师，1994年毕业于西安交通大学化学工程专业，现从事海洋管道工程相关技术研究。

2011-12-15；

2012-08-01