海底单层保温管管端聚脲防水结构密封性能研究及工程应用

刘海超，吕喜军，王洪洲，张宏贾，贾 振，相政乐，赵 利

（中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452）

海底单层保温管管端聚脲防水结构密封性能研究及工程应用

刘海超，吕喜军，王洪洲，张宏贾，贾 振，相政乐，赵 利

（中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452）

海底单层保温管管端的防护系统是最薄弱的环节，管端防水密封结构的优劣，是关系到海底管道安全运行的关键。文章采用喷涂聚脲弹性体 （SPUA）对管端进行防水密封，通过材料性能试验、耐静水压密封试验，证明该结构可以满足单层保温管防水密封的要求，并成功地在锦州JZ21-1海底管道修复项目中进行了应用。

海底管道；单层保温管；喷涂聚脲；弹性体；防水结构；密封

0 引言

海底单层保温配重管由内及外分别为钢管、防腐层、聚氨酯泡沫保温层、聚乙烯防护层和混凝土配重层，结构如图1所示。该结构与管中管 （P-IP）保温结构相比可节省约2/3的钢材和外防腐材料；而且减少了铺管焊接工作量，提高了海管铺设的速度，降低了管道系统造价[1]。因此，在浅海（40～50 m）区域，单层保温管是国内外普遍采用的海底管道保温结构形式[2]。

由于单层保温管聚氨酯泡沫保温层的抗压强度有限，管端聚氨酯泡沫的防护系统是最薄弱的环节，一旦管端防护层破坏，海水渗入使聚氨酯泡沫失去保温效果。因此，单层保温管管端防水密封结构的优劣，是关系到海底管道安全运行的关键。

1 传统防水密封结构

早期，单层保温管管端的防水结构采用冷胶型防水帽密封，现场节点补口施工采用沥青玛蹄脂填充。冷胶型防水帽胶粘剂的粘接剪切强度仅0.16 MPa，经过多次试验和应用证明，在30～40 m水深的静水压下，冷胶型防水帽胶粘剂透水。另一方面，沥青玛蹄脂施工时需加热到200℃以上，管端防腐保温层因局部过热造成破坏 （见图2），将导致保温层进水，无法保证海底管道的安全运行，现在此技术已被淘汰[3]。

目前，海底单层保温管管端主要采用热熔胶型热缩防水帽防水密封技术，该技术存在以下缺陷：（1）热缩防水帽材料抗冲击性差，运输吊装过程中易导致防水帽立面受损； （2）热缩防水帽的安装过程由人工操作，施工质量难以控制； （3）防水帽在施工现场修补较难实现。

鉴于传统的单层保温管端防水密封结构存在的弊端，急需开发新型的防水密封材料和结构以及方便、快捷的施工工艺，以满足浅海区域油田开发的需要。近年来聚脲防水材料的开发，为单层保温管端防水密封结构的改进提供了新的契机。

2 试验研究

喷涂聚脲 （SprayPolyurea简称SPUA）是国外近20年发展起来的一种反应性、无溶剂、无污染、快速固化的新型涂料，采用专门的施工机械喷涂成型。

2.1 喷涂聚脲性能特点

聚脲的主要性能包括[4-6]：（1）化学性能稳定，在酸、碱、盐等化学介质的作用下不易变质失效,可以在海洋环境下使用；（2）机械强度高，粘结力强，抗岩石冲击、土壤应力能力强，搬运吊装过程中不易损伤；（3）疏水材料，抗渗水性强，施工时不受潮湿或寒冷表面影响；（4）在海洋环境下使用不会受海贝类生物的侵蚀；（5）施工方法简便，底材无需加热，即使在-50℃下也可照常喷涂，而且喷涂完之后即可搬运；（6）适用温度范围广泛，工作温度为-50～121℃，间歇温度可高达149℃，不会因温度的变化而开裂；（7）环保型材料，对生态环境无污染。

2.2 SPUA试件的制作

2.2.1 单层保温管试件

试验所用的单层保温管规格及涂层结构参数见表1。试件结构见图3。有各种助剂。在SPUA技术中，应用最多的是半预聚体，将异氰酸酯与聚醚多元醇生成的半预聚体组分定义为A料；将含有端氨基聚醚、液体胺类扩链剂和其他助剂的组分定义为B料或R料。

表1 试验管规格及涂层结构参数

试验选取原料厂家生产的三种型号聚脲原材料（代号A，B，C），进行性能对比分析，结果见表2。

表2 三种型号的SPUA材料性能指标

2.2.2 SPUA原材料

喷涂聚脲弹性体所用的原材料主要有三大类，即异氰酸酯、聚醚多元胺 （醇）和扩链剂。此外还

2.2.3 高密度聚乙烯管表面处理

单层保温管的外护层为聚乙烯管 （HDPE），属于非极性材料，与其他极性材料的粘接性不理想，甚至不粘接。为保证SPUA材料与HDPE达到所期望的的粘接效果，必须对其表面进行极化处理。

2.2.4 SPUA喷涂试验

SPUA喷涂系统主要由喷涂主机、喷枪、液压式抽料泵和A料罐、B料罐等组成；辅助设备有小型空压机、储气罐、冷冻式干燥机、油水分离器等。试验所用的聚脲喷涂设备型号为HXP3，喷枪型号为GX-8。

2.3 静水压密封试验研究

本次试验共制作SPUA管端防水试件9组，试件制作过程的工艺、环境条件参数等汇总于表3，HDPE管外壁表面张力的测量采用达因笔。SPUA防水材料喷涂参数为：SPUA涂层厚度2～5 mm；沿HDPE管轴向喷涂长度≥100 mm；沿钢管FBE层的轴向喷涂长度≥100 mm。

表3 试件处理和喷涂SPUA环境工艺条件

单层保温管SPUA管端防水试件如图4所示。

喷涂SPUA试件静水压密封试验分为9组，试验参数如下：

（1）常温静水压：0.4～0.5 MPa，试验周期：7 d， 2组。

（2）常温静水压：0.5～0.6 MPa，试验周期：15 d， 2组。

（3）常温静水压：0.6～0.7 MPa，试验周期：43 d， 3组。

（4）常温静水压：1.2～1.4 MPa，试验周期：5 d， 1组。

（5） 温度 （80±2） ℃， 静水压： 1.0～1.2 MPa，试验周期：6天，1组。

2.4 试验结果

对9组试件分别进行上述2.3节所述静水压密封试验。试验完成后，采用人工锤击的方法对SPUA涂层进行锤击检验，以考察SPUA与HDPE、FBE涂层之间的粘接效果；SPUA涂层附着力检测按照ASTM D4541-2009标准规定进行拉拔试验[7]，试验结果见表4。

2.5 结果分析

（1）经静水压试验检测，SPUA涂层整体结构保持完好，所有试验件均未出现漏水情况，且试验后SPUA涂层与FBE、HDPE间仍具有良好的粘结力，说明SPUA材料具有优良的整体耐温耐压防水密封性能。

（2）如表4所示，除1-A试件的HDPE管表面未进行极化处理，附着力较低 （＜4.0 MPa）外，其他经过极化处理的HDPE与SPUA之间的附着力均＞4.0 MPa，最大可达6.09 MPa，说明经极化处理后，明显增强了HDPE与SPUA之间的粘接力；SPUA与钢管FBE涂层之间的附着力均＞5.0 MPa，说明SPUA与FBE之间具有良好的粘接性，能够满足管端粘接密封要求。

表4 涂层附着力检测结果

3 工程应用

SPUA技术在中海油天津分公司锦州JZ 21-1海底单层保温管道修复项目上首次应用。该油田位于渤海辽东湾海域，西北方向距锦州JZ20-2凝析气田约15km，距兴城市约65 km，油田范围内水深18.5～20.4m。该项目海底管道因腐蚀问题需要对部分保温管进行更换，更换管道长度约2.5 km。JZ 21-1海管项目所用钢管规格、SPUA厚度见表5。聚脲涂层经检验全部合格，检验结果见表6。

表5 JZ 21-1项目钢管规格及各涂层厚度

表6 JZ21-1项目聚脲涂层主要性能检测结果

本项目首次将喷涂聚脲 （SPUA）防水材料引入到海底单层保温管管端防水密封结构中。试验和工程应用证明，SPUA材料具有极好的应用前景。

[1]相政乐，蒋晓斌，张晓灵，等.海底保温管道技术发展概况[J].国外油田工程，2010，26（10）：56-59.

[2]马良.海底管道建设中的几点设想[J].中国海洋平台，2000，15（4）:37-40.

[3]刘海超，高国军.海底管道高密度开孔聚氨酯补口新技术[J].中国海上油气，2006，18（4）：271-275.

[4]黄微波.喷涂聚脲弹性体技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[5]梁根选，王琪，王惠.聚脲涂料在埋地钢制管道防腐及补口中的应用探索[J].焊管，2009，32（10）：31-33.

[6]刘海超，吕喜军，相政乐，等.海底单层保温管管端热缩防水帽开发试验研究[J].石油工程建设，2011，（6）：12-14，19.

[7]ASTM D4541-2009，Standard Test Method for Pull-off Strength of Coatings Using Portable Adhesion Testers[S].

Research of SPUA Pipe-end Sealing Structure of Submarine Single Layer Insulation Pipeline and Its Engineering Application

LIU Hai-chao（CNOOC Energy Technology&Services-Pipe Engineering Co.， Tianjin 300452， China），LU Xi-jun，WANG Hong-zhou，et al.

Protection system of pipe-end is the most vulnerable part to submarine single layer insulation pipeline,and the quality of waterproof sealing structure of pipe-end is the key element for safe operation of submarine pipeline.Spray polyurea elastomer （SPUA）is used for pipe-end waterproof sealing.It is certified that this structure can meet the pipe-end waterproof sealing requirements of single layer insulation pipeline by the tests of material performance and hydrostatic pressure sealing.This technique has been applied in Jinzhou JZ21-1 submarine pipeline rehabilitation project successfully.

submarine pipeline;single layer insulation pipe;SPUA;elastomer;waterproof structure;sealing

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.04.006

刘海超 （1977-），男，河北玉田人，工程师，2000年毕业于河北工业大学，现从事海洋管道防腐、保温及配重技术研究工作。

2011-12-21