海底用喷涂聚氨酯硬泡保温配重管的节点补口技术

刘进东 贾振 范利锁 相政乐 赵岑 张祥

(中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司 天津 300452)

随着海洋石油浅水区域的开采深入,传统“穿夹克管+聚氨酯浇注”工艺结构已不能适应水深60 m以上海洋油气管道(简称海管)输送要求。为此,国内海洋石油公司已经开发出适用于水深200 m以下的聚氨酯硬泡喷涂保温配重管[1],针对该保温配重管的海上节点补口结构、工艺和设备等方面的研究相对滞后。本文主要介绍了适用于该海洋保温配重管的节点补口结构和施工工艺,可以实现节点部位良好的防水密封和保温效果。

1 传统聚氨酯浇注保温配重管节点工艺

目前传统的聚氨酯浇注保温配重管采用“穿夹克管+浇注聚氨酯”成型工艺,先将经过防腐处理的钢管穿到聚乙烯外护管内,管端加封堵法兰,形成环形空间,在其浇注聚氨酯混合料并发泡反应完成之后，聚氨酯硬泡充满整个环形空间,形成成品保温管[2]。

传统保温管的管端采用热熔型防水帽进行防水,防水帽两端分别与聚乙烯外护管和钢管防腐层粘接[3]。节点部位常采用热缩带和开孔硬质聚氨酯泡沫进行补口,结构示意图见图1[3]。

图1 传统聚氨酯浇注保温配重管节点结构示意图

该结构节点补口首先将两根对焊完成的配重管节点部位进行喷砂除锈,烤制第一层防腐热缩带,然后安装模具;浇注硬质聚氨酯闭孔泡沫作为保温层,该泡沫密度和厚度与主体管闭孔聚氨酯泡沫保温层一致,或者直接安装陆上预制的闭孔聚氨酯保温半瓦;接下来在外层烤制另外一条防水热缩带,两端分别与聚乙烯外护管搭接,将里层的闭孔聚氨酯保温层包裹,以防止水分进入;最后在配重层上安装铁皮模具,内部浇注高强度开孔聚氨酯泡沫。

传统的节点补口形式可以对节点部位进行有效防水密封,但也有一定的局限性。首先补口结构复杂,工序较多,施工时间较长;其次,该工序需要人工烤制两次热缩带,烤制质量与现场施工人员手法和熟练度有很大关系,带来一定的质量风险,尤其是第二层防水热缩带,尺寸较大,烤制比较困难,质量无法保证。受浇注型聚氨酯泡沫强度影响,一般抗压强度不超过0.8 MPa,通常极限使用水深为60 m。

2 聚氨酯喷涂保温配重管节点补口工艺

2.1 补口结构

为解决传统节点补口缺陷,本研究从节点防腐、防水、保温、抗压以及与主体管涂层一致性等方面考虑,进行节点结构设计。节点底部采用喷涂熔接用环氧粉末(FBE)进行防腐,外层浇注实心聚氨酯弹性体来防水密封并承受较高水压,在聚氨酯弹性体内部预埋闭孔聚氨酯泡沫保温半瓦用以节点保温,具体结构如图2所示。

图2 聚氨酯硬泡喷涂保温配重管节点补口结构

2.2 补口工艺

根据现有海洋浅海铺管船(海洋石油202号,滨海109号等)的海上铺管涂敷作业线情况,综合考虑喷涂聚氨酯保温管节点补口的实际情况,采用适合聚氨酯硬泡喷涂保温配重管的节点填充工艺,工艺流程框图详见图3。

图3 聚氨酯硬泡喷涂保温配重管节点补口工艺图

将2根配重管对焊在一起,保证焊缝光滑、平整,形成海管铺设节点。使用自动循环式喷砂除锈装置对配重管节点进行表面喷砂除锈,除锈等级需达到Sa2.5。

为保证节点防腐效果,喷砂除锈之后,在节点部位喷涂熔结环氧粉末，同时对节点两端的聚乙烯以及节点钢管进行加热。为保证聚氨酯弹性体胶料快速固化并且和聚乙烯、钢管防腐层有较高的粘接强度,一般情况下,将管端聚乙烯预热到100 ℃左右。预热完成后,在节点处环形放置一对异形保温半瓦,并用铁丝等绑扎固定。

上述工作完成后,在节点安装带自动加热系统的浇注模具,模具内涂耐高温的聚四氟乙烯涂层[4]。使用低压中温聚氨酯弹性体浇注机将聚氨酯胶料浇注到模具空腔内。

浇注完成之后,聚氨酯弹性体在模具中进行固化交联反应5～8 min,待固化之后将模具打开、卸下。使用刀片或锯条等工具,将排气孔、浇注口中突出的边角料清理掉。检查节点填充的外观平整性。使用邵氏硬度计对节点聚氨酯弹性体进行硬度检查。合格后可下海使用。

2.3 节点补口工艺特点

该新型节点补口技术采用聚氨酯弹性体作为外防护层,中间用闭孔聚氨酯保温半瓦保温,辅以专项开发的防水密封胶条,可以实现良好的保温配重管节点组合效果。主要优势如下:

(1)非发泡聚氨酯弹性体具有高抗压强度,可以适应聚氨酯硬泡喷涂保温配重管在水深200 m处的应用[4-5]。

(2)异形保温半瓦底部有支脚,可以使得弹性体在浇注过程中将半瓦完全包裹,对保温半瓦进行机械保护,并且增大弹性体与节点防腐层的接触面积,增强粘接性并且有效防水,并阻止外界水分进入保温半瓦。保温半瓦可增强节点部位的保温效果。

(3)该补口结构合理,工序简单,施工自动化程度高,可以减少烤制热缩带等工序的人工操作所带来的质量风险。

(4)相对于开孔聚氨酯泡沫,聚氨酯弹性体具有高抗压性和弹性,可以保证在管道铺设过程中托管架及铺管传送轮对节点部位涂层不会造成损伤。

3 喷涂聚氨酯硬泡保温配重管节点补口性能测试

参考ASTM 2781《硫化橡胶或热塑性橡胶密度的测定》、ASTM D47《液体对橡胶性能影响的标准试验方法》、ASTM C518《使用热流量计仪器对稳态热传输性能的试验方法》、ISO 037—2011《硫化或热塑性橡胶拉伸应力应变特性的测定》、ISO 868《塑料和硬质橡胶 用硬度计测定压痕硬度(邵氏硬度)》、GB/T 7757—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 压缩应力应变性能的测定》、BS EN 12068—1999《阴极保护:与阴极保护结合使用的埋地或水下钢质管道腐蚀防护的外部有机涂层——胶带和收缩材料》等标准对聚氨酯进行试验检测和性能评价[6]。

3.1 聚氨酯弹性体性能检测

聚氨酯弹性体测试样浇注完成之后,在常温或低温烘箱中熟化24 h,对弹性体的密度、硬度、拉伸性能等进行检测，检测结果详见表1。

试验结果显示,聚氨酯弹性体吸水率小于3%,满足湿式保温管道对涂层吸水率的要求,具有良好的防水密封性能。浇注脱模后弹性体邵A硬度大于40,并且具有良好的回弹性能,使得聚氨酯弹性体脱模后可顺利通过托管架而不损伤涂层。弹性体10%压缩模量大于8 MPa,完全可以满足在水深200 m以下的应用要求。

表1 聚氨酯弹性体材料性能

3.2 节点静水压密封试验

为了模拟在一定水深下聚氨酯硬泡喷涂保温配重管节点部位的防水密封性能,自主研发了静水压试验装置。水压密封舱采用钢制圆筒形结构,并按照标准GB 150—2011《压力容器》进行设计和制造。

水压试验装置分别由可开启式密封水压舱、压力控制和反馈系统、水循环系统及附属元件组成。最高可承受压力1.6 MPa,水压舱工作温度0～80 ℃。舱内介质可为海水或者自来水。

试验在1 MPa、(80±5)℃条件下进行7 d,在这几天中不断监视配重管内水温、外部水压等条件。试验结束之后对节点部位进行防水性能检测。试验发现聚氨酯弹性体保护层外观良好,无开裂、松散现象发生,同时与周边混凝土涂层的粘接界面无开裂情况出现。节点部位剖开之后发现,节点保温半瓦干燥、无水痕,聚氨酯弹性体部位和节点FBE防腐层之间无水进入。对主体管保温层钻核取样发现,保温层干燥、无水痕。检测结果说明该新型单层保温管节点结构可以满足节点防水密封效果[7-8]。

4 结论

针对海洋用聚氨酯硬泡喷涂保温配重管,采用“喷涂环氧粉末熔接防腐+聚氨酯硬泡半瓦+聚氨酯弹性体外层”结构进行节点补口,结构简单,操作自动化程度高,可以减少人工施工带来的质量风险。经过高温静水压试验检测之后，节点外观良好,无水渗入,主体管聚氨酯保温层未发现水进入,节点密封效果良好,可以满足海管现场铺设节点涂敷需求。