海底混输管道GSPU 湿式保温技术与应用

押延宁

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

目前海底出产的原油一般为具有高凝、高黏、高含蜡等特点的原油，并且经常伴有胶质、沥青质等问题，这种情况使得开采出来的原油流动性与加工性都存在明显问题，给后续的运输与生产加工带来了很大困难。随着开采出来的原油温度持续降低，原油黏度进一步增加，流动性严重下降，另外含蜡原油也会在管道壁面上形成蜡结晶，造成管道的严重阻塞。此外，海底管线在进行长距离输送或启动时，均需要保证管道内部流质达到要求温度，以避免在输送过程中管道内部的流质发生凝固。因此，为了保障海底管道安全稳定运行，需要采取保温措施以减少管内流质与外界环境发生热量交换，维持管道内部流质温度[1-2]。

为探索海底混输管道流动保障新技术，为今后深海油田开发GSPU 湿式保温管工程应用进行先导试验以积累经验，2014 年5 月，康菲联管会、研究总院、工程建设中心、海油发展管道公司召开了GSPU 湿式保温适用性研究会，论证了GSPU 湿式保温在蓬莱19-3 项目海底混输管道上的应用技术和经济可行性，确定蓬莱19-3 油田1/3/8/9 区综合调整项目WHPV至RUP 混输管线采用GSPU 湿式保温，其节点补口采用双组分液体环氧底漆刷涂(LEP)+复合聚氨酯保温浇注(SPU)+ 开孔聚氨酯发泡浇注(HDPUF)工艺，该条海底管线的铺设由滨海109(BH109)船负责施工作业。本文通过对该项目GSPU 湿式保温技术要求、保温管预制、节点补口、工程应用效果等进行重点介绍，为后续海底混输管道GSPU 湿式保温技术的推广应用提供技术支持。

GSPU 是复合聚氨酯材料的微珠填充物，在聚氨酯弹性体材料中，通过添加直径约为10 ～120 µm的空心玻璃微珠，形成保温复合材料，这种保温材料的最大温度可达到115 ℃左右[3]。聚氨酯复合涂层主要由聚氨酯弹性体和不同种类的空心微球构成，二者具有特殊的性能，能够使保温层与海底管道保持整体性，同时具有保温与防护的功能。聚氨酯复合涂层内部的填充空心微球有不同的类型，根据空心微球的类型不同可分为有机空心聚合物复合聚氨酯涂层(PSPU)和无机空心玻璃微珠复合聚氨酯涂层(GSPU)[4-5]。

1 项目基本情况

蓬莱19-3 油田位于渤海海域的中南部，西北距塘沽约216 km，平均水深27 ～33 m；WHPV 至RUP混输管线采用60.96 cm(24 英寸)单层湿式保温管，长度1.6 km，管体防腐形式为熔结环氧粉末涂敷(FBE)+玻璃微珠湿式保温(GSPU)+ 混凝土配重(CWC)，双组分液体为环氧底漆刷涂(LEP)+复合聚氨酯保温浇注(SPU)+ 开孔聚氨酯发泡浇注(PUF)；湿式保温涂层密度800 ～860 kg/m3，厚度50 mm，配重层厚度45 mm，操作压力3 001.3 kPa，设计温度79 ℃，设计寿命25 年，总传热系数不高于5 W/(m2·℃)。GSPU湿式保温管涂层的主要构成为钢质管体以及钢管体外包裹的熔结环氧防腐层和GSPU 保温层，并且出于防护及稳定性要求，在GSPU 湿式保温层设置混凝土配重层。GSPU 涂层的性能指标如表1 所示，其中涂层密度应满足ASTM D792 标准，要求密度达到800 ～860 kg/m3；导热系数应满足ASTM C518 标准，小于0.165 W/(m·K)；断裂拉伸强度与断裂伸长率均是GSPU 涂层的重要性能指标，需要满足ASTM D412 标准，要求分别大于5 MPa 和50%；GSPU 涂层的剪切强度应满足ATM D 732 标准，应超过12 MPa。

表1 GSPU 涂层性能指标

本项目的总体开发方案在2016 年通过专家组的审查，2016 年年底完成项目的基本设计；2017 年4 月完成项目的详细设计，2017 年年底，GSPU 主体管线的涂层材料完成生产制造；2018 年4 月26 日，GSPU 湿式保温管节点铺设方案经过专家组审核并得到认可通过，5 月27 日，BH109 铺管船完成铺设。

2 GSPU 湿式保温管预制

2.1 GSPU 湿式保温管生产材料

GSPU 湿式保温管主要是由A、B 两种成分形成的生产材料，其中，A 为聚醚多元醇，B 为多异氰酸酯。在此基础上，在生产材料中添加空心玻璃微珠，3 种材料共同复合形成最终的保温材料，各种材料的参数如表2 ～表4 所示。

表2 聚醚多元醇组分(A 组分)参数

表3 多异氰酸酯组分(B 组分)参数

表4 中空玻璃微珠参数

2.2 主要生产工艺过程

GSPU 湿式保温涂层的生产主要采取在线旋转浇注方式或模制方式进行涂敷预制。本项目所采用的方法为模制方式，主要生产过程为：将涂敷好FBE 的预热钢管放置在GSPU 湿式保温涂层成型模具中，再将玻璃微珠和聚醚多元醇预混后，加入异氰酸酯，进行混合料注入，化学反应完成并固化后，生成GSPU湿式保温管。

2.2.1 原材料的预处理

多异氰酸酯从料桶输送到料罐后，若短时间中断使用(过夜)，需在料罐内充入氮气置换出罐内空气以保护原料。

2.2.2 钢管预处理

使用适当工具(砂纸、砂带等) 对钢管FBE 层表面进行毛化处理，处理后的FBE 涂层厚度应≥510 μm，并进行100% 漏点检测，不合格者按照钢管FBE 防腐程序进行处理；使用全尺寸烘箱等加热装置对钢管进行预热，钢管表面预热温度应按材料供应商推荐温度进行控制。

2.2.3 模具准备

在进行涂敷之前需要对模具的内表面进行清洁处理，并在刷涂脱模剂后进行预热准备：(1)模具清洁。应使用软布、三角铲等对模具内表面进行清洁，保证模具内表面无异物。(2)刷涂/ 喷涂脱模剂。使用滚刷或喷壶在模具内表面刷涂/喷涂脱模剂，脱模剂应以完整覆盖模具内壁为宜。(3)模具预热。浇注前，应对模具进行预热，按材料供应商推荐温度进行控制。

2.2.4 吊管入模

将预热的模具准备好后，应将安装好管端堵头并预热好的钢管吊入成型模具，注意管端堵头不能压住模具的进料口及排气口，钢管位置调整好后，合模锁紧。

2.2.5 浇注

在浇注机完成准备后，设定好浇注机参数，启动循环模式，并观察浇注机各项参数是否稳定，在满足条件要求的前提下，启动浇注机。开始浇注时，调节三通阀，使材料通过浇注管进入模具内，直至模具排气口有原材料冒出后停止注料。停止注料后应立即清洗浇注机枪头。

2.2.6 待模固化及开模

保温层浇注完毕应至少待模固化15 min 后方可开启模具，使用钢管提升设备取出保温管，拆除管端堵头，使用刮刀等装置去除保温管表面浇注口、排气口以及模具接缝处等高于保温层的部分。

2.2.7 保温层表面增阻处理

为满足CWC 混凝土配重层与GSPU 涂层间剪切强度≥0.2 MPa 的要求，需对保温层表面进行增阻处理(起脊)。GSPU 涂层表面起脊高约5 mm，宽约40 mm，间距300 mm。

3 GSPU 湿式保温涂层生产过程质量控制

GSPU 湿式保温生产过程中主要质控项目包括：对管体的FBE 涂层漏点检测、GSPU 模具及钢管温度检测、管端预留尺寸检测、原料预混计量设备标定、原料预混密度检测等一系列质量控制；成品管制成后，再进行涂层厚度测量，以及机械性能、保温性能等关键参数和硬性指标测试，确保各项性能满足设计要求。累计生产60.96 cm(24 英寸,φ609)GSPU 湿式保温管125 根，GSPU 增阻涂层(每根36道) 均实现了模注固化一次成型。

3.1 批件产品质量检测

对GSPU 保温涂层性能进行检测，提取5 个批次(1 批次25 根)样本进行质量检测，如表5 所示，检测结果均满足要求。

表5 GSPU 涂层性能指标结果

3.2 GSPU 湿式保温涂层质量检测试验

3.2.1 FBE与GSPU 涂层间环形剪切试验

截取制作GSPU 涂层试验环，采用压力试验机及专用压板，进行FBE 与GSPU 涂层间环形剪切试验，试验结果发现，FBE 涂层与GSPU 涂层间环形剪切强度为1.27 MPa，涂层间无相对滑移，满足项目技术指标要求。

3.2.2 CWC与GSPU 涂层间剪切强度试验

通过国内首创GSPU 环形凸起增阻工艺切件检查，GSPU 增阻部位涂层与CWC 涂层握裹良好。剪切试验验证，实测最大荷载855 kN(剪切强度S达到0.202 MPa)，GSPU 涂层与CWC 涂层未出现任何相对滑移，CWC 与GSPU 涂层间剪切强度满足项目技术指标要求。

3.2.3 模拟弯曲测试

模拟海管S-Lay 铺设弯曲，采用半径R=91.4 m条件下的模拟弯曲试验，较R=200 m 的设计控制指标更为严格。模拟弯曲后，GSPU 涂层表面、GSPU 涂层与节点SPU 温层结合处表面、节点SPU温层表面均无裂纹，抗弯性能优异，试验结果满足规格书要求。

3.2.4 模拟服役环境测试

经模拟管道实际工况运行后，保温层表面均未发现任何裂纹、变色、变形等缺陷，并且节点处无开裂、进水等现象；实测GSPU 湿式保温管道(含节点)总传热系数为3.61 W/(m2·K)；GSPU 湿式保温管道(含节点)在静水压不高于1 MPa 的条件下，径向变形量不超过0.1 mm。

4 管道节点补口处理

蓬莱19-3 项目GSPU 湿式保温配重管的节点涂层采用“LEP+SPU+ 高密度开孔PUF”结构，其主要工艺过程包括：节点表面喷砂清理、LEP 液态环氧底漆刷涂、GSPU 管端涂层预热、模具准备、SPU涂层材料浇注、PUF 模具准备、PUF 涂层材料浇注等。

其中，对节点补口采用SPU 涂层成型工艺进行处理，节点补口过程为：先进行节点清理与节点预热，随后对节点位置进行模具安装，在完成安装的模具位置采用SPU 涂层进行浇注，浇注结束后等待SPU 材料固化，待固化完成可将模具拆卸，完成浇注。

2018 年5 月27 日，BH109 铺管船顺利完成项目GSPU 管线铺设及现场节点补口。对于节点位置处的SPU 涂层要进行PQT 试验，确保涂层性能满足项目技术要求，如表6 所示，检测结果均满足要求。

表6 SPU 涂层PQT 性能指标结果

5 结语

项目GSPU 湿式保温管投产运营一年后，为核实确认GSPU 湿式保温效果，委托设计单位根据生产工艺参数监测数据，对该条海管进行工艺参数校核(核算总传热系数)，核算结果表明，蓬莱19-3 油田RUP 平台至WHPV 平台60.96 cm(24 英寸)混输海管的实际总体传热系数平均值在0.8 ～2.95 W/(m2·℃)之间，均值为1.93 W/(m2·℃)，远远低于海管设计选取的传热系数5 W/(m2·℃)，说明海管的保温效果非常好，目前该条海管已服役运营3 年，运营良好。