海底單層保溫管節(jié)點(diǎn)防水密封試驗(yàn)研究

相政樂，呂喜軍，趙利，賈振，陸娟，高相杰

（中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津300452）

海底單層保溫管節(jié)點(diǎn)防水密封試驗(yàn)研究

相政樂，呂喜軍，趙利，賈振，陸娟，高相杰

（中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津300452）

海底單層保溫配重管現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的防護(hù)與填充是保障海底管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵。文章對(duì)海管現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的兩種補(bǔ)口結(jié)構(gòu)（防水帽＋熱縮帶（焊口）＋聚氨酯保溫半瓦＋高強(qiáng)聚氨酯泡沫填充結(jié)構(gòu)；防水帽＋熱縮帶（焊口）＋高強(qiáng)聚氨酯泡沫填充結(jié)構(gòu)）進(jìn)行了20、40 m水深條件下的防水密封性試驗(yàn)研究，同時(shí)開展了其在60 m水域內(nèi)的適用性研究。結(jié)果表明，上述兩種節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口結(jié)構(gòu)可在40 m水域內(nèi)安全運(yùn)行；熱熔膠型防水帽可用于40～60 m水深；現(xiàn)有單層保溫管的保溫層抗壓強(qiáng)度僅為0.2 MPa，不適用于60 m水深的海底管道。

單層保溫配重管；補(bǔ)口結(jié)構(gòu)；防水密封性；試驗(yàn)研究

0 引言

海底單層保溫管現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的防護(hù)與填充是保障海底管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵。早期海底管道現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)填充，主要采用瀝青瑪蹄脂＋砂石混合澆注工藝。施工時(shí)需加熱到200℃以上，因溫度過高，易破壞管端防腐保溫層，影響管道的整體防腐保溫效果，難以保證海底管道的安全運(yùn)行。

在世界各地成功鋪設(shè)的多條單層保溫管道中，根據(jù)管道輸送的工藝要求，主要采用兩種節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口方式，一種為節(jié)點(diǎn)防腐保溫填充復(fù)合結(jié)構(gòu)，另一種為節(jié)點(diǎn)防腐填充結(jié)構(gòu)。填充材料均采用高強(qiáng)聚氨酯泡沫，其施工工藝簡單，操作時(shí)間短，占用場(chǎng)地空間小，有利于船上施工；經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后的制品無毒性，不污染環(huán)境，符合環(huán)境保護(hù)要求。單層保溫管現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的組成如圖1、2所示。

我們對(duì)上述兩種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了0.2 MPa（水深20 m）、0.4 MPa（水深40 m）、0.6 MPa（水深60 m）三種不同靜水壓條件下的防水密封性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證單層保溫配重管采用該兩種節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口工藝結(jié)構(gòu)在20、40m水深條件下的防水密封性能，同時(shí)開展了該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于60m水域內(nèi)的適用性研究。

1 試件制作

1.1 試件來源

單層保溫管海底防水密封試驗(yàn)用試件，選自渤中（BZ）34-1海管項(xiàng)目生產(chǎn)時(shí)剩余的管段。海底管道規(guī)格和防腐保溫配重結(jié)構(gòu)見表1。

表1 BZ34-1項(xiàng)目鋼管規(guī)格及各涂層厚度

1.2 試件規(guī)格及編號(hào)

節(jié)點(diǎn)防水密封試驗(yàn)采用全比尺模型，試件規(guī)格見圖3。圖中編號(hào)“BZ”表示試驗(yàn)項(xiàng)目代號(hào)，“XX”代表試件號(hào)碼，“A、B”分別代表試件的兩預(yù)留管端。

圖3 單層保溫管試件規(guī)格

1.3 節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口材料

試驗(yàn)用熱縮防水帽、熱縮帶、保溫半瓦和開孔PUF填充料等，與BZ34-1項(xiàng)目海管工程所用材料相同。為了進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)時(shí)增加了閉孔PUF填充節(jié)點(diǎn)材料試驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)用材料見表2。

表2 節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口材料

1.4 組合試樣制作

組合試樣模擬BZ34-1項(xiàng)目海上施工時(shí)海管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口結(jié)構(gòu)，由三個(gè)單層管全比尺試件組合焊接而成，兩端采用盲板焊接封堵，形成4個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的材料組合、試件編號(hào)以及節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式分別見圖4。

圖4 BZ-01-02-03組合試樣結(jié)構(gòu)示意

2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)共分三組，分別進(jìn)行海底浸泡試驗(yàn)（水深20m）、0.4MPa以及0.6MPa靜水壓試驗(yàn)。組合試樣的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口試驗(yàn)用材料見表2，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)見圖4。

2.1 海底浸泡試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)方法

單層保溫管節(jié)點(diǎn)組合試樣制作完成后（試樣編號(hào)：BZ-03-01-04，BZ-06-05-02），由勝利251號(hào)船運(yùn)往BZ34-1油田所在海域，將組合試樣放入BZ 34-1 CEPA平臺(tái)導(dǎo)管架下的海底。組合試樣所處海域的工況和試驗(yàn)條件如下：水深20.6 m；海水溫度10℃；海底連續(xù)浸泡時(shí)間196 h。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

兩組合試樣的檢測(cè)結(jié)果見表3、表4。

2.2 0.4 MPa下靜水壓試驗(yàn)

潿西南油田群應(yīng)用的單層保溫管道，海水深度為40 m左右，而渤海地區(qū)平均水深只有20 m，為此，設(shè)計(jì)制作了能模擬不同水深的靜水壓密封試驗(yàn)裝置，模擬在40 m或更大水深條件下的防水密封性。

2.2.1 水壓密封試驗(yàn)裝置

水壓試驗(yàn)裝置分別由密封水壓艙、自動(dòng)加壓裝置、壓力表、溫度傳感器、開啟式水壓密封艙封蓋、水循環(huán)管路及閥門法蘭等單元組成。水壓試驗(yàn)裝置見圖5。

表3 BZ-03-01-04組合試樣試驗(yàn)結(jié)果

表4 BZ-06-05-02組合試樣試驗(yàn)結(jié)果

圖5 水壓密封試驗(yàn)裝置

2.2.2 靜水壓試驗(yàn)

試驗(yàn)期間水壓艙內(nèi)壓穩(wěn)定在0.40～0.44 MPa（表壓）之間。為保證水壓試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，將水壓試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為96 h。靜水壓試驗(yàn)工藝條件見表5。

表5 靜水壓試驗(yàn)工藝條件

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

組合試樣的檢測(cè)結(jié)果見表6。

2.3 0.6 MPa下靜水壓試驗(yàn)

表6 BZ-14-22-30組合試樣試驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步探索單層保溫管在更深水域的應(yīng)用效果，將靜水壓試驗(yàn)提高到0.6 MPa。

2.3.1 試驗(yàn)條件

組合試樣編號(hào)BZ-13-23-09，BZ-17-18-24。靜水壓試驗(yàn)工藝條件見表7。

表7 靜水壓試驗(yàn)工藝條件

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

BZ-13-23-09組合試樣在0.60～0.62 MPa靜水壓條件下的試驗(yàn)結(jié)果見表8。

從表8中的試驗(yàn)結(jié)果可知，兩組聚氨酯保溫半瓦節(jié)點(diǎn)的防水熱縮帶粘接密封出現(xiàn)問題，導(dǎo)致保溫半瓦進(jìn)水，節(jié)點(diǎn)保溫失效。防水帽除有一組因保溫夾克管嚴(yán)重變形而被拉開外，其余5組防水帽均保持良好的粘接密封性。

BZ-17-18-24組合試樣在0.60～0.62 MPa靜水壓條件下的試驗(yàn)結(jié)果見表9。

2.3.3 結(jié)果分析

（1）在0.60～0.62 MPa的靜水壓試驗(yàn)條件下，6個(gè)單層保溫管試件中4個(gè)試件完好，2個(gè)試件進(jìn)水。進(jìn)水的主要原因分析如下：

a.與混凝土配重層的裂縫有關(guān)：單層保溫管外層的混凝土配重層，除起到水下配重作用外，另一功能就是對(duì)聚乙烯夾克保溫管實(shí)現(xiàn)整體有效的抗沖擊和耐靜水壓保護(hù)。如果混凝土管局部出現(xiàn)大的裂縫，在0.60~0.62 MPa的壓力下，水會(huì)通過縫隙直接作用在聚乙烯夾克保溫管上。

b.聚乙烯夾克保溫管整體抗壓強(qiáng)度低：試驗(yàn)用PUF保溫層的密度為40～60 kg/m3，抗壓強(qiáng)度介于0.2～0.3 MPa之間，遠(yuǎn)低于0.62 MPa的試驗(yàn)水壓，混凝土裂縫處的保溫管直接暴露在0.62 MPa水壓下，保溫管被水壓變形，致使熱縮防水帽底膠與聚乙烯管脫層，導(dǎo)致管體進(jìn)水，保溫層破壞。

表8 BZ-13-23-09組合試樣試驗(yàn)結(jié)果

表9 BZ-17-18-24組合試樣試驗(yàn)結(jié)果

（2）防水帽漏水原因分析。防水帽遭破壞，主要是因?yàn)榫垡蚁A克保溫管在0.60 MPa水壓下受擠壓嚴(yán)重變形，致使管端防水帽的粘接密封層在夾克管變形外力作用下被拉開而破壞。

3 結(jié)論與建議

（1）現(xiàn)有單層保溫配重管采用上述兩種節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口工藝結(jié)構(gòu)，可在40 m深水域內(nèi)安全運(yùn)行。

（2）熱熔膠型防水帽應(yīng)用于40～60 m水深是可行的，但應(yīng)對(duì)防水帽的安裝質(zhì)量進(jìn)行有效的檢驗(yàn)和控制。

（3）現(xiàn)有單層保溫管的保溫層密度在40～60 kg/m3范圍內(nèi)，其抗壓強(qiáng)度僅為0.2 MPa，不適用于60 m水深的海底管道。建議在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)選用與海管運(yùn)行水深壓力相對(duì)應(yīng)的保溫材料密度、強(qiáng)度和管體結(jié)構(gòu)。對(duì)于采用高密度聚乙烯夾克外護(hù)的聚氨酯泡沫保溫管，通常要求保溫材料和保溫管的整體抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于所對(duì)應(yīng)工作水深壓力的1.2倍。

（4）高強(qiáng)閉孔聚氨酯泡沫填充材料在0.60 MPa水壓下，仍表現(xiàn)出優(yōu)良的低吸水率，且材料導(dǎo)熱系數(shù)較低。因此，可考慮海底單層保溫管節(jié)點(diǎn)施工中不使用保溫半瓦，直接采用填充閉孔結(jié)構(gòu)聚氨酯泡沫，既起到有效的節(jié)點(diǎn)保溫填充作用，同時(shí)也可減少現(xiàn)場(chǎng)安裝保溫半瓦和防水熱縮帶等兩道工序，降低施工成本，提高鋪管效率。

[1]劉海超，高國軍.海底管道高密度開孔聚氨酯補(bǔ)口新技術(shù)[J].中國海上油氣，2006,18（4）:271-275.

[2]劉海超，呂喜軍，相政樂，等.海底單層保溫管管端熱縮防水帽開發(fā)試驗(yàn)研究[J].石油工程建設(shè)，2011，37（6）：12-14，19.

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.03.002

相政樂(1980-),男，山西運(yùn)城人，工程師，2006年畢業(yè)于天津大學(xué)，碩士，現(xiàn)從事海洋管道防腐、保溫及配重技術(shù)研究工作。

2011-12-08