復(fù)合聚氨酯保溫管道試制中常見缺陷和處理方法

蔣曉斌，張曉靈，吳文通，孔瑞林，楊加棟，杜寶銀

[中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452]

復(fù)合聚氨酯保溫管道試制中常見缺陷和處理方法

蔣曉斌，張曉靈，吳文通，孔瑞林，楊加棟，杜寶銀

[中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452]

復(fù)合聚氨酯保溫管道的試制過程中易出現(xiàn)表面氣泡、花紋、涂層厚度不勻、粘結(jié)性不好、中空玻璃微珠處理不當(dāng)?shù)热毕?。從聚氨酯保溫原材料、成型模具、澆注設(shè)備、涂敷施工工藝等方面進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決辦法，確保了保溫產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)完善了復(fù)合聚氨酯保溫管道施工工藝流程，掌握和優(yōu)化了工藝參數(shù)。

保溫管道； 復(fù)合聚氨酯; 保溫涂層; 試制; 缺陷； 處理措施

0 引 言

復(fù)合聚氨酯保溫管道利用填充空心微球的聚氨酯保溫材料，在單層環(huán)氧粉末層管道外壁采用模制方式涂敷保溫涂層預(yù)制而成。其中，熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層起防腐蝕作用，聚氨酯涂層實(shí)現(xiàn)保溫和機(jī)械保護(hù)，最外層不需要防護(hù)層及防水層，因此也稱為濕式保溫管道[1]。

復(fù)合聚氨酯保溫管道可采用各種海管鋪設(shè)方法進(jìn)行施工，特別是Reel型鋪設(shè)方法節(jié)省海上施工時(shí)間，成本低[2]。目前復(fù)合聚氨酯保溫管道在國外深水油氣田開發(fā)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但國內(nèi)的研究工作剛開始起步。

1 保溫管道涂敷工藝流程

復(fù)合聚氨酯海洋保溫管道的預(yù)制流程一般為首先進(jìn)行鋼管表面清理及檢驗(yàn)，合格鋼管使用中頻加熱裝置預(yù)熱到60～70 ℃，模具清理后將鋼管吊入并進(jìn)行閉合，提升模具使其處于15°傾斜角并固定。同時(shí)開啟加熱系統(tǒng)，保持模具內(nèi)壁溫度在50～60 ℃之間。設(shè)定原材料混合比例，開啟澆注設(shè)備，待觀測到通氣孔位置溢出原料時(shí)，關(guān)閉澆注機(jī)。

待聚氨酯材料充分反應(yīng)并完全固化后(約20 min后)開啟模具，使用天車將保溫管道吊運(yùn)到出管臺(tái)架進(jìn)行成品檢驗(yàn)及堆垛碼放[3]。

復(fù)合聚氨酯海洋保溫管道預(yù)制流程如圖1所示。

圖1 復(fù)合聚氨酯海洋保溫管道預(yù)制流程圖Fig.1 Process flow for the preproduction of composite polyurethane-based insulation coating pipeline

2 常見缺陷原因分析及解決措施

2009年至今，購置國外有成功海洋管道工程應(yīng)用的陶氏化學(xué)公司DOW HYPERLASTTM以及巴斯夫公司ELASTOSHORE@復(fù)合聚氨酯保溫材料8批次，約40 t，在試驗(yàn)車間內(nèi)試制保溫管道約50根。下面針對試制過程中出現(xiàn)的缺陷和解決措施進(jìn)行描述。

2.1 表面氣泡

澆注固化后，在觸地管端12點(diǎn)鐘方向出現(xiàn)大量密集的氣泡，呈線狀或面狀分布，同時(shí)在接近出氣口位置出現(xiàn)燕尾狀分布?xì)馀荨?/p>

試制過程中，前20 s澆注到試樣模具中，然后通過T型三通球閥轉(zhuǎn)換進(jìn)行整體管道的澆注，至排氣口位置連接的塑料管冒出原材料時(shí)停止?jié)沧?。其中，三通球閥轉(zhuǎn)換模式有兩種：一種是先采用直線進(jìn)行預(yù)澆注端澆注，正式澆注時(shí)原材料經(jīng)歷90°轉(zhuǎn)角，如圖2(a)所示；另一種是先經(jīng)歷90°轉(zhuǎn)角進(jìn)行預(yù)澆注端澆注，然后采用直線進(jìn)行澆注端的澆注，如圖2(b)所示。

試驗(yàn)中，設(shè)置不同的條件，調(diào)整模具傾斜角度、真空處理時(shí)間、澆注口位置、排氣口位置以及三通模式等參數(shù)。對過程中出現(xiàn)的氣泡問題進(jìn)行了記錄、分析和解決，較好地控制了保溫管管體氣泡。試驗(yàn)過程中氣泡處理效果如表1所示。

從表1中可以看出，隨著模具傾斜角度的增大，氣泡得到一定程度的減少。對聚醚多元醇進(jìn)行抽真空處理30 min有助于減少氣泡。同時(shí)，從管端進(jìn)行澆注可以有效減輕觸地端氣泡的出現(xiàn)，但這會(huì)對大管徑、厚涂層保溫管道的試制造成一定的困難。排氣口與管端封堵器保持一段距離有利于氣泡的排放，但是會(huì)出現(xiàn)管道最高位置空洞的缺陷，調(diào)整模具排氣口與管端封堵器相對位置，使其投影露出圓面的1/2～2/3為宜。采用圖2(b)顯示的三通澆注模式可以保證復(fù)合聚氨酯保溫材料在塑料管中的平穩(wěn)流動(dòng)，減少對氣體的裹挾。

圖2 澆注時(shí)三通球閥的位置優(yōu)化Fig.2 Orientation optimization of the three-way ball valve

后期將對模具進(jìn)行改造，增加模具的傾斜能力，繼續(xù)驗(yàn)證模具傾斜角度與氣泡情況的相關(guān)關(guān)系。同時(shí)在管端封堵器上設(shè)置一個(gè)矩形凹槽，便于氣泡的聚集和排放，開模后及時(shí)使用工具對多余的矩形塊進(jìn)行清除。

表1 不同試驗(yàn)條件下的保溫管道表面氣泡情況表

注：三通澆注模式中的a和b參見圖2。

2.2 表面花紋

保溫管外表面局部出現(xiàn)明顯的橘皮花紋，模具分段面位置尤為突出。

為了保證模具整體溫度的均勻性，采用分段式加熱流體流經(jīng)管道加熱的顯熱加熱方式。分段面位置沒有保溫措施，導(dǎo)致熱量損失嚴(yán)重，分段面位置的溫度較模具其他位置溫度至少低15 K，模具內(nèi)壁溫度接近50 ℃。復(fù)合聚氨酯反應(yīng)后收縮嚴(yán)重，形成嚴(yán)重的花紋現(xiàn)象。

在分段面位置增加保溫層包覆，同時(shí)增大模具的加熱溫度，花紋現(xiàn)象得到很好的改善。

2.3 涂層厚度不均

管體中央位置保溫涂層厚度不均勻，6點(diǎn)鐘方向涂層厚度為60 mm，而12點(diǎn)鐘方向的涂層厚度則為90 mm，厚度差值高達(dá)30 mm。

管端封堵裝置使用聚氨酯彈性體材料制成，在鋼管自重作用下發(fā)生變形，造成鋼管的圓心線較模具的圓心線偏低，同時(shí)，鋼管具有一定的撓度。

改用聚四氟乙烯材料制作管端封堵裝置，增加強(qiáng)度，減少變形量。同時(shí)鋼管吊入模具時(shí)檢查和調(diào)整鋼管與模具的同心度，在模具底部等間隔(3 m)安裝圓柱形支撐柱。

2.4 粘結(jié)性差

環(huán)剪切試驗(yàn)過程中，涂層和鋼管之間僅經(jīng)歷短暫時(shí)間即發(fā)生脫離作用，剪切力在2～5 kN之間，觀測保溫涂層脫離位置，環(huán)氧粉末層光滑潔凈，看不到任何粘結(jié)的聚氨酯。

鋼管外表面未進(jìn)行處理，溫度過低，反應(yīng)過程中界面首先遇冷收縮，使得保溫涂層在鋼管外表面粘結(jié)強(qiáng)度幾乎為零。

試制過程中，采取四種不同的試驗(yàn)方案，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，其中每種方案使用了三個(gè)樣本。

表2 不同處理?xiàng)l件下的剪切力數(shù)據(jù)表

通過加熱鋼管外表面，最大剪切力有較明顯的增加，當(dāng)鋼管外表面溫度保持在60～70 ℃，同時(shí)使用砂紙對整管進(jìn)行粗糙化處理后，最大剪切力值達(dá)到150～170 kN，能夠滿足技術(shù)要求，且保溫層脫離處能夠明顯看見環(huán)氧粉末層粘結(jié)有聚氨酯。

2.5 空心微珠處理不當(dāng)

試驗(yàn)初始，復(fù)合聚氨酯保溫管道材料表觀密度為1 020 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)值0.197 5 W/(m·K)。進(jìn)行電鏡掃描發(fā)現(xiàn)空心微珠分布不均勻，且破碎率較高。

設(shè)計(jì)了不同的玻璃微珠處理試驗(yàn)條件，包括不同的聚醚多元醇攪拌方式、混拌后在管路中的循環(huán)時(shí)間以及槍頭的轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 玻璃微珠不同處理試驗(yàn)條件下的產(chǎn)品性能表

從表3可以看出，隨著聚醚多元醇攪拌轉(zhuǎn)速的降低、正反攪拌次數(shù)的增加以及攪拌時(shí)間的減少，玻璃微珠破碎率相對下降。隨著原材料在澆注設(shè)備管路中循環(huán)時(shí)間的減少，微珠黏附在管路內(nèi)壁的量減少。同時(shí)適當(dāng)降低槍頭轉(zhuǎn)速也有助于減少玻璃微珠的破碎。

調(diào)整聚醚多元醇攪拌方式，轉(zhuǎn)速降低到50 r/min，共攪拌4次，每次順時(shí)針、逆時(shí)針方向各攪拌5 min?？s短保溫原材料循環(huán)時(shí)間在2 h以內(nèi)，即時(shí)攪拌，即時(shí)澆注。同時(shí)調(diào)整槍頭混合轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速的80%，即3 200 r/min，可以得到比較理想的保溫制品。

3 結(jié) 論

在復(fù)合聚氨酯保溫管道涂敷預(yù)制工藝技術(shù)研究過程中，針對出現(xiàn)的常見缺陷，進(jìn)行原因分析并提出解決措施，得到了較好的處理結(jié)果，試制出合格的產(chǎn)品。初步掌握了施工工藝參數(shù)，有利于盡快推廣復(fù)合聚氨酯保溫管道在我國的工程應(yīng)用。

[1] 相政樂，蔣曉斌，張曉靈，等. 海底保溫管道技術(shù)發(fā)展概況[J]. 國外油田工程, 2010, 26(10): 56.

[2] Baker B, McClure L. Reel method speeds lay of pipe-in-pipe[J]. Offshore, 2002, 62(8): 72.

[3] 閆嗣伶，蔣曉斌，張曉靈，等.復(fù)合聚氨酯海底保溫管道試制[J].油氣儲(chǔ)運(yùn), 2012, 31(11): 868.

DefectAnalysisandProcessinginPreproductionofCompositePolyurethane-BasedInsulationCoatingforPipeline

JIANG Xiao-bin, ZHANG Xiao-ling, WU Wen-tong,KONG Rui-lin, YANG Jia-dong, DU Bao-yin

[CNOOC(Tianjin)PipelineEngineeringTechnologyCo.,Ltd.,Tianjin300452,China]

Composite polyurethane materials, mould and pouring and coating technologies are analyzed for the defects existing in the preproduction of composite polyurethane-based insulation coating for pipeline, such as bubble, unwanted pattern, coating thickness deviation, unacceptable caking property, improper processing method of glass hollow microsphere, etc. Solutions are given to make an acceptable pipe. Moreover, a better process flow of composite polyurethane-based insulation pipe is obtained, and the process parameters are optimized.

insulation pipeline; composite polyurethane; insulation coating; preproduction; defect; solution

TE973.92

A

2095-7297(2014)01-0080-04

2014-02-21

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-005)

蔣曉斌(1979—)，男，工程師，主要從事海底管道技術(shù)方面的研究。