20英寸雙層可纏繞式外輸軟管生產(chǎn)工藝分析

單學(xué)永,周 毅

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

20英寸雙層可纏繞式外輸軟管生產(chǎn)工藝分析

單學(xué)永,周 毅

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

外輸軟管是安裝在輸油終端與轉(zhuǎn)運(yùn)油輪之間的重要設(shè)備，承擔(dān)著原油輸送的重任，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)要求高，生產(chǎn)制造長(zhǎng)期被發(fā)達(dá)國(guó)家的少數(shù)幾家生產(chǎn)廠家所壟斷。結(jié)合外輸軟管?chē)?guó)產(chǎn)化的艱辛歷程，通過(guò)分析外輸軟管的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特點(diǎn)，并參考國(guó)際通用的GMPHOM 2009輸油軟管標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)20英寸可纏繞式漂浮主管生產(chǎn)工藝進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

外輸軟管；生產(chǎn)工藝；可纏繞

0 引 言

外輸軟管作為原油輸送“大動(dòng)脈”，是原油外輸?shù)幕A(chǔ)。外輸軟管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求高，因而其生產(chǎn)制造長(zhǎng)期被發(fā)達(dá)國(guó)家的少數(shù)幾家生產(chǎn)商壟斷。國(guó)際油價(jià)持續(xù)低迷，使得外輸軟管?chē)?guó)產(chǎn)化的重要性愈發(fā)凸顯。

外輸軟管主要有首管、二號(hào)管、主管、變徑管、尾管、舷管等幾種類(lèi)型。不同類(lèi)型的軟管根據(jù)自身所處位置和擔(dān)負(fù)的任務(wù)不同在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面有所區(qū)別，但是主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面差別不大，都具備內(nèi)膠層、簾線加強(qiáng)層、鋼絲骨架層、外膠層等。國(guó)內(nèi)橡膠廠家最早于2010年開(kāi)展外輸軟管研發(fā)，取得階段性成果并發(fā)表了相關(guān)論文，例如江蘇太平橡膠股份有限公司的自浮式大口徑輸油膠管研究[1]和河北宇通特種膠管有限公司的海上輸油漂浮膠管研制。[2]本文以由國(guó)內(nèi)廠家研制、渤海油田廣泛使用的20英寸(1英寸=2.54 cm)雙層可纏繞式漂浮主管為例，對(duì)該型外輸軟管的生產(chǎn)工藝進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1 外輸軟管結(jié)構(gòu)和性能

1.1 外輸軟管結(jié)構(gòu)

20英寸雙層可纏繞式漂浮主管由多層材料組合而成，不同的層有不同的功能，以確保外輸軟管具備耐油性、抗拉性、彎曲性等性能。該雙層可纏繞式漂浮主管由內(nèi)膠層、加強(qiáng)層、鋼絲骨架層、中膠層、漂浮層和外膠層復(fù)合而成，同時(shí)在軟管兩端加裝法蘭短節(jié)等結(jié)構(gòu)部件，形成完整外輸軟管結(jié)構(gòu)[3]，如圖1所示。

圖1 20英寸雙層可纏繞式漂浮主管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 20 inch double-carcass reeling floating main hose

1.2 外輸軟管材質(zhì)和性能要求

外輸軟管的材質(zhì)和性能要求分別如表1和表2所示[3]。表2中D表示軟管內(nèi)部直徑。

表1 材質(zhì)參數(shù)Table 1 Material parameters

2 制作前的膠料準(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)備型號(hào)和外輸軟管的設(shè)計(jì)方案，算出用膠量、膠片規(guī)格、鋼筋長(zhǎng)度、簾線長(zhǎng)度、漂浮材料用量等。在此主要介紹膠料的準(zhǔn)備。

2.1 塑煉

塑煉的原理是通過(guò)機(jī)械力或化學(xué)力作用使橡膠的大分子鏈斷裂破壞，降低分子量，增加塑性，提高加工性能[4]。下面簡(jiǎn)要介紹機(jī)械塑煉工藝。

表2 性能參數(shù)Table 2 Performance parameters

(1) 準(zhǔn)備工藝：烘膠夏季24～36 h，冬季48～72 h，溫度50～70 ℃;切膠每塊10 kg左右;破膠輥溫45 ℃以下，輥距2～3 mm。

(2) 開(kāi)煉機(jī)塑煉。在輥筒速度不同而產(chǎn)生的速度梯度作用下，膠料受到強(qiáng)烈的摩擦剪切和氧化裂解作用，反復(fù)多次，使橡膠分子鏈斷裂。

容量按下列經(jīng)驗(yàn)公式估算：

Q=KDL，

(1)

式中：Q為塑煉容量，L；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取=0.006 5；D為膠輥外徑，cm；L為輥筒工作部分長(zhǎng)度，cm。例如16英寸開(kāi)煉機(jī)投料量為

Q=0.006 5×50×100.

輥距越小越好，應(yīng)小于1 mm，盡可能達(dá)到0.5 mm;前輥與后輥輥速比應(yīng)為1.15～1.27；輥溫對(duì)于天然橡膠(NR)為45～55 ℃，對(duì)于丁苯橡膠(SBR)為45 ℃，對(duì)于丁腈橡膠(NBR)為40 ℃以下，對(duì)于氯丁橡膠(CR)為40～45 ℃；塑煉時(shí)間每次塑煉時(shí)間在20 min以內(nèi)。

(3) 密煉機(jī)塑煉。剪切作用加上高溫下劇烈的熱氧化作用，使橡膠大分子鏈斷裂，生成小分子鏈。容量填膠占密閉室有效容積的48%～62%；上頂栓壓力為0.5～0.8 MPa。

2.2 混煉

混煉就是用開(kāi)煉機(jī)將塑煉膠與配合劑均勻分散。

混煉的工作原理是：先讓生膠包于前輥，兩輥筒上面應(yīng)有適量的堆積膠存在，再按規(guī)定的加料順序往堆積膠處依次加入配合劑。堆積膠不斷被轉(zhuǎn)動(dòng)的輥筒帶入輥距中，同時(shí)新的堆積膠又不斷形成。當(dāng)生膠夾帶配合劑通過(guò)輥距時(shí)，受到剪切作用而被混合和分散[4]。

混煉過(guò)程包括包輥、吃粉、翻煉等階段。

在包輥階段，生膠呈黏彈性固體狀，緊包前輥，兩輥筒上面應(yīng)有適量的堆積膠存在。

在吃粉階段，輥距4～8 mm，輥溫40～60℃，因膠種而異。投料順序?yàn)椋荷z—固體軟化劑(古馬隆、松香、石蠟)—促進(jìn)劑、活性劑、防焦劑、防老劑—補(bǔ)強(qiáng)填充劑如碳黑、陶土、碳酸鈣—液體軟化劑如松焦油、酯類(lèi)—硫黃。

切割翻煉后，需將膠料薄通3～5遍，然后放大輥距下片冷卻。

對(duì)于橡膠加工的質(zhì)量，主要檢測(cè)指標(biāo)包括拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率、硬度、磨耗減量及耐老化性能。

2.3 壓延

壓延是指利用壓延機(jī)滾筒的擠壓力作用使膠料發(fā)生塑性流動(dòng)和變形，將膠料制成具有一定斷面規(guī)格和一定幾何形狀的膠片，或?qū)⒛z料覆蓋于紡織物表面制成具有一定斷面厚度的膠布的工藝加工過(guò)程[4]。

壓延工藝首先是膠料的熱煉與供膠。具體分三步：(1)采用低溫薄通方法粗煉，補(bǔ)充混煉，提高膠料的可塑性。輥距2～5 mm，輥溫40～45 ℃，薄通7～8次。(2)將粗煉后的膠料以較大輥距細(xì)煉，達(dá)到加熱軟化的目的。輥距7～10 mm，輥溫60～80 ℃，通過(guò)6～7次。(3)連續(xù)(如擦膠)與非連續(xù)(如出片)供膠。

對(duì)于紡織物(如聚酯簾布)，要進(jìn)行干燥、浸膠、熱伸張?zhí)幚怼?/p>

膠片壓延是將混煉膠料通過(guò)專(zhuān)用壓延設(shè)備的若干對(duì)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的輥筒間隙，使其受到擠壓、延展而成為一定厚度或一定形狀規(guī)格的均勻膠片；對(duì)于紡織物則涉及掛膠。

2.4 壓出

橡膠的壓出是指橡膠膠料在壓出機(jī)螺旋桿旋轉(zhuǎn)推動(dòng)作用下進(jìn)一步混煉并不斷壓向機(jī)頭，通過(guò)制品所需的口型連續(xù)成型的過(guò)程[4]。

3 外輸軟管成型工藝

3.1 法蘭和短節(jié)工藝處理

法蘭為標(biāo)準(zhǔn)重量，符合美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A-106 A或B，使用美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)標(biāo)準(zhǔn)API-5L規(guī)定的無(wú)縫或雙埋弧焊與短節(jié)進(jìn)行焊接，材質(zhì)選用鎮(zhèn)靜鋼或半鎮(zhèn)靜鋼材質(zhì)，最大碳含量不超過(guò)0.23%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。

所有的焊接規(guī)程都符合美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)標(biāo)準(zhǔn)ASME IX的要求。依照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1435對(duì)所有的焊縫進(jìn)行100%的射線照片檢驗(yàn)。如果射線照片顯示出相對(duì)密度為2～3，不清晰度不超過(guò)0.4 mm且敏感度為壁厚的1.5%，使用符合EN 462-1標(biāo)準(zhǔn)的線型像質(zhì)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)。

焊接到短節(jié)上的部件，如用于在加強(qiáng)層上固定的肋條等，都將采用等效于ASTM A-285 C規(guī)定的材料，鎮(zhèn)靜鋼或半靜鋼材質(zhì)，最大碳含量不超過(guò)0.23%。所有的焊縫都依照ASME VIII附錄6的規(guī)定進(jìn)行磁粉探傷檢驗(yàn)。

終端部件與法蘭的裸露內(nèi)外表面(包括法蘭表面)都使用熱浸鍍鋅(見(jiàn)圖2)或采購(gòu)者接受的其他方法進(jìn)行保護(hù)。法蘭與芯軸固定的效果如圖3所示。

涂層系統(tǒng)的最低要求如下。

熱浸鍍鋅規(guī)格：符合EN ISO 1461的規(guī)定。

表面準(zhǔn)備：噴砂處理至SA 2.5級(jí)，隨后進(jìn)行酸洗。

涂層：最小平均涂層重量為610 g/m2(相當(dāng)于85 μm厚度)。

鋅成分：浸洗雜質(zhì)，以符合EN ISO 1461規(guī)定的限定條件要求。

外觀：涂層在外觀上應(yīng)無(wú)任何結(jié)節(jié)、氣泡、尖點(diǎn)以及未噴涂區(qū)域[3]。

圖2 法蘭及短節(jié)鍍鋅Fig.2 After galvanization flange and nipple

圖3 固定法蘭及芯軸Fig.3 Fixing the flange and the dabber

3.2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算分析

3.2.1 耐壓性能計(jì)算

增強(qiáng)簾線層承擔(dān)自身重量和端部載荷，主要承受軟管內(nèi)壓，并提高軟管抗拉強(qiáng)度。該層由聚酯簾線制成，單根簾線的抗拉強(qiáng)度為420 N/mm2。根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，第一層管體爆破壓力為9 500 kPa,使用12層簾線，每層有888根，簾線長(zhǎng)度為125 500 mm，該層厚度為15 mm,完全可以滿足耐壓需求[5]。簾線性能如表3所示。

表3 增強(qiáng)簾線性能Table 3 Performance of reinforcing plies

可承受的爆破壓力的計(jì)算公式為

(2)

≈1 102 N/cm2=11 020 kPa>9 500 kPa,

表明耐壓性能滿足要求。

3.2.2 儲(chǔ)備浮力計(jì)算

當(dāng)軟管(包括浮體材料和外覆層)完全浸入海水中并且充滿海水時(shí)，儲(chǔ)備浮力應(yīng)不低于20%。儲(chǔ)備浮力F(%)用GH 式計(jì)算：

式中：m1為軟管完全浸入海水中時(shí)排出的海水(包括整體浮體排出的海水和管內(nèi)的海水)的質(zhì)量；m2為空管(包括浮體材料和所有連接零件)的質(zhì)量；m3為軟管中容納的海水質(zhì)量。m1=8 020 kg，m2=4 100 kg，m3=2 120 kg,故儲(chǔ)備浮力=29%>20%，滿足要求[3]。

3.3 軟管制造程序

軟管制造采用硬芯成型方法。這種方法采用一根鋼制的芯軸，將壓延機(jī)壓延的膠片貼在芯軸上進(jìn)行成型。其特點(diǎn)是成型軟管內(nèi)徑尺寸準(zhǔn)確、表面光滑，膠層密封性能良好[6]。具體制造程序如下。

(1) 安裝芯軸。芯軸直徑為500 mm(20英寸)，調(diào)整其同心度，兩端誤差不超過(guò)2 mm；保持芯軸表面干凈,并涂抹上脫芯劑，便于脫芯；解開(kāi)短節(jié)端部的包布，用帆布隔離芯軸與短節(jié)的縫隙，防止內(nèi)膠流入短節(jié)內(nèi)部。

(2) 根據(jù)施工標(biāo)準(zhǔn)給出內(nèi)膠片幾何尺寸，將提前通過(guò)壓延機(jī)壓出的內(nèi)膠片纏繞在芯軸上(見(jiàn)圖4)，減少流體對(duì)內(nèi)膠片搭接處的沖刷。調(diào)整芯軸轉(zhuǎn)速；內(nèi)膠片采用二分之一搭接的形式；設(shè)定內(nèi)膠片纏繞張力，內(nèi)膠片的整個(gè)纏繞過(guò)程帶有一定張力且一次性纏繞到位，避免纏繞到芯軸上的膠片產(chǎn)生褶皺、松動(dòng)等缺陷。

圖4 內(nèi)膠層固定Fig.4 Fixing the inner rubber layer

圖5 固定簾線角度Fig.5 Fixing the angle of reinforcing plies

(3) 根據(jù)軟管內(nèi)徑大小和耐壓強(qiáng)度要求設(shè)定簾線纏繞角度。對(duì)于尺寸較大的軟管，簾線纏繞角度可設(shè)為54°，既不會(huì)降低軟管的耐壓強(qiáng)度，又能提高簾線纏繞速度。固定簾線纏繞角度(見(jiàn)圖5)，啟動(dòng)簾線纏繞設(shè)備，調(diào)整好速度，以均勻的張力和搭接寬度沿著芯軸方向纏繞簾線(見(jiàn)圖6)，相隔層的簾線始終以相反方向進(jìn)行纏繞。按照同樣的方法，纏繞數(shù)層簾線，并用細(xì)鋼絲固定簾線(見(jiàn)圖7)。

圖6 纏繞加強(qiáng)簾線Fig.6 Reeling the reinforcing plies

圖7 固定加強(qiáng)簾線層Fig.7 Fixing the reinforcing plies

(4) 纏繞鋼絲骨架層，如圖8所示。短節(jié)端部采用二氧化碳保護(hù)焊固定鋼絲頭部，注意焊接熱量不能破壞橡膠。通過(guò)控制鋼絲之間的間距和纏繞角度可以調(diào)節(jié)軟管的彎曲性能。鋼絲骨架層對(duì)軟管結(jié)構(gòu)提供支撐，防止內(nèi)部或者外部形變。

圖8 纏繞鋼絲骨架Fig.8 Reeling the steel helix wire

(5) 用擠出機(jī)擠出中膠，填充鋼絲骨架層的間隙，填充完畢后按照一定的壓力纏繞水包布。水包布可以防止混煉膠在硫化成型過(guò)程中產(chǎn)生氣泡，提高致密性，提高膠料與簾線層的附著力及耐曲繞性能，是保證膠體幾何尺寸、結(jié)構(gòu)密度和物理機(jī)械性能的重要措施。

(6) 第一層管體工序完成后，纏繞水布進(jìn)罐進(jìn)行第一次硫化。綜合考慮橡膠的耐熱性和硫化返原現(xiàn)象，各種橡膠建議硫化溫度及各層膠料材質(zhì)厚度如表4和表5所示。

表4 膠料硫化溫度參考值Table 4 Reference temperature for rubber vulcanization ℃

表5 膠料厚度Table 5 Rubber thickness mm

第一層管體的硫化曲線如圖9所示。利用硫化儀測(cè)出正硫化時(shí)間后，還必須考慮制品厚度的影響、膠料的導(dǎo)熱性及采取的硫化溫度和壓力等硫化條件[7]。適當(dāng)?shù)牧蚧瘔毫煞乐鼓z料氣泡的產(chǎn)生，提高膠料的致密性；使膠料流動(dòng)，充滿模型；提高附著力，改善硫化膠物理性能[7]。

圖9 第一層管體硫化曲線Fig.9 Vulcanization curve of the primary carcass

根據(jù)第一層管體膠料厚度和混煉膠料性質(zhì)設(shè)定硫化條件溫度、壓力和時(shí)間。時(shí)間到后，管體出罐，解開(kāi)尼龍繩及水包布。

(7) 待第一層管體溫度降至常溫時(shí)，將軟管管

體支撐于成型機(jī)上，纏繞第二層管體內(nèi)膠層，重復(fù)以上步驟(2)、(3)、(5)，之后開(kāi)始纏繞漂浮材料(見(jiàn)圖10和圖11)，在端部手工處理成圓錐形。根據(jù)漂浮軟管浮力計(jì)算公式確定采用5層漂浮材料，每層均為厚度20 mm的閉孔海綿。漂浮層為整條軟管提供浮力，使用的閉孔海綿具有良好的柔韌性，不吸水，抗形變，密度低。漂浮層用量需要綜合考慮整條軟管的重量和彎曲性能。

圖10 纏繞漂浮層Fig.10 Reeling the flotation layer

圖11 漂浮層固定Fig.11 Fixing the flotation layer

(8) 將壓延機(jī)壓出的外膠片纏繞在芯軸上。外膠片的纏繞工藝過(guò)程與內(nèi)膠片完全相同，為了保證軟管的外表面的光滑和平整度，膠片的搭接寬度越小越好。外膠片纏繞完畢后再纏繞水包布，水包布的纏繞方向與外膠片保持一致，施加一定的張緊力，避免外膠片松弛或者產(chǎn)生位移，否則，管體氣泡難于溢出，會(huì)產(chǎn)生外膠層脫層等缺陷。

(9) 軟管整體進(jìn)罐進(jìn)行三次硫化。由于漂浮層主體材料交聯(lián)聚乙烯泡沫，它在110 ℃就會(huì)受熱熔解，構(gòu)建的閉孔會(huì)塌陷，無(wú)法提供浮力,所以適當(dāng)降低硫化溫度、延長(zhǎng)硫化時(shí)間。外膠層硫化曲線如圖12所示。

圖12 外膠層硫化曲線Fig.12 Vulcanization curve of the cover

(10) 外膠層硫化完畢后，整條外輸軟管制作完成，開(kāi)始測(cè)量軟管長(zhǎng)度(見(jiàn)圖13)和外徑。測(cè)得軟管長(zhǎng)度為10 700 mm,滿足設(shè)計(jì)值10 700 mm(±1%)的要求，外徑尺寸1 021 mm,滿足設(shè)計(jì)值1 000 mm(±5%)的要求。脫管芯。

圖13 管體長(zhǎng)度測(cè)量Fig.13 Measuring the Carcass length

4 軟管檢測(cè)

按照GMPHOM 2009標(biāo)準(zhǔn)[8]的要求對(duì)外輸軟管進(jìn)行檢測(cè)，看其是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 外輸軟管性能參數(shù)檢測(cè)結(jié)果Table 6 Test results of performance parameters of the offloading hose

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)外輸軟管生產(chǎn)工藝的分析可以逐步掌握外輸軟管結(jié)構(gòu)、工藝、材料等方面的技術(shù)。按照本文介紹的工藝生產(chǎn)的外輸軟管，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到GMPHOM 2009標(biāo)準(zhǔn)要求，完全可以替代進(jìn)口外輸軟管進(jìn)行使用。與采用進(jìn)口外輸軟管相比，改用該型外輸軟管具有以下優(yōu)勢(shì)：(1) 外輸軟管采購(gòu)周期由進(jìn)口外輸軟管的6～8個(gè)月縮短至1～2個(gè)月；(2) 采購(gòu)成本相比進(jìn)口外輸軟管降低至少30%；(3) 由于采購(gòu)周期的縮短，可以使備用外輸軟管庫(kù)存減少50%；(4) 可享受?chē)?guó)內(nèi)軟管廠家更為快捷的售后服務(wù)。

在國(guó)際油價(jià)持續(xù)低迷的今天，各大石油公司都采取降本增效的策略逐步推進(jìn)國(guó)產(chǎn)石油裝備的應(yīng)用。本文介紹的國(guó)產(chǎn)外輸軟管生產(chǎn)工藝為國(guó)產(chǎn)外輸軟管投入使用提供了新的思路。通過(guò)該研究讓國(guó)內(nèi)外輸軟管用戶了解其性能特點(diǎn)，便于日后正確操作維護(hù)，有助于保障原油外輸順利、安全地進(jìn)行。

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ManufacturingTechniqueAnalysisof20InchDouble-CarcassReelingOffloadingHose

SHAN Xue-yong, ZHOU Yi

(CNOOCEnergyTechnology&Seruices-OilProductionServicesCo.,Tianjin300457,China)

Marine offloading hose is an important equipment which has been installed between oil production and storage unit and shuttle tanker. Marine offloading hose has a complex structure and plays a key role in oil transportation, which makes it require high technology. For a long time, a few companies from developed countries have a monopoly on this industry. We introduce the long course of marine offloading hose localization and analyze the production technology of 20 inch double-carcass reeling floating main hose through the characterization of its structure and material with the international standard GMPHOM 2009 for marine offloading hose as a reference.

marine offloading hose; production technology; reeling

2015-05-26

單學(xué)永(1970—)，碩士，高級(jí)工程師，主要從事海洋石油工程和項(xiàng)目管理方面的研究。

TE973

A

2095-7297(2015)03-0189-07