海底混輸管道GSPU 濕式保溫技術(shù)與應用

押延寧

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

目前海底出產(chǎn)的原油一般為具有高凝、高黏、高含蠟等特點的原油，并且經(jīng)常伴有膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等問題，這種情況使得開采出來的原油流動性與加工性都存在明顯問題，給后續(xù)的運輸與生產(chǎn)加工帶來了很大困難。隨著開采出來的原油溫度持續(xù)降低，原油黏度進一步增加，流動性嚴重下降，另外含蠟原油也會在管道壁面上形成蠟結(jié)晶，造成管道的嚴重阻塞。此外，海底管線在進行長距離輸送或啟動時，均需要保證管道內(nèi)部流質(zhì)達到要求溫度，以避免在輸送過程中管道內(nèi)部的流質(zhì)發(fā)生凝固。因此，為了保障海底管道安全穩(wěn)定運行，需要采取保溫措施以減少管內(nèi)流質(zhì)與外界環(huán)境發(fā)生熱量交換，維持管道內(nèi)部流質(zhì)溫度[1-2]。

為探索海底混輸管道流動保障新技術(shù)，為今后深海油田開發(fā)GSPU 濕式保溫管工程應用進行先導試驗以積累經(jīng)驗，2014 年5 月，康菲聯(lián)管會、研究總院、工程建設中心、海油發(fā)展管道公司召開了GSPU 濕式保溫適用性研究會，論證了GSPU 濕式保溫在蓬萊19-3 項目海底混輸管道上的應用技術(shù)和經(jīng)濟可行性，確定蓬萊19-3 油田1/3/8/9 區(qū)綜合調(diào)整項目WHPV至RUP 混輸管線采用GSPU 濕式保溫，其節(jié)點補口采用雙組分液體環(huán)氧底漆刷涂(LEP)+復合聚氨酯保溫澆注(SPU)+ 開孔聚氨酯發(fā)泡澆注(HDPUF)工藝，該條海底管線的鋪設由濱海109(BH109)船負責施工作業(yè)。本文通過對該項目GSPU 濕式保溫技術(shù)要求、保溫管預制、節(jié)點補口、工程應用效果等進行重點介紹，為后續(xù)海底混輸管道GSPU 濕式保溫技術(shù)的推廣應用提供技術(shù)支持。

GSPU 是復合聚氨酯材料的微珠填充物，在聚氨酯彈性體材料中，通過添加直徑約為10 ～120 μm的空心玻璃微珠，形成保溫復合材料，這種保溫材料的最大溫度可達到115 ℃左右[3]。聚氨酯復合涂層主要由聚氨酯彈性體和不同種類的空心微球構(gòu)成，二者具有特殊的性能，能夠使保溫層與海底管道保持整體性，同時具有保溫與防護的功能。聚氨酯復合涂層內(nèi)部的填充空心微球有不同的類型，根據(jù)空心微球的類型不同可分為有機空心聚合物復合聚氨酯涂層(PSPU)和無機空心玻璃微珠復合聚氨酯涂層(GSPU)[4-5]。

1 項目基本情況

蓬萊19-3 油田位于渤海海域的中南部，西北距塘沽約216 km，平均水深27 ～33 m；WHPV 至RUP混輸管線采用60.96 cm(24 英寸)單層濕式保溫管，長度1.6 km，管體防腐形式為熔結(jié)環(huán)氧粉末涂敷(FBE)+玻璃微珠濕式保溫(GSPU)+ 混凝土配重(CWC)，雙組分液體為環(huán)氧底漆刷涂(LEP)+復合聚氨酯保溫澆注(SPU)+ 開孔聚氨酯發(fā)泡澆注(PUF)；濕式保溫涂層密度800 ～860 kg/m3，厚度50 mm，配重層厚度45 mm，操作壓力3 001.3 kPa，設計溫度79 ℃，設計壽命25 年，總傳熱系數(shù)不高于5 W/(m2·℃)。GSPU濕式保溫管涂層的主要構(gòu)成為鋼質(zhì)管體以及鋼管體外包裹的熔結(jié)環(huán)氧防腐層和GSPU 保溫層，并且出于防護及穩(wěn)定性要求，在GSPU 濕式保溫層設置混凝土配重層。GSPU 涂層的性能指標如表1 所示，其中涂層密度應滿足ASTM D792 標準，要求密度達到800 ～860 kg/m3；導熱系數(shù)應滿足ASTM C518 標準，小于0.165 W/(m·K)；斷裂拉伸強度與斷裂伸長率均是GSPU 涂層的重要性能指標，需要滿足ASTM D412 標準，要求分別大于5 MPa 和50%；GSPU 涂層的剪切強度應滿足ATM D 732 標準，應超過12 MPa。

表1 GSPU 涂層性能指標

本項目的總體開發(fā)方案在2016 年通過專家組的審查，2016 年年底完成項目的基本設計；2017 年4 月完成項目的詳細設計，2017 年年底，GSPU 主體管線的涂層材料完成生產(chǎn)制造；2018 年4 月26 日，GSPU 濕式保溫管節(jié)點鋪設方案經(jīng)過專家組審核并得到認可通過，5 月27 日，BH109 鋪管船完成鋪設。

2 GSPU 濕式保溫管預制

2.1 GSPU 濕式保溫管生產(chǎn)材料

GSPU 濕式保溫管主要是由A、B 兩種成分形成的生產(chǎn)材料，其中，A 為聚醚多元醇，B 為多異氰酸酯。在此基礎上，在生產(chǎn)材料中添加空心玻璃微珠，3 種材料共同復合形成最終的保溫材料，各種材料的參數(shù)如表2 ～表4 所示。

表2 聚醚多元醇組分(A 組分)參數(shù)

表3 多異氰酸酯組分(B 組分)參數(shù)

表4 中空玻璃微珠參數(shù)

2.2 主要生產(chǎn)工藝過程

GSPU 濕式保溫涂層的生產(chǎn)主要采取在線旋轉(zhuǎn)澆注方式或模制方式進行涂敷預制。本項目所采用的方法為模制方式，主要生產(chǎn)過程為：將涂敷好FBE 的預熱鋼管放置在GSPU 濕式保溫涂層成型模具中，再將玻璃微珠和聚醚多元醇預混后，加入異氰酸酯，進行混合料注入，化學反應完成并固化后，生成GSPU濕式保溫管。

2.2.1 原材料的預處理

多異氰酸酯從料桶輸送到料罐后，若短時間中斷使用(過夜)，需在料罐內(nèi)充入氮氣置換出罐內(nèi)空氣以保護原料。

2.2.2 鋼管預處理

使用適當工具(砂紙、砂帶等) 對鋼管FBE 層表面進行毛化處理，處理后的FBE 涂層厚度應≥510 μm，并進行100% 漏點檢測，不合格者按照鋼管FBE 防腐程序進行處理；使用全尺寸烘箱等加熱裝置對鋼管進行預熱，鋼管表面預熱溫度應按材料供應商推薦溫度進行控制。

2.2.3 模具準備

在進行涂敷之前需要對模具的內(nèi)表面進行清潔處理，并在刷涂脫模劑后進行預熱準備：(1)模具清潔。應使用軟布、三角鏟等對模具內(nèi)表面進行清潔，保證模具內(nèi)表面無異物。(2)刷涂/ 噴涂脫模劑。使用滾刷或噴壺在模具內(nèi)表面刷涂/噴涂脫模劑，脫模劑應以完整覆蓋模具內(nèi)壁為宜。(3)模具預熱。澆注前，應對模具進行預熱，按材料供應商推薦溫度進行控制。

2.2.4 吊管入模

將預熱的模具準備好后，應將安裝好管端堵頭并預熱好的鋼管吊入成型模具，注意管端堵頭不能壓住模具的進料口及排氣口，鋼管位置調(diào)整好后，合模鎖緊。

2.2.5 澆注

在澆注機完成準備后，設定好澆注機參數(shù)，啟動循環(huán)模式，并觀察澆注機各項參數(shù)是否穩(wěn)定，在滿足條件要求的前提下，啟動澆注機。開始澆注時，調(diào)節(jié)三通閥，使材料通過澆注管進入模具內(nèi)，直至模具排氣口有原材料冒出后停止注料。停止注料后應立即清洗澆注機槍頭。

2.2.6 待模固化及開模

保溫層澆注完畢應至少待模固化15 min 后方可開啟模具，使用鋼管提升設備取出保溫管，拆除管端堵頭，使用刮刀等裝置去除保溫管表面澆注口、排氣口以及模具接縫處等高于保溫層的部分。

2.2.7 保溫層表面增阻處理

為滿足CWC 混凝土配重層與GSPU 涂層間剪切強度≥0.2 MPa 的要求，需對保溫層表面進行增阻處理(起脊)。GSPU 涂層表面起脊高約5 mm，寬約40 mm，間距300 mm。

3 GSPU 濕式保溫涂層生產(chǎn)過程質(zhì)量控制

GSPU 濕式保溫生產(chǎn)過程中主要質(zhì)控項目包括：對管體的FBE 涂層漏點檢測、GSPU 模具及鋼管溫度檢測、管端預留尺寸檢測、原料預混計量設備標定、原料預混密度檢測等一系列質(zhì)量控制；成品管制成后，再進行涂層厚度測量，以及機械性能、保溫性能等關鍵參數(shù)和硬性指標測試，確保各項性能滿足設計要求。累計生產(chǎn)60.96 cm(24 英寸,φ609)GSPU 濕式保溫管125 根，GSPU 增阻涂層(每根36道) 均實現(xiàn)了模注固化一次成型。

3.1 批件產(chǎn)品質(zhì)量檢測

對GSPU 保溫涂層性能進行檢測，提取5 個批次(1 批次25 根)樣本進行質(zhì)量檢測，如表5 所示，檢測結(jié)果均滿足要求。

表5 GSPU 涂層性能指標結(jié)果

3.2 GSPU 濕式保溫涂層質(zhì)量檢測試驗

3.2.1 FBE與GSPU 涂層間環(huán)形剪切試驗

截取制作GSPU 涂層試驗環(huán)，采用壓力試驗機及專用壓板，進行FBE 與GSPU 涂層間環(huán)形剪切試驗，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BE 涂層與GSPU 涂層間環(huán)形剪切強度為1.27 MPa，涂層間無相對滑移，滿足項目技術(shù)指標要求。

3.2.2 CWC與GSPU 涂層間剪切強度試驗

通過國內(nèi)首創(chuàng)GSPU 環(huán)形凸起增阻工藝切件檢查，GSPU 增阻部位涂層與CWC 涂層握裹良好。剪切試驗驗證，實測最大荷載855 kN(剪切強度S達到0.202 MPa)，GSPU 涂層與CWC 涂層未出現(xiàn)任何相對滑移，CWC 與GSPU 涂層間剪切強度滿足項目技術(shù)指標要求。

3.2.3 模擬彎曲測試

模擬海管S-Lay 鋪設彎曲，采用半徑R=91.4 m條件下的模擬彎曲試驗，較R=200 m 的設計控制指標更為嚴格。模擬彎曲后，GSPU 涂層表面、GSPU 涂層與節(jié)點SPU 溫層結(jié)合處表面、節(jié)點SPU溫層表面均無裂紋，抗彎性能優(yōu)異，試驗結(jié)果滿足規(guī)格書要求。

3.2.4 模擬服役環(huán)境測試

經(jīng)模擬管道實際工況運行后，保溫層表面均未發(fā)現(xiàn)任何裂紋、變色、變形等缺陷，并且節(jié)點處無開裂、進水等現(xiàn)象；實測GSPU 濕式保溫管道(含節(jié)點)總傳熱系數(shù)為3.61 W/(m2·K)；GSPU 濕式保溫管道(含節(jié)點)在靜水壓不高于1 MPa 的條件下，徑向變形量不超過0.1 mm。

4 管道節(jié)點補口處理

蓬萊19-3 項目GSPU 濕式保溫配重管的節(jié)點涂層采用“LEP+SPU+ 高密度開孔PUF”結(jié)構(gòu)，其主要工藝過程包括：節(jié)點表面噴砂清理、LEP 液態(tài)環(huán)氧底漆刷涂、GSPU 管端涂層預熱、模具準備、SPU涂層材料澆注、PUF 模具準備、PUF 涂層材料澆注等。

其中，對節(jié)點補口采用SPU 涂層成型工藝進行處理，節(jié)點補口過程為：先進行節(jié)點清理與節(jié)點預熱，隨后對節(jié)點位置進行模具安裝，在完成安裝的模具位置采用SPU 涂層進行澆注，澆注結(jié)束后等待SPU 材料固化，待固化完成可將模具拆卸，完成澆注。

2018 年5 月27 日，BH109 鋪管船順利完成項目GSPU 管線鋪設及現(xiàn)場節(jié)點補口。對于節(jié)點位置處的SPU 涂層要進行PQT 試驗，確保涂層性能滿足項目技術(shù)要求，如表6 所示，檢測結(jié)果均滿足要求。

表6 SPU 涂層PQT 性能指標結(jié)果

5 結(jié)語

項目GSPU 濕式保溫管投產(chǎn)運營一年后，為核實確認GSPU 濕式保溫效果，委托設計單位根據(jù)生產(chǎn)工藝參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對該條海管進行工藝參數(shù)校核(核算總傳熱系數(shù))，核算結(jié)果表明，蓬萊19-3 油田RUP 平臺至WHPV 平臺60.96 cm(24 英寸)混輸海管的實際總體傳熱系數(shù)平均值在0.8 ～2.95 W/(m2·℃)之間，均值為1.93 W/(m2·℃)，遠遠低于海管設計選取的傳熱系數(shù)5 W/(m2·℃)，說明海管的保溫效果非常好，目前該條海管已服役運營3 年，運營良好。