海底單層保溫管管端熱縮防水帽開發(fā)試驗研究

劉海超，呂喜軍，相政樂，趙 利，王洪洲

（中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452）

海底單層保溫管管端熱縮防水帽開發(fā)試驗研究

劉海超，呂喜軍，相政樂，趙 利，王洪洲

（中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452）

海底單層保溫管管端采用輻射交聯(lián)型熱縮防水帽進(jìn)行防水密封，是目前常用的形式之一。文章介紹了一種無接縫直筒型熱縮防水帽及其配套的高溫、高剪切熱熔型膠粘劑的研究開發(fā)成果。試驗結(jié)果表明，開發(fā)的海底管道專用熱縮防水帽及其高溫、高剪切熱熔型膠粘劑的高溫剪切強(qiáng)度達(dá)到0.67MPa（80℃），滿足≥0.6MPa的試驗?zāi)繕?biāo)要求；在0.7～0.8MPa靜水壓試驗條件下，經(jīng)過30d的連續(xù)試驗，不發(fā)生透水現(xiàn)象，說明該防水帽可在20～50 m的水深工況下使用。

海底管道；單層保溫管；熱縮防水帽；輻射交聯(lián)；熱熔膠

0 引言

海底單層保溫管結(jié)構(gòu)采用了高密度聚乙烯（HDPE）夾克管做外套，對管內(nèi)的聚氨酯泡沫塑料（PUF）保溫層進(jìn)行有效的防水密封保護(hù)[1-2]。但在單層保溫管兩端的環(huán)形立面上，PUF保溫層處于裸露狀態(tài)，若不采取有效的防水措施或采取的防水密封措施不當(dāng)，則在保溫管的存儲、運輸和使用過程中，水/汽將通過管端進(jìn)入管體保溫層中，從而使PUF吸水，造成保溫失效，甚至引起管道腐蝕。

由此可見，海底單層保溫管的兩端是防水密封的最薄弱環(huán)節(jié)。采用輻射交聯(lián)型熱縮防水帽對海底單層保溫管管端進(jìn)行防水密封，是目前常用的防水密封形式之一。早期單層保溫管管端防水密封采用冷膠型防水帽，該防水帽采用熱焊接形式，所用膠粘劑為瀝青瑪蹄酯膠，粘接剪切強(qiáng)度僅有0.16MPa，在20～40 m水深的靜水壓下，冷膠型防水帽透水，達(dá)不到對管端保溫層的防水密封要求。鑒于此，開發(fā)研制一種適用于海底單層保溫管的專用熱縮防水帽顯得尤為重要。

1 熱縮防水帽

1.1 結(jié)構(gòu)及材料

輻射交聯(lián)型熱縮防水帽 （RSEC）采用軸向無接縫直筒型圓套結(jié)構(gòu)，基材為輻射交聯(lián)聚乙烯，直筒圓套經(jīng)熱擴(kuò)張后，冷卻定型，內(nèi)表面刷涂一層膠粘劑。加熱收縮時，其徑向收縮率大于75%，軸向收縮率小于10%。

防水帽基材聚乙烯采用輻射方式進(jìn)行交聯(lián)，聚乙烯分子由線型結(jié)構(gòu)變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且具有記憶性。由該基材加工而成的防水帽，其拉伸強(qiáng)度、抗拉力大大提高。防水帽還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不受環(huán)境和氣候影響。與普通聚乙烯材料相比，其機(jī)械強(qiáng)度、耐熱、耐老化、耐候性、電性能、耐化學(xué)性能均較優(yōu)越，使用壽命比同類材料增加1～2倍。這種熱縮防水帽作為單層保溫管端防水材料，具有極好的密封性能。

1.2 密封原理

輻射交聯(lián)型熱縮防水帽 （RSEC）基材采用具有熱記憶性的輻射交聯(lián)型聚乙烯套管，在收縮套內(nèi)表面兩端沿圓周分別涂覆寬度≥75 mm的熱熔膠粘劑。通過加熱，RSEC可沿管圓周方向均勻收縮包覆到保溫管端大頭 （HDPE夾克管）和小頭 （鋼管FBE涂層）的表面上，將保溫管端環(huán)形立面裸露的PUF保溫層與外界隔絕 （見圖1）。同時RSEC內(nèi)層的膠粘劑分別與HDPE管和FBE涂層粘接，從而起到密封防水/防腐作用，用作海底管道防水帽膠粘劑的粘接剪切強(qiáng)度一般要求不低于海水靜水壓的1.2倍。此外，具有熱收縮記憶的防水帽始終對管端部位提供徑向收縮緊箍力，對膠粘劑的粘接面起到有效的機(jī)械保護(hù)作用，阻止水和濕氣等浸入保溫層。

2 試驗研究

2.1 材料性能 （見表1、表2）

表1 輻射交聯(lián)熱縮防水帽基材性能指標(biāo)[3]

表2 輻射交聯(lián)熱縮防水帽膠粘劑性能指標(biāo)

根據(jù)海底單層保溫管應(yīng)用水深和管內(nèi)輸送介質(zhì)的溫度范圍，開發(fā)無軸向接縫RSEC。RSEC（小頭）與工作鋼管外表面FBE涂層之間的粘接密封，選用環(huán)球軟化點大于130℃的耐高溫型膠粘劑；RSEC（大頭）與HDPE外套管之間的粘接選用軟化點大于90℃熱熔型膠粘劑，并要求膠粘劑在工作溫度下，粘接剪切強(qiáng)度＞0.6 MPa，以保證單層管在40～50 m水深條件下長期安全運行。海管專用輻射交聯(lián)熱縮防水帽具體性能指標(biāo)見表1、表2。

試驗開發(fā)的輻射交聯(lián)型防水帽及配套膠粘劑主要性能指標(biāo)見表3。

表3 海管專用輻射交聯(lián)熱縮防水帽主要性能檢測指標(biāo)

檢驗結(jié)果表明，防水帽基材和高溫膠均達(dá)到試驗提出的技術(shù)指標(biāo)要求，可進(jìn)行管端密封防水試驗研究。

2.2 耐水壓密封防水試驗

2.2.1 試件制作

單層保溫管海底防水密封試驗用試件，選自中海油渤海某海管涂敷項目，是單層保溫管生產(chǎn)時做PQT試驗剩余的管段。海底管道規(guī)格和防腐保溫配重結(jié)構(gòu)見表4。

表4 某項目鋼管規(guī)格及各涂層厚度

單層保溫管管端防水帽密封試驗采用全比尺模型試驗，試件的規(guī)格見圖2、3。圖2中 “XX”代表試件號碼， “A”、 “B”分別代表試件管的A端和B端。

試驗用熱縮防水帽材料規(guī)格、產(chǎn)地詳見表5。為了進(jìn)行試驗對比，試驗時增加了冷膠型防水帽試驗。

表5 試驗防水帽材料一覽

2.2.2 耐靜水壓試驗

防水帽的耐水壓密封試驗是在靜水壓試驗裝置中進(jìn)行。水壓試驗裝置分別由密封水壓艙、自動加壓裝置、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。水壓試驗裝置見圖4、5。

試驗采用防水帽直接暴露在水中的方式 （圖5），共進(jìn)行13組試驗，用了26個防水帽，試驗條件如表6所示。

表6 防水帽靜水壓試驗條件

2.2.3 試驗結(jié)果

防水密封性檢驗采取切開防水帽和鉆核取芯兩種方法，檢驗完成后，對防水帽進(jìn)行粘接剝離強(qiáng)度檢驗。防水帽耐靜水壓檢測結(jié)果見表7。

2.3 結(jié)果分析

（1）在40 m水深的靜水壓下，冷膠型防水帽全部透水，達(dá)不到對管端保溫層的防水密封要求。試驗再次證明低粘接剪切強(qiáng)度瑪蹄脂型膠粘劑防水帽，不適合在20 m以下海底保溫管密封中應(yīng)用。

（2）密封性檢驗結(jié)果表明，試驗的11組熱熔膠型防水帽均未出現(xiàn)破損和透水現(xiàn)象，即使在保溫管試件主體被0.6 MPa以上的靜水壓強(qiáng)擠壓變形的情況下，防水帽外觀仍保持完好，粘接密封性依然有效。在0.7～0.8 MPa靜水壓下，連續(xù)試驗周期長達(dá)30 d，防水帽邊緣圓周方向的膠粘劑溢出均勻，粘接緊密，防水帽表面無鼓泡、剝離、翹邊等現(xiàn)象，依然保持良好的防水密封性。

表7 防水帽靜水壓檢測結(jié)果

（3）粘接剝離強(qiáng)度檢驗結(jié)果表明，在常溫下，防水帽膠粘劑對鋼管FBE層的剝離強(qiáng)度最小為138 N/cm，對HDPE層的剝離強(qiáng)度為104 N/cm，滿足剝離強(qiáng)度≥70 N/cm的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

研究開發(fā)的海底管道專用熱縮防水帽及高溫、高剪切熱熔型膠粘劑的高溫剪切強(qiáng)度達(dá)到0.67 MPa（80℃），滿足≥ 0.6 MPa的試驗?zāi)繕?biāo)要求。在0.7～0.8 MPa靜水壓試驗條件下，經(jīng)過30 d的連續(xù)試驗，不發(fā)生透水現(xiàn)象。由此說明，該防水帽可在20～50 m水深工況條件下使用。

[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）:56-59.

[2]張紅磊，韓文禮.國外海洋管道防腐保溫技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].石油工程建設(shè)，2009，（1）：26-29.

[3]SY 4054-2003，輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶（套）[S].

Test Research on Heat Shrinkable End-cap of Submarine Single Layer Insulation Pipeline

LIU Hai-chao（CNOOC Energy Technology&Services— Pipe Engineering Co.,Tianjin 300451,China）,LU Xi-jun,XIANG Zheng-le,et al.

Submarine single layer insulation pipeline adopts heat shrinkable end-cap made of radiation crosslink material to prevent water,which is a commonly applied mode at present.A cylindrical heat shrinkable end-cap without seam and its matching hot melt adhesive with high temperature resistance and high shear strength have been developed for submarine pipeline.They have the shear strength of 0.67 MPa at 80℃,which reaches the test aim of not less than 0.6 MPa.No permeable phenomenon was observed under the test condition of continuous hydraulic pressure 0.7～0.8 MPa for 30 day.The test results prove that the heat shrinkable end-cap can be applied in the working condition of 20～50 m water depth.

submarine pipeline;single layer insulation pipeline;heat shrinkable end-cap;radiation crosslink;hot melt adhesive

TE973.3

A

1001－2206（2011）06－0012－04

劉海超 （1977-）,男，河北玉田人，工程師，2000年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)精細(xì)化工專業(yè)，現(xiàn)從事海洋管道防腐、保溫及配重技術(shù)研究工作。

2011-07-27