海底管道硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫材料導(dǎo)熱性能試驗(yàn)研究

張曉靈，吳文通，楊加棟，孔瑞林，蔣曉斌，杜寶銀

（中海油能源發(fā)展管道工程公司，天津 300452）

海底管道硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫材料導(dǎo)熱性能試驗(yàn)研究

張曉靈，吳文通，楊加棟，孔瑞林，蔣曉斌，杜寶銀

（中海油能源發(fā)展管道工程公司，天津 300452）

針對(duì)硬質(zhì)聚氨酯材料用于海底單層保溫管道在保溫性能上暴露出的不足之處，對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以確定在各種工況下保溫材料的相關(guān)參數(shù)。文章從聚氨酯泡沫材料的基本性能、閉孔率和吸水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響、外界壓力對(duì)閉孔率影響等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，取得了相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，為今后在不同工況下確定保溫材料參數(shù)提供了參考。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫；保溫材料；性能試驗(yàn)

以硬質(zhì)聚氨酯為保溫材料的海底單層保溫管道已應(yīng)用于渤海和南海海域的多個(gè)油田，為中海油邊際油田的開發(fā)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，但同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)在保溫性能上也暴露出一些不足之處，有必要對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫導(dǎo)熱性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以確定在各種工況下保溫材料的相關(guān)參數(shù)。為此中海油能源發(fā)展管道工程公司進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究工作。

1 試驗(yàn)項(xiàng)目及采用的標(biāo)準(zhǔn)

從聚氨酯泡沫基本性能、閉孔率和吸水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響、外壓對(duì)閉孔率的影響、閉孔率對(duì)吸水率的影響、不同密度泡沫在不同水壓下的吸水率變化等方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，取得了相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)所用的硬質(zhì)聚氨酯泡沫為相同工藝和發(fā)泡體系生產(chǎn)。試樣放置時(shí)間、放置環(huán)境相同。

試驗(yàn)測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)：密度采用GB/T 6343-2009/ISO 845：2006《泡沫塑料及橡膠 表觀密度的測(cè)定》，抗壓強(qiáng)度采用GB/T 8813-2008/ISO 844∶2004《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮性能的測(cè)定》，拉伸強(qiáng)度采用GB/T 8811-2008/ISO 2796∶1986《硬質(zhì)泡沫塑料尺寸穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》，體積吸水率除特別說明外采用CJ/T 114-2000《高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管》，閉孔率采用GB/T 10799-2008《硬質(zhì)泡沫塑料開孔和閉孔體積百分率的測(cè)定》，導(dǎo)熱系數(shù)采用GB/T 10297-1998《非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定熱線法》和SY/T 0415-1996《埋地鋼質(zhì)管道硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料防腐保溫層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，耐熱性采用SY/T 0415-1996《埋地鋼質(zhì)管道硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料防腐保溫層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。

2 硬質(zhì)聚氨酯泡沫的基本性能試驗(yàn)

試驗(yàn)共制備了密度分別為 40、50、60、80、100、 120、 140、 150、 180、 200 kg/m3的 10 組泡沫試樣，測(cè)試了每一種密度下的泡沫的抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、 吸水率、 導(dǎo)熱系數(shù) （λ23℃,λ50℃）、 閉孔率、耐熱性 （包括尺寸變化率、強(qiáng)度增長(zhǎng)率、質(zhì)量變化率）、導(dǎo)熱系數(shù)變化率。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

3 硬質(zhì)聚氨酯泡沫閉孔率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響的試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

取密度為40、60、80 kg/m3的3組制作好的接近閉孔率設(shè)定值的試樣，放入加壓艙中，逐步加氣壓，陸續(xù)測(cè)量試樣閉孔率，直至得到更接近閉孔率設(shè)定值的試樣，然后測(cè)量試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。重復(fù)上述過程，測(cè)量其他閉孔率設(shè)定點(diǎn)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果 （見圖1）

4 硬質(zhì)聚氨酯泡沫吸水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響的試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

取密度為40、60、80 kg/m3的3組試樣，分別在不同吸水率條件下測(cè)試其導(dǎo)熱系數(shù)的變化情況。相同密度不同吸水率的材料依靠加壓獲得。試樣尺寸為150 mm×150 mm×100 mm，每組至少10塊試樣。

設(shè)定水壓為0.2 MPa，將3塊密度為40 kg/m3的試樣放入試驗(yàn)裝置中，保壓24 h，取出，測(cè)量試樣的吸水率，并迅速測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)；提高水壓至0.3 MPa，將3塊密度為40 kg/m3的試樣放入試驗(yàn)裝置中，保壓24 h，取出，測(cè)量試樣的吸水率，之后，迅速測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)。依次測(cè)量密度為60、80 kg/m3的樣品。

表1 不同密度硬質(zhì)聚氨酯泡沫的典型物理性能

圖1 不同密度泡沫材料閉孔率不同時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線

4.2 試驗(yàn)結(jié)果 （見圖2）

圖2 不同密度泡沫材料體積吸水率不同時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線

5 硬質(zhì)聚氨酯泡沫承壓 （氣壓）對(duì)閉孔率影響的試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方法

取密度為40、60、80、100 kg/m3的4組試樣，每種樣品3塊 （尺寸為150mm×100mm×100mm），共計(jì)12塊樣品一起放入加壓艙中，通過空氣壓縮機(jī)加壓，當(dāng)壓力表顯示500 kPa時(shí)，停止加壓，保持該壓力4 h，然后減壓，開艙，迅速取出泡沫，按照閉孔率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求，將每一組 （3塊）制出9塊試樣，用閉孔率測(cè)試儀測(cè)量試樣的閉孔率；重復(fù)上述過程，分別加壓至1 000、2 000、3 000、5 000、6 000、7 000、8 000 kPa，并測(cè)量泡沫樣品的閉孔率。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果 （見圖3）

圖3 承受不同壓力時(shí)不同密度泡沫材料閉孔率變化曲線

6 硬質(zhì)聚氨酯泡沫閉孔率對(duì)吸水率影響的試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)方法

取密度為 40、60、80 kg/m3的 3組制作好的接近閉孔率設(shè)定值的試樣，放入加壓艙中，逐步加壓，陸續(xù)測(cè)量試樣閉孔率，直至得到更接近閉孔率設(shè)定值的試樣，然后測(cè)量試樣的吸水率。

重復(fù)上述過程，測(cè)量其他閉孔率設(shè)定點(diǎn)樣品的吸水率值。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果 （見圖4）

圖4 聚氨酯泡沫閉孔率對(duì)吸水率的影響

7 硬質(zhì)聚氨酯泡沫在水壓作用下吸水率變化的試驗(yàn)

7.1 試驗(yàn)方法

取 密 度 為 40、 60、 80、 100、 140、 180、200 kg/m3的7組試樣，分別在9種不同的水壓條件下測(cè)試吸水率的變化情況。試樣尺寸為150 mm×150 mm×100 mm，每組至少需27塊。

設(shè)定水壓0.2 MPa，將3塊密度為40 kg/m3的試樣放入試驗(yàn)裝置中，保壓24 h，取出，測(cè)量試樣吸水率；提高水壓至0.3 MPa，將3塊密度為40 kg/m3的試樣放入試驗(yàn)裝置中，保壓24 h，取出，測(cè)量試樣吸水率，依次測(cè)量至壓力為1.0 MPa。依上述過程測(cè)量密度為 60、80、100、140、180、200 kg/m3的樣品。

7.2 試驗(yàn)結(jié)果 （見圖5、圖6）

圖5 不同密度泡沫材料受不同外壓時(shí)體積吸水率變化曲線 （1）

圖6 不同密度泡沫材料受不同外壓時(shí)體積吸水率變化曲線 （2）

8 試驗(yàn)分析與結(jié)論

（1）相同密度材料，隨閉孔率的加大，其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)逐步降低；不同密度材料，在閉孔率基本相同的條件下，材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨密度的增加而增大。

（2）相同密度材料，隨著吸水率的加大，其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)逐步加大；不同密度材料，在吸水率為零時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨其密度的增加而上升較為明顯；當(dāng)吸水后，導(dǎo)熱系數(shù)受密度不同的影響變得不再明顯；當(dāng)吸水率＞3%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)受密度的影響很小，可以忽略不計(jì)。

（3）相同密度材料，外壓增加時(shí)，閉孔率明顯降低，因?yàn)樵谕鈮鹤饔孟拢菽妆诒粔浩茖?dǎo)致穿孔。

（4）相同密度材料，隨著閉孔率的加大，其吸水率會(huì)逐步降低。不同密度材料，在閉孔率基本相同的條件下，材料的吸水率隨密度的增加而降低。

（5）綜合對(duì)照各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出，在外壓＜500 kPa時(shí)，所有泡沫材料閉孔率變化不大，吸水率變化也不大，但由于500 kPa外壓已經(jīng)超過密度小于60 kg/m3泡沫材料的抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致密度小于60 kg/m3泡沫材料變形較為嚴(yán)重。

（6）從試驗(yàn)中可以看出，不論多大密度的泡沫材料，在外壓作用下，吸水率均會(huì)發(fā)生變化 （增大），而這種變化將會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)顯著增大，所以，泡沫材料的防水對(duì)于其發(fā)揮保溫性能非常關(guān)鍵。

（7）對(duì)照幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，如SY/T 0415-1996《埋地鋼質(zhì)管道硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料防腐保溫層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定聚氨酯泡沫保溫層密度為40～60 kg/m3，CJ/T 114-2000《高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管》和EN 253-2009《區(qū)域供熱管—直接鋪設(shè)在地下的熱水管路用預(yù)絕熱復(fù)合管系統(tǒng)—由鋼管、聚氨酯隔熱和聚乙酰外殼制成的復(fù)合管系》規(guī)定聚氨酯泡沫保溫層密度為60 kg/m3以上，而國外設(shè)計(jì)公司對(duì)于PL19-3等海底單層保溫管保溫層的設(shè)計(jì)密度為80～100 kg/m3，以往中海油海底管道保溫層的密度一般設(shè)計(jì)為40～60 kg/m3或60～80 kg/m3，參考本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，筆者認(rèn)為：中海油以往海底單層保溫管保溫層的密度設(shè)計(jì)偏低，建議當(dāng)水深≤20 m時(shí)，宜選用密度60～80 kg/m3的泡沫材料；水深20～40 m時(shí)，宜選用密度80～100 kg/m3的泡沫材料。

Study on Thermal Conductivity of Rigid Polyurethane Foam Coating Material for Subsea Pipeline

ZHANG Xiao-ling（CNOOC Energy Technology&Services-Pipe Engineering Company,Tianjin 300452，China）,WU Wen-tong,YANG Jia-dong,et al.

To solve the shortages in thermal isolation property of rigid polyurethane applied in subsea pipeline with single thermal isolation layer,the tests for thermal conductivity of the rigid polyurethane foam material are conducted under different working conditions.The tests include its basic properties，the effects of closed cell rate and water absorption rate on thermal conductivity,and also the effects of external pressure on closed cell rate and the closed cell rate on water absorption.The test data offer some references for later application of the thermal insulation material in different working conditions.

rigid polyurethane foam;thermal insulation material;performance test

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.012

張曉靈 （1972-），男，河北萬全人，高級(jí)工程師，1994年畢業(yè)于西安交通大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)從事海洋管道工程相關(guān)技術(shù)研究。

2011-12-15；

2012-08-01