海底單層保溫管管端聚脲防水結(jié)構(gòu)密封性能研究及工程應用

劉海超，呂喜軍，王洪洲，張宏賈，賈 振，相政樂，趙 利

（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聚脲防水結(jié)構(gòu)密封性能研究及工程應用

劉海超，呂喜軍，王洪洲，張宏賈，賈 振，相政樂，趙 利

（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的防護系統(tǒng)是最薄弱的環(huán)節(jié)，管端防水密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，是關(guān)系到海底管道安全運行的關(guān)鍵。文章采用噴涂聚脲彈性體 （SPUA）對管端進行防水密封，通過材料性能試驗、耐靜水壓密封試驗，證明該結(jié)構(gòu)可以滿足單層保溫管防水密封的要求，并成功地在錦州JZ21-1海底管道修復項目中進行了應用。

海底管道；單層保溫管；噴涂聚脲；彈性體；防水結(jié)構(gòu)；密封

0 引言

海底單層保溫配重管由內(nèi)及外分別為鋼管、防腐層、聚氨酯泡沫保溫層、聚乙烯防護層和混凝土配重層，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)與管中管 （P-IP）保溫結(jié)構(gòu)相比可節(jié)省約2/3的鋼材和外防腐材料；而且減少了鋪管焊接工作量，提高了海管鋪設的速度，降低了管道系統(tǒng)造價[1]。因此，在淺海（40～50 m）區(qū)域，單層保溫管是國內(nèi)外普遍采用的海底管道保溫結(jié)構(gòu)形式[2]。

由于單層保溫管聚氨酯泡沫保溫層的抗壓強度有限，管端聚氨酯泡沫的防護系統(tǒng)是最薄弱的環(huán)節(jié)，一旦管端防護層破壞，海水滲入使聚氨酯泡沫失去保溫效果。因此，單層保溫管管端防水密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，是關(guān)系到海底管道安全運行的關(guān)鍵。

1 傳統(tǒng)防水密封結(jié)構(gòu)

早期，單層保溫管管端的防水結(jié)構(gòu)采用冷膠型防水帽密封，現(xiàn)場節(jié)點補口施工采用瀝青瑪蹄脂填充。冷膠型防水帽膠粘劑的粘接剪切強度僅0.16 MPa，經(jīng)過多次試驗和應用證明，在30～40 m水深的靜水壓下，冷膠型防水帽膠粘劑透水。另一方面，瀝青瑪蹄脂施工時需加熱到200℃以上，管端防腐保溫層因局部過熱造成破壞 （見圖2），將導致保溫層進水，無法保證海底管道的安全運行，現(xiàn)在此技術(shù)已被淘汰[3]。

目前，海底單層保溫管管端主要采用熱熔膠型熱縮防水帽防水密封技術(shù)，該技術(shù)存在以下缺陷：（1）熱縮防水帽材料抗沖擊性差，運輸?shù)跹b過程中易導致防水帽立面受損； （2）熱縮防水帽的安裝過程由人工操作，施工質(zhì)量難以控制； （3）防水帽在施工現(xiàn)場修補較難實現(xiàn)。

鑒于傳統(tǒng)的單層保溫管端防水密封結(jié)構(gòu)存在的弊端，急需開發(fā)新型的防水密封材料和結(jié)構(gòu)以及方便、快捷的施工工藝，以滿足淺海區(qū)域油田開發(fā)的需要。近年來聚脲防水材料的開發(fā)，為單層保溫管端防水密封結(jié)構(gòu)的改進提供了新的契機。

2 試驗研究

噴涂聚脲 （SprayPolyurea簡稱SPUA）是國外近20年發(fā)展起來的一種反應性、無溶劑、無污染、快速固化的新型涂料，采用專門的施工機械噴涂成型。

2.1 噴涂聚脲性能特點

聚脲的主要性能包括[4-6]：（1）化學性能穩(wěn)定，在酸、堿、鹽等化學介質(zhì)的作用下不易變質(zhì)失效,可以在海洋環(huán)境下使用；（2）機械強度高，粘結(jié)力強，抗巖石沖擊、土壤應力能力強，搬運吊裝過程中不易損傷；（3）疏水材料，抗?jié)B水性強，施工時不受潮濕或寒冷表面影響；（4）在海洋環(huán)境下使用不會受海貝類生物的侵蝕；（5）施工方法簡便，底材無需加熱，即使在-50℃下也可照常噴涂，而且噴涂完之后即可搬運；（6）適用溫度范圍廣泛，工作溫度為-50～121℃，間歇溫度可高達149℃，不會因溫度的變化而開裂；（7）環(huán)保型材料，對生態(tài)環(huán)境無污染。

2.2 SPUA試件的制作

2.2.1 單層保溫管試件

試驗所用的單層保溫管規(guī)格及涂層結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。試件結(jié)構(gòu)見圖3。有各種助劑。在SPUA技術(shù)中，應用最多的是半預聚體，將異氰酸酯與聚醚多元醇生成的半預聚體組分定義為A料；將含有端氨基聚醚、液體胺類擴鏈劑和其他助劑的組分定義為B料或R料。

表1 試驗管規(guī)格及涂層結(jié)構(gòu)參數(shù)

試驗選取原料廠家生產(chǎn)的三種型號聚脲原材料（代號A，B，C），進行性能對比分析，結(jié)果見表2。

表2 三種型號的SPUA材料性能指標

2.2.2 SPUA原材料

噴涂聚脲彈性體所用的原材料主要有三大類，即異氰酸酯、聚醚多元胺 （醇）和擴鏈劑。此外還

2.2.3 高密度聚乙烯管表面處理

單層保溫管的外護層為聚乙烯管 （HDPE），屬于非極性材料，與其他極性材料的粘接性不理想，甚至不粘接。為保證SPUA材料與HDPE達到所期望的的粘接效果，必須對其表面進行極化處理。

2.2.4 SPUA噴涂試驗

SPUA噴涂系統(tǒng)主要由噴涂主機、噴槍、液壓式抽料泵和A料罐、B料罐等組成；輔助設備有小型空壓機、儲氣罐、冷凍式干燥機、油水分離器等。試驗所用的聚脲噴涂設備型號為HXP3，噴槍型號為GX-8。

2.3 靜水壓密封試驗研究

本次試驗共制作SPUA管端防水試件9組，試件制作過程的工藝、環(huán)境條件參數(shù)等匯總于表3，HDPE管外壁表面張力的測量采用達因筆。SPUA防水材料噴涂參數(shù)為：SPUA涂層厚度2～5 mm；沿HDPE管軸向噴涂長度≥100 mm；沿鋼管FBE層的軸向噴涂長度≥100 mm。

表3 試件處理和噴涂SPUA環(huán)境工藝條件

單層保溫管SPUA管端防水試件如圖4所示。

噴涂SPUA試件靜水壓密封試驗分為9組，試驗參數(shù)如下：

（1）常溫靜水壓：0.4～0.5 MPa，試驗周期：7 d， 2組。

（2）常溫靜水壓：0.5～0.6 MPa，試驗周期：15 d， 2組。

（3）常溫靜水壓：0.6～0.7 MPa，試驗周期：43 d， 3組。

（4）常溫靜水壓：1.2～1.4 MPa，試驗周期：5 d， 1組。

（5） 溫度 （80±2） ℃， 靜水壓： 1.0～1.2 MPa，試驗周期：6天，1組。

2.4 試驗結(jié)果

對9組試件分別進行上述2.3節(jié)所述靜水壓密封試驗。試驗完成后，采用人工錘擊的方法對SPUA涂層進行錘擊檢驗，以考察SPUA與HDPE、FBE涂層之間的粘接效果；SPUA涂層附著力檢測按照ASTM D4541-2009標準規(guī)定進行拉拔試驗[7]，試驗結(jié)果見表4。

2.5 結(jié)果分析

（1）經(jīng)靜水壓試驗檢測，SPUA涂層整體結(jié)構(gòu)保持完好，所有試驗件均未出現(xiàn)漏水情況，且試驗后SPUA涂層與FBE、HDPE間仍具有良好的粘結(jié)力，說明SPUA材料具有優(yōu)良的整體耐溫耐壓防水密封性能。

（2）如表4所示，除1-A試件的HDPE管表面未進行極化處理，附著力較低 （＜4.0 MPa）外，其他經(jīng)過極化處理的HDPE與SPUA之間的附著力均＞4.0 MPa，最大可達6.09 MPa，說明經(jīng)極化處理后，明顯增強了HDPE與SPUA之間的粘接力；SPUA與鋼管FBE涂層之間的附著力均＞5.0 MPa，說明SPUA與FBE之間具有良好的粘接性，能夠滿足管端粘接密封要求。

表4 涂層附著力檢測結(jié)果

3 工程應用

SPUA技術(shù)在中海油天津分公司錦州JZ 21-1海底單層保溫管道修復項目上首次應用。該油田位于渤海遼東灣海域，西北方向距錦州JZ20-2凝析氣田約15km，距興城市約65 km，油田范圍內(nèi)水深18.5～20.4m。該項目海底管道因腐蝕問題需要對部分保溫管進行更換，更換管道長度約2.5 km。JZ 21-1海管項目所用鋼管規(guī)格、SPUA厚度見表5。聚脲涂層經(jīng)檢驗全部合格，檢驗結(jié)果見表6。

表5 JZ 21-1項目鋼管規(guī)格及各涂層厚度

表6 JZ21-1項目聚脲涂層主要性能檢測結(jié)果

本項目首次將噴涂聚脲 （SPUA）防水材料引入到海底單層保溫管管端防水密封結(jié)構(gòu)中。試驗和工程應用證明，SPUA材料具有極好的應用前景。

[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.

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[3]劉海超，高國軍.海底管道高密度開孔聚氨酯補口新技術(shù)[J].中國海上油氣，2006，18（4）：271-275.

[4]黃微波.噴涂聚脲彈性體技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[5]梁根選，王琪，王惠.聚脲涂料在埋地鋼制管道防腐及補口中的應用探索[J].焊管，2009，32（10）：31-33.

[6]劉海超，呂喜軍，相政樂，等.海底單層保溫管管端熱縮防水帽開發(fā)試驗研究[J].石油工程建設，2011，（6）：12-14，19.

[7]ASTM D4541-2009，Standard Test Method for Pull-off Strength of Coatings Using Portable Adhesion Testers[S].

Research of SPUA Pipe-end Sealing Structure of Submarine Single Layer Insulation Pipeline and Its Engineering Application

LIU Hai-chao（CNOOC Energy Technology&Services-Pipe Engineering Co.， Tianjin 300452， China），LU Xi-jun，WANG Hong-zhou，et al.

Protection system of pipe-end is the most vulnerable part to submarine single layer insulation pipeline,and the quality of waterproof sealing structure of pipe-end is the key element for safe operation of submarine pipeline.Spray polyurea elastomer （SPUA）is used for pipe-end waterproof sealing.It is certified that this structure can meet the pipe-end waterproof sealing requirements of single layer insulation pipeline by the tests of material performance and hydrostatic pressure sealing.This technique has been applied in Jinzhou JZ21-1 submarine pipeline rehabilitation project successfully.

submarine pipeline;single layer insulation pipe;SPUA;elastomer;waterproof structure;sealing

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.04.006

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，現(xiàn)從事海洋管道防腐、保溫及配重技術(shù)研究工作。

2011-12-21