GSPU保溫管節(jié)點補口自動開合澆注模具的開發(fā)

賈 振

(中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452)

GSPU保溫管節(jié)點補口自動開合澆注模具的開發(fā)

賈 振

(中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452)

針對玻璃微珠復合聚氨酯(GSPU)保溫管的節(jié)點結構和補口要求，設計了一套三瓣式氣壓自動開合澆注模具，并對其結構進行了相應優(yōu)化與完善，以提高節(jié)點補口澆注質量及模具實用性?；诒驹O計方案，設計開發(fā)了一套模具設備并進行了澆注補口應用試驗，結果表明，該模具在確保GSPU濕式保溫管節(jié)點補口施工效率的同時，一定程度上提升了節(jié)點補口的質量，減少了材料和人員投入，降低了節(jié)點補口的綜合成本。

海底管道；保溫管；玻璃微珠復合聚氨酯(GSPU)；節(jié)點補口；澆注模具

0 引 言

節(jié)點部位是海底管線中的薄弱環(huán)節(jié)。節(jié)點補口質量的好壞直接影響到整條海底輸油管線的使用壽命，對于直接承受深海高壓、低溫環(huán)境的深水保溫管道而言更是如此。隨著我國深海油田開發(fā)的不斷深入，深水保溫管道的潛在需求量越來越大，然而由于深水保溫管道與傳統(tǒng)保溫管道在結構和材料方面存在較大差異，原有的節(jié)點補口工藝與相關設備均已無法適用[1-2]。

國外在深水管道領域的研究起步較早，目前已開發(fā)出多種產品并且在1 000 m以上水深均有成功應用案例，如多層聚丙烯復合涂層保溫管道和不發(fā)泡聚氨酯復合涂層保溫管道[3]。為進行節(jié)點施工，國外同時開發(fā)了配套的補口設備，如美國CRC-EVANS公司與加拿大Bredero Shaw公司開發(fā)的聚丙烯注塑模具，其結構由三塊獨立弧形板構成，通過可旋轉的外骨架控制開合，主要用于多層聚丙烯復合涂層保溫管道的節(jié)點補口。我國對深水濕式保溫管道也進行了相應的國產化研究，目前，玻璃微珠復合聚氨酯(GSPU)濕式保溫管的工廠加工與預制技術已趨于成熟。相對而言，濕式保溫管的節(jié)點補口因海上施工的特殊性和補口材料快速反應成型的特點而受到工藝和設備的限制[4]。

對于深水GSPU濕式保溫管而言，節(jié)點補口適宜選用聚氨酯彈性體常壓澆注技術，其中對施工質量、施工效率和施工綜合成本影響最為關鍵的就是節(jié)點補口澆注模具設備。目前我國尚未對該類設備展開系統(tǒng)性研究，而國外相關企業(yè)對此技術實行嚴格保密。為此，本文結合GSPU保溫管節(jié)點結構與聚氨酯澆注要求，開發(fā)了一套適用于GSPU保溫管節(jié)點補口的澆注模具。

1 GSPU保溫管節(jié)點結構及補口要求

1.1 節(jié)點結構

GSPU保溫管的節(jié)點是對兩根GSPU保溫管端部經焊接、防腐和保溫而形成的結構，是管與管的連接部位，其結構如圖1所示。

節(jié)點中部由內而外依次為鋼質管體、熔結環(huán)氧(FBE)防腐層、澆注型聚氨酯(CPU)保溫層；節(jié)點兩端由內而外依次為鋼制管體、防腐層、GSPU保溫層。為方便管道間進行焊接并考慮節(jié)點防腐和保溫，每根管均設置管端預留區(qū)域，而且GSPU保溫管預制時采用模具澆注工藝實現成型，管端保溫層形狀受到封堵器的約束而形成斜面，故最終在中間部位形成“倒梯形”空缺。本文所開發(fā)的澆注模具即安裝在該空缺部位，為節(jié)點澆注的聚氨酯彈性體材料提供快速成型固化的環(huán)境條件和外形束縛，最終形成圖1所示的完整節(jié)點結構。

圖1 GSPU保溫管節(jié)點結構Fig.1 Field joint structure of GSPU thermal insulation pipe

1.2 節(jié)點補口要求

深水GSPU保溫管節(jié)點補口模具設計時需要注意以下要求：

(1) 受節(jié)點補口工序時間的限制，要求澆注的CPU材料能夠在澆注模具中快速固化，即澆注原料能夠在模具內及時、充分反應，因此澆注模具需要采取相應的加熱保溫措施。

(2) 為了在鋪設管道時確保管線順利通過張緊器，補口完成后的節(jié)點外徑尺寸應該與管道外徑相符[5]。

(3) 節(jié)點補口材料CPU在反應固化之前為液態(tài)，應避免施工時因模具密封不嚴而發(fā)生泄漏，以免造成浪費并污染施工場所。

(4) 澆注模具的安裝與拆卸應當省時省力，以便節(jié)省操作時間，減輕施工人員勞動強度，高質高效完成節(jié)點補口澆注。

2 節(jié)點補口澆注模具的設計

2.1 整體設計

以鋼管直徑219 mm、壁厚12.5 mm、管端預留300 mm、保溫層厚度75 mm的GSPU保溫管節(jié)點為例進行澆注模具設計。模具結構由模具主體、氣壓傳動系統(tǒng)、加熱保溫系統(tǒng)和底座四部分組成。

為方便開合控制，模具主體設計為三瓣式合頁結構，包括下部一塊半圓瓣(圓心角為180°)和上部對稱的兩塊1/4圓瓣(圓心角為90°)，每塊1/4圓瓣通過合頁結構與半圓瓣相連，3塊圓瓣閉合時恰好形成圓形澆注空間。模具長度應考慮保溫管管端預留長度、管端保溫層斜面長度及模具夾裝長度；模具內徑尺寸應考慮鋼管外徑、防腐層厚度、保溫層厚度及GSPU管外徑誤差，模具主體尺寸可按如下公式計算：

L=2(L預留+L斜面+L夾),

(1)

D=D鋼管+2(T防腐+T保溫)+δ,

(2)

式中：L表示模具長度；D表示模具內徑；L預留和L斜面分別為GSPU保溫管管端預留長度和管端斜面軸向長度；L夾為便于模具夾裝在節(jié)點部位而多出的長度；D鋼管表示裸鋼管的外徑；T防腐和T保溫分別為鋼管表面防腐層與保溫層厚度；δ代表由各種因素導致的GSPU管外徑誤差。對本設計而言，防腐層厚度約為0.3 mm，夾裝長度取85 mm，將尺寸參數代入計算公式可得，模具長度為920 mm，模具內徑為370 mm。

模具主體材質采用45#鋼，各瓣厚度為2.5 mm，每瓣上設置5 mm厚加強肋板用以保證模具剛度，各瓣間通過錯位密封結構實現配合與密封。半圓瓣固定于底座上，其中央位置開有Φ32 mm注料孔，并安裝澆注口用以連接外部注料管；上方的一對1/4圓瓣分別與兩組氣缸相連，由氣缸實現開合動作，兩塊1/4圓瓣的上方各加工三個半徑為10 mm的半圓孔，可在模具閉合時形成排氣孔。

氣壓傳動系統(tǒng)包括兩組雙作用氣缸、空壓泵和氣路，氣缸一端鉸接于底座，另一端連接1/4圓瓣用以驅動模具開合[6]。傳動系統(tǒng)的加入大大提高了澆注模具的自動化水平和自動張開/閉合的精準性，有利于施工效率的提升。加熱保溫系統(tǒng)主要包括伴熱帶、溫度傳感器和控制系統(tǒng)三部分，其中伴熱帶分別貼合在模具的三瓣式模具主體上，對模具按指定溫度進行加熱并保溫。該模具經初步設計后的整體結構如圖2所示。

圖2 模具結構示意圖Fig.2 Mold structure schematic diagram

2.2 結構優(yōu)化

補口澆注為常壓澆注，澆注量由節(jié)點及模具尺寸決定，而在實際澆注完成后，CPU材料在固化成型過程中將發(fā)生收縮，經實驗測定其收縮率在一維方向上處于2%～2.5%之間。澆注材料發(fā)生收縮，一方面致使節(jié)點部位直徑變小，不能與主體保溫涂層保持一致，可能影響鋪設效果；另一方面又會在CPU與GSPU的粘接面產生較大拉應力，致使補口處出現開裂傾向，影響節(jié)點補口質量，降低海底管線的保溫性能，嚴重時甚至導致海水沿界面縫隙滲入、侵蝕節(jié)點防腐層，危及整條管線的安全運行。鑒于以上情況，通過大量模擬試驗驗證，對澆注模具進行部分結構參數優(yōu)化，可在很大程度上解決這些問題，優(yōu)化方案如下。

(1) 適當加大模具內徑，由Φ370 mm增加至Φ380 mm，但是內徑增加量要以節(jié)點能夠順利通過張緊器為前提。

(2) 三瓣結構兩端堆焊“端部板條”，板條厚度為5 mm，使模具端部內徑由380 mm縮小為370 mm，在模具內壁形成倒錐形，以便與原管道緊密配合，“端部板條”通過斜面平滑過渡至模具內壁。優(yōu)化后的模具結構如圖3(a)所示；圖3(b)為應用優(yōu)化之后模具進行節(jié)點補口的預期效果，其中箭頭所指為CPU材料固化時的收縮方向。

這種節(jié)點形式相比優(yōu)化前，不僅能夠補償因CPU收縮而導致的外徑尺寸縮小，而且可以充分利用CPU的收縮性，在兩端的徑向產生“壓緊力”，提升粘接面的粘接強度，降低粘接面處開裂概率，從而提高節(jié)點補口質量。

圖3 優(yōu)化后的模具結構及補口效果示意圖Fig.3 Optimized mold structure and corresponding effect for field joint installation

2.3 氣缸規(guī)格的確定

每塊1/4圓瓣的重量可根據鋼材用量計算，包括2.5 mm厚模具壁、5 mm厚肋板及10 mm厚各瓣間連接處的端板，共約10 kg?？紤]到配套空壓泵可提供0.2 MPa的空氣工作壓力，故所用氣缸缸徑應當不小于Φ80 mm。依據模具尺寸和模具張開角度要求對氣缸行程進行估算。為確保模具張開時能夠順利夾裝到節(jié)點部位，要求最大張開角度如圖4所示，兩側均需偏移垂直方向15°。經計算可得氣缸實際動作長度在160～180 mm之間。為防止活塞與缸蓋碰撞，氣缸最大行程應比實際動作長度長10～20 mm，因此應選用行程為200 mm的氣缸[7]。綜上所述，可選擇SC系列標準氣缸SC125×200S作為該模具的驅動氣缸，以滿足推力與行程的要求。

圖4 模具張開角度示意圖Fig.4 Mold opening angle schematic diagram

2.4 澆注口設計

使用該模具進行補口澆注時澆注方向為自下而上，注入的CPU材料由底部的澆注口向上充滿澆注空間。該種澆注工藝可以最大限度地排除包夾氣泡的問題，確保澆注材料的密實度。但澆注完成后，澆注口處不可避免地會殘存CPU材料，若其與澆注口內壁接觸過緊，便會增大脫模難度，影響施工效率。為避免此類情況的發(fā)生，澆注口應設計為上粗下細的錐形結構，且內壁需打磨光滑，如圖5所示。脫模時模具向下移動，在這種結構的澆注口處不會產生阻力，可有效解決脫模困難的問題。

2.5 錯位密封結構

CPU材料反應固化之前為液態(tài)，如果澆注時模具密封不嚴或是模具與節(jié)點配合處存有縫隙，澆注料便會經由這些縫隙流出，既浪費、污染施工場地又會加大模具清理難度，因此必須對澆注時的密封問題加以考慮。模具與節(jié)點配合處的縫隙可通過粘貼密封膠的方式得到解決，而模具各瓣間的密封則可通過設計錯位密封結構來實現，必要時還可在臺階處嵌入密封條來提高密封效果，如圖6所示。

圖5 澆注口結構Fig.5 Structure of sprue gate

圖6 錯位密封結構Fig.6 Dislocation seal structure

3 模具試制及工藝試驗

基于以上設計思路，開發(fā)試制了一套內徑380 mm、長920 mm的自動開合澆注模具，并結合相關配套澆注設備，按照深水GSPU保溫管節(jié)點補口工藝進行模擬補口澆注工藝試驗，以驗證模具的實際使用性能。所用澆注材料為BASF公司提供的澆注型聚氨酯彈性體雙組份原料(白料Elastoshore 10061R/黑料 Elastoshore 10002T)。圖7所示為試制的澆注模具及使用該模具進行的補口澆注試驗。表1所示為節(jié)點補口澆注試驗相關參數。表2所示為彈性體雙組份原料的物理性能及反應特性。表3所示為反應固化后的聚氨酯彈性體性能參數。

圖7 試制模具及澆注試驗Fig.7 Trial-produced mold and pouring test using the mold

表1 節(jié)點補口澆注試驗參數Table 1 Pouring test parameters for field joint installation

表2 雙組份原料物理性能及反應特性Table 2 Physical properties and reactivity of liquid components

試驗結果如圖8所示，補口完后的節(jié)點內部和表面無氣泡、氣孔、裂紋等缺陷，表面光滑平整；長時間冷卻固化后，節(jié)點處外徑略大于管道外徑，連接處過度平滑；CPU與GSPU之間牢固壓緊，粘接強度較高。試驗結果表明，該套模具具有較好的實用性能，可以高質量地實現GSPU保溫管節(jié)點補口。

表3 聚氨酯彈性體性能參數Table 3 Typical properties of polyurethane elastomer

圖8 澆注試驗結果照片Fig.8 Picture of pouring test result

工藝試驗同時表明，新開發(fā)的節(jié)點補口澆注模具可預先加熱并保持在設定溫度，節(jié)省澆注材料固化、熟化時間，并且能夠快速自動開、合，減去安裝、拆卸模具的工序，縮短節(jié)點補口澆注施工的整體用時，有利于陸上保溫管接長預制及海上鋪設效率的提高，使鋪管船上寶貴的時間資源得到充分利用，降低綜合施工成本。表4所示為該模具與傳統(tǒng)模具的使用對比。

表4 澆注模具使用對比Table 4 Comparison of different pouring molds

4 結 語

節(jié)點補口澆注模具是實施深水GSPU保溫管道節(jié)點補口的關鍵設備。本文依據GSPU保溫管的節(jié)點結構及補口要求，提出了一種采用三瓣式結構、自動開合方式的模具設計思路，并對其具體結構進行了優(yōu)化與完善。在此基礎上，依照本文設計方案設計開發(fā)了一套節(jié)點補口自動開合澆注模具，利用該套模具進行了節(jié)點補口澆注工藝試驗，施工過程及補口澆注效果表明該模具不僅實用性好、補口質量高，而且能夠節(jié)省管道節(jié)點補口施工時間和人員投入，降低綜合施工成本。結合深水濕式保溫管節(jié)點工程項目的實際需要，通過進一步優(yōu)化模具結構和相關參數，該設備有望在深水GSPU保溫管節(jié)點補口中得到推廣應用。

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

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[7] SMC中國有限公司.現代實用氣動技術(第3版)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.154-156.

DevelopmentofanAutoOn-OffPouringMoldUsedinFieldJointInstallationofGSPUThermalInsulationPipe

JIA Zhen

(CNOOCEnergyTechnology&ServicePipeEngineeringCo.,Tianjin300452,China)

In view of the field joint structure and construction requirements of glass microsphere syntactic polyurethane (GSPU) deepwater insulation pipes,a set of 3-valve type pouring mold that can open and close automatically driven by pneumatic cylinders is designed.In order to improve the quality of field joint installation as well as mold practicability,the structure is improved and optimized correspondingly.Based on this designing scheme,a physical mold is manufactured and then the pouring test is carried out using the mold.The results show that this pouring mold,to some extent,is able to improve the field joint installation quality while guaranteeing the construction efficiency of field joint installation.Besides,the material and personnel investment is reduced,lowering the composite cost for field joint installation.

subsea pipeline; thermal insulation pipe; glass microsphere syntactic polyurethane (GSPU); field joint installation; pouring mold

2015-12-04

賈振(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事海管防腐、保溫、配重研發(fā)及產品質量控制工作。

TE973

A

2095-7297(2016)01-0052-06