GSPU濕式保溫海管配重層防滑脫技術開發(fā)

運濤　吳文通

【摘 要】結合工程案例，介紹了油氣輸送用海底管道混凝土配重管常見涂層防滑結構，借鑒常規(guī)防滑結構特點，分析研制了適用于濕式保溫海管（GSPU）的一種環(huán)形凸起結構，用于防止混凝土配重層滑脫，對環(huán)形凸起的防滑作用及可靠性進行了實驗驗證，滿足蓬萊19-3油田項目海管防滑脫技術要求。

【Abstract】Combining with engineering examples， this paper introduces the common coating of oil and gas transportation in submarine pipeline concrete counterweight tube antiskid structure. By referring to the characteristics of conventional antiskid structure， a kind of ring-shaped raised structure suitable for wet insulation sea pipe （GSPU） is analyzed and developed to prevent slippage of concrete counterweight layer. The antiskid effect and reliability of the ring-shaped bump are verified by experiments， which meet the technical requirements of anti-skid of the offshore pipe in Penglai 19-3 oilfield project.

【關鍵詞】濕式保溫海管;配重層;滑脫;環(huán)形凸起

【Keywords】wet insulation sea pipe; weight distribution layer; slip; ring-shaped bump

【中圖分類號】TU528.73? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）10-0170-03

1 引言

海底油氣輸送用混凝土配重管多采用S型鋪管船法鋪設，該鋪設法要通過張緊器對管道施加一定的軸向張力，這種軸向張力要經過管面的混凝土配重層與其基層（防腐層、保溫層或防護層）界面間的抗剪切能力來傳遞。涂層界面間剪切強度不足時，會導致混凝土配重層與其基層（防腐層、保溫層或防護層）之間出現(xiàn)滑脫，影響鋪管效率，甚至造成嚴重后果。因此，混凝土配重層與其基層之間要有足夠的剪切強度，以保證鋪設過程中兩者之間不發(fā)生滑脫[1]。未經毛化處理的保溫層表面通常比較光滑，致使其與混凝土配重層之間的剪切強度小，防滑效果差?？梢圆扇』鶎颖砻嬖鲎璧拇胧┨岣哌@種界面剪切強度，但不同類型的基層需要研究制定不同的增阻對策。

2 濕式保溫海管簡介

2.1 濕式保溫管結構及成分

濕式保溫海管即玻璃微珠復合聚氨酯彈性體（GSPU）保溫管道結構如圖1所示，包括鋼質管體及其外側依次包覆的熔結環(huán)氧粉末（FBE）防腐層、GSPU保溫層[2]。GSPU通常是在聚氨酯彈性體中添加直徑約為30～100μm的空心玻璃微球（見圖2）復合而成，該保溫材料適用最大水深可達3000m，長期最大使用溫度為110℃。目前，用于深水區(qū)域的GSPU材料均為國外公司生產[3]。

2.2 濕式保溫管優(yōu)缺點

①保溫和防護作用合二為一，從而使海底管道保持整體一致性;

②優(yōu)異的韌性、強度及耐浸泡性能，最外層不需要防水層及防護層;

③節(jié)點處理工序少，涂敷防腐層后直接澆注聚氨酯彈性體材料，無需止水帽等裝置;

④與傳統(tǒng)的聚氨酯泡沫（PUF）保溫相比，GSPU保溫性略差，實現(xiàn)同樣保溫效果需稍大的保溫層厚度;

⑤與混凝土配重層的相互抗磨的能力不足，需要進一步采取措施。

3 防滑涂層增阻措施適用性分析

混凝土配重管涂層結構不同，涂敷方式不同，其所要求的保溫層（或防護層）表面增阻措施也不盡相同，常用的增阻措施有以下幾種：

①螺紋凹槽增阻法;

②起脊增阻法;

③環(huán)形凹槽增阻法。

適用性分析見表1。

4 GSPU濕式保溫管防滑脫技術方案

4.1 防滑脫技術設計

上述幾種海管涂層表面增阻措施，均較好地滿足了具體工程項目海管混凝土配重層抗滑脫的需要。但對于GSPU保溫涂層，螺紋凹槽增阻法和環(huán)形凹槽增阻法，后加工凹槽，費工費時，不增加涂層厚度時，會削弱GSPU保溫效果，增加涂層厚度保障保溫效果時，成本高。起脊增阻法，成型方式簡便，不影響GSPU保溫效果，可參考借鑒。監(jiān)于GSPU濕式保溫層采用液態(tài)保溫材料模注固化成型，為解決GSPU濕式保溫層增阻問題，需要使用一種GSPU濕式保溫管防滑模具，使模注固化成型后的GSPU涂層表面出現(xiàn)凸起，使其具備良好的增阻效果，滿足增阻需要。

4.2 防脫設計目標設定及可行性分析

4.2.1 確定目標

項目設計規(guī)格書中規(guī)定GSPU涂層厚度50mm、CWC與GSPU涂層間剪切強度≥0.2MPa。

結合工程項目需求，經過討論，確定研制的GSPU濕式保溫管防滑模具應達到下述指標要求：

①GSPU增阻涂層模注固化一次成型，成型完好率≥95%;

②增阻處GSPU涂層有效厚度≥50mm;

③GSPU增阻涂層與CWC涂層間剪切強度≥0.2MPa。

4.2.2 目標可行性分析

①GSPU濕式保溫層采用液態(tài)保溫材料模注固化成型，材料可塑性很好，只要解決好注料過程中模具凹面排氣問題，GSPU增阻涂層模注固化一次成型，成型完好率≥95%是可以實現(xiàn)的。

②模具內表面采用局部凹陷形式，即可實現(xiàn)GSPU涂層局部凸起增阻，且GSPU涂層厚度不會被削弱;

③GSPU材料本身抗剪切強度不小于12MPa，CWC材料強度在62MPa以上，只要GSPU涂層與CWC涂層間能夠良好地嵌固，材料本身足夠提供0.2MPa的剪切強度。

4.3 防滑脫模具設計

4.3.1 模具內表面局部凹陷

GSPU保溫層成型模具內表面局部凹槽，模注成型的GSPU保溫層外表面局部會形成環(huán)形凸起，GSPU涂層嵌入CWC涂層內，達到增阻目的。其特點：①GSPU保溫層外表面局部凸起可一次模注固化成型，制作簡單;②GSPU保溫層局部凸起，在材料較小額外用量的基礎上，完全可以達到涂層厚度及增阻需要，經濟性較好。

4.3.2 局部凹陷形式

鋼質模具內表面設置為局部凹陷形式，凹陷容易加工，注料時不窩氣，涂層固化后易脫模。

結論：最終選擇“環(huán)形凹槽”形式的鋼質模具實現(xiàn)濕式保溫層凸起，較為合適。

4.4 GSPU增阻涂層模注試制、混凝土配重管制作

GSPU增阻涂層模注試驗，成功試制2根帶增阻涂層的GSPU濕式保溫管（見圖3）。

GSPU增阻涂層混凝土配重涂敷，成功試制2根GSPU濕式保溫配重管。

4.5 效果驗證

帶凸起防滑結構的GSPU濕式保溫管試制成功后，截取配重管試驗管段，進行GSPU增阻涂層與CWC涂層間剪切強度試驗。

①試樣：GSPU濕式保溫配重管，試驗管段混凝土涂層長1.9m。

②試驗設備：液壓千斤頂，荷重傳感器，電子測力儀。

鋼結構箱形剪切試驗架，剪切試驗承壓端帽。

③試驗步驟

試件置于剪切臺架內并于試件上端扣上剪切端帽，將千斤頂置于承壓端帽正中;加荷，使千斤頂上端與臺架承壓面稍微接觸;均勻加荷直到混凝土涂層與GSPU涂層接觸面出現(xiàn)相對滑移;讀取并記錄試驗最大加荷荷載。

④試件允許承受荷載的計算公式：

S=F/（π×d1×L） （1）

式中：S——剪切強度，單位為兆帕（MPa）;

F——試驗最大加荷荷載，單位為牛頓（N）;

d1——試驗管段環(huán)向周長（GSPU涂層周長），單位為毫米（mm）;

L——試驗管段CWC涂層長度，單位為毫米（mm）。

實測最大荷載855kN，GSPU涂層與CWC涂層未出現(xiàn)任何相對滑移。

⑤試驗結果

依據(jù)公式（1），算得剪切強度S達到了0.202MPa。

截取配重管試驗管段，試驗測得GSPU增阻涂層與CWC涂層間剪切強度0.202 MPa，且GSPU涂層與CWC涂層未出現(xiàn)任何相對滑移，達到了蓬萊19-3油田鋪設所需的層間剪切強度≥0.2MPa的要求。

5 結語

從技術角度來說，本次借鑒的“環(huán)形凹槽”形式的鋼質模具成功制作出的帶環(huán)形凸起增阻涂層的GSPU保溫管，增阻效果滿足蓬萊19-3油田項目既定的技術需要，并為以后類似工程項目用管需求提供了大量的實驗數(shù)據(jù)和技術積累。為濕式保溫海管國產化即“三新三化”產品的成功轉化奠定了技術基礎，可為國內海洋油氣田開發(fā)提供安全、便捷的產品與技術服務。

【參考文獻】

【1】閆嗣伶.東方1-1氣田海底管道混凝土配重層的涂敷[J].中國海上油氣（工程），2003，15（4）：9-11.

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

【3】康學君，吳文通，張曉靈，等.深水管道復合聚氨酯彈性體保溫工藝與設備[J].聚氨酯工業(yè)，2014，29（1）：21-22.