海底單層保溫管防水帽低溫剝離強(qiáng)度試驗(yàn)研究

運(yùn)濤，劉巖，李經(jīng)緯

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450）

海底單層保溫管采用輻射交聯(lián)型熱縮防水帽對其管端進(jìn)行防水密封，是目前常用的防水密封方法之一。海底管道外部由高密度聚乙烯（HDPE）夾克管套住，管內(nèi)是聚氨酯泡沫塑料保溫層。單層保溫管兩端的環(huán)形立面上，聚氨酯泡沫塑料保溫層處于裸露狀態(tài)，在保溫管的存儲、運(yùn)輸和使用過程中，水、水蒸氣或其他氣體若通過管端進(jìn)入罐體保溫層中，則會造成保溫失效，甚至引起管道腐蝕，故需要選取使用性能良好的防水帽確保其防水密封效果，保證海底管道的安全運(yùn)行。

為選取高質(zhì)量的防水帽，本文在研究過程中選取國外和國內(nèi)的兩大品牌防水帽分別在室溫約3～4℃和23℃環(huán)境下開展防水帽性能檢測試驗(yàn)，獲取防水帽剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度在所檢測的溫度范圍內(nèi)性能數(shù)據(jù)，進(jìn)而從中選擇更適合項(xiàng)目的防水帽。

1 試件制作

（1）試件介紹：單層保溫管海底防水密封試驗(yàn)所用試件，均選自海上項(xiàng)目生產(chǎn)時(shí)剩余的管段，非特制和定制管件，具有較好的代表性。（2）試驗(yàn)件安裝：防水帽與夾克管和熔結(jié)環(huán)氧涂層FBE安裝圖和節(jié)點(diǎn)圖，如圖1、2所示。

2 防水帽性能檢測試驗(yàn)

（1）防水帽在室溫（約3～4℃）和23℃下剝離試驗(yàn)：試驗(yàn)人員對安裝好的防水帽分別在夾克管和FBE上的防水帽進(jìn)行剝離試驗(yàn)，在室溫（約3～4℃）下進(jìn)行剝離時(shí)發(fā)現(xiàn)防水帽與膠條之間沒有黏結(jié)性，剝離后膠條和防水帽表面光滑。技術(shù)人員認(rèn)定防水帽在室溫下（3～4℃）剝離試驗(yàn)不合格。

隨后按照檢驗(yàn)試驗(yàn)計(jì)劃要求剝離試驗(yàn)溫度為23℃，檢驗(yàn)人員從試驗(yàn)管內(nèi)壁加熱，使防水帽溫度達(dá)到22.7℃后進(jìn)行剝離試驗(yàn)，此時(shí)，剝離強(qiáng)度為125N/20mm，滿足技術(shù)文件要求。

圖1 安裝圖（從左到右：聚氨酯泡沫、HDPE夾克管、HSEC層、FBE層、不銹鋼管）

圖2 節(jié)點(diǎn)圖

相關(guān)廠家對以上兩種環(huán)境下的結(jié)果給出解釋：設(shè)計(jì)文件要求剝離試驗(yàn)溫度為23℃，該設(shè)計(jì)公司解釋為：國際上并沒有防水端帽專門的標(biāo)準(zhǔn)，防水帽實(shí)際上也是熱縮帶的一種，防水端帽一側(cè)搭接到鋼管FBE上，一端搭接到PE管上。因此，防水端帽的剝離強(qiáng)度要求是參考節(jié)點(diǎn)熱縮帶的技術(shù)要求。同時(shí)，參考ISO21809-3的剝離強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度測試都是在23℃環(huán)境下進(jìn)行，并且其他測試基本都在23℃，因此可認(rèn)為23℃環(huán)境是一個(gè)通用技術(shù)要求。技術(shù)人員割取部分防水帽和夾克管置于23℃恒溫箱內(nèi)，一段時(shí)間后取出進(jìn)行剝離試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)剝離試驗(yàn)結(jié)果為60N/cm，滿足上述技術(shù)要求。

之后，監(jiān)理和項(xiàng)目組代表詳細(xì)說明了防水帽剝離試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題，涂覆公司技術(shù)人員、監(jiān)理、項(xiàng)目組專業(yè)工程師對剝離試驗(yàn)件進(jìn)行重新驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在室溫環(huán)境下（3～4℃）防水帽剝離強(qiáng)度近乎為零，且剝離后膠條和防水帽表面光滑，驗(yàn)證了在室溫下（3～4℃）剝離試驗(yàn)不合格。

（2）防水帽在室溫7℃±3℃下剝離試驗(yàn)：針對防水帽低溫剝離強(qiáng)度低的問題，本試驗(yàn)組織項(xiàng)目相關(guān)涂敷公司、BV、監(jiān)理公司及廠家召開了問題分析會。針對當(dāng)前出現(xiàn)的防水帽低溫剝離強(qiáng)度低等問題，各方進(jìn)行了分析和討論。涂敷公司開展7℃±3℃、0.36MPa（取1.2倍系數(shù)）條件下7天的靜水壓試驗(yàn)，驗(yàn)證海管鋪設(shè)就位至服役前環(huán)境溫度下防水帽防水密封性能。①低溫環(huán)境下的防水帽靜水壓試驗(yàn)：進(jìn)行低溫環(huán)境下的防水帽靜水壓試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度6.5℃，試驗(yàn)壓力0.36MPa，時(shí)間7天。該試驗(yàn)旨在驗(yàn)證防水帽、夾克管、防水帽與FBE的密封性。7天后，監(jiān)理人員鑒證試驗(yàn)結(jié)果，六組防水帽低溫靜水壓試驗(yàn)合格，防水帽內(nèi)部無進(jìn)水跡象。為了驗(yàn)證國產(chǎn)防水帽的質(zhì)量情況，涂覆公司對國產(chǎn)防水帽進(jìn)行了高低溫的靜水壓試驗(yàn)以及高低溫下的剪切、剝離強(qiáng)度試驗(yàn)。高溫靜水壓試驗(yàn)顯示防水帽與基材黏結(jié)性非常強(qiáng)，而與FBE的粘結(jié)性較差，試驗(yàn)顯示在高壓靜水壓環(huán)境下，與FBE層粘結(jié)的防水帽出現(xiàn)了滑移，膠層與FBE層出現(xiàn)分層，且保溫層進(jìn)水，試驗(yàn)不合格。②對國內(nèi)外防水帽廠家材料進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

（3）結(jié)論分析。經(jīng)試驗(yàn)對比，在同溫度下防水帽膠條剪切強(qiáng)度國內(nèi)某廠家產(chǎn)品質(zhì)量略高于國外同型號產(chǎn)品。在0℃環(huán)境下，國內(nèi)防水帽產(chǎn)品的剝離強(qiáng)度大于50N/cm，明顯優(yōu)于國外同型號產(chǎn)品質(zhì)量，可有效規(guī)避了防水帽低溫時(shí)剝離強(qiáng)度低，容易開裂進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在高低溫靜水壓試驗(yàn)中，國內(nèi)某廠家防水帽產(chǎn)品不合格，國外某廠家的防水帽滿足要求。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范未給出低溫剝離試驗(yàn)的檢驗(yàn)依據(jù)，只要求23℃的常溫下試驗(yàn)，剝離強(qiáng)度大于50N/cm。管道在鋪設(shè)階段經(jīng)過彎曲、扭轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)力的作用下，防水端帽與FBE層和PE層容易出現(xiàn)開裂或者進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)較高，鑒于此種情況，結(jié)構(gòu)專業(yè)工程師經(jīng)討論一致認(rèn)為，現(xiàn)有工藝下的防水帽不能夠繼續(xù)適用，不符合項(xiàng)目規(guī)格書中要求的即防水帽適用于0～79℃的工作環(huán)境的要求。

3 國內(nèi)廠家技術(shù)革新后試驗(yàn)進(jìn)展

經(jīng)過本試驗(yàn)表明，現(xiàn)有工藝下的防水帽在常規(guī)溫度23℃下表現(xiàn)良好，但是無法滿足具體項(xiàng)目的0～79℃的工作環(huán)境。將試驗(yàn)結(jié)果反饋給國內(nèi)某防水帽廠家后，該廠家積極采用新的背材+高溫膠技術(shù)生產(chǎn)，安排人員至現(xiàn)場做技術(shù)指導(dǎo)，開展防水帽安裝的人員培訓(xùn)及試驗(yàn)安裝工作。

現(xiàn)場將單層保溫管試驗(yàn)件放進(jìn)常溫水壓試驗(yàn)倉，驗(yàn)壓力0.36MPa，時(shí)間7天。開始進(jìn)行7天靜水壓試驗(yàn)，第二天將單層保溫管試驗(yàn)件放進(jìn)高溫水壓試驗(yàn)倉，開始進(jìn)行7天靜水壓試驗(yàn)。靜水壓試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行出倉檢驗(yàn)。其中常溫靜水壓試驗(yàn)結(jié)束，試驗(yàn)件2個(gè)，其中1#件無滲水現(xiàn)象，對PE剝離強(qiáng)度為80N/cm，對FBE剝離強(qiáng)度為200N/cm；2#件防水帽進(jìn)水，對PE剝離強(qiáng)度為120N/cm，對FBE剝離強(qiáng)度為200N/cm。

對于2#件試驗(yàn)情況進(jìn)行分析，2#試驗(yàn)件從兩個(gè)位置進(jìn)水，砂眼的位置和密封膠未充分黏接的位置，根本原因如下：（1）防水帽烤制過程中，溫度控制難度較大，密封膠軟化點(diǎn)把控的準(zhǔn)確性不足，造成局部黏接性差；（2）烤制的時(shí)間和操作質(zhì)量不穩(wěn)定，造成防水帽容易烤制過火，形成局部碳化或者厚度超薄。

4 結(jié)語

本論文結(jié)合項(xiàng)目需求及國內(nèi)某廠家的防水帽制造經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)過程中對防水帽（國外某廠家）低溫剝離強(qiáng)度低問題的研討，進(jìn)一步開展水壓試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。本試驗(yàn)總共開展了3次國外某廠家的防水帽性能和國內(nèi)某廠家的防水帽性能試驗(yàn)測試，進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)對比分析，最終的測試結(jié)果兩個(gè)廠家試驗(yàn)件均無水滲漏，試驗(yàn)合格。其中國內(nèi)某廠家的防水帽剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度在所檢測的溫度范圍內(nèi)性能數(shù)據(jù)優(yōu)于國外某廠家的防水帽。

按照試驗(yàn)結(jié)果，相關(guān)項(xiàng)目使用了國內(nèi)某廠家防水帽的推薦方案，并組織相關(guān)專家審查會。經(jīng)過數(shù)日的試驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)對比分析，專家優(yōu)選國內(nèi)廠某家防水帽，提高了項(xiàng)目防水帽材料的質(zhì)量，降低項(xiàng)目后期海管鋪設(shè)階段和油田運(yùn)營階段的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，采用國內(nèi)廠家防水帽降低了大量的材料成本，降低了對國外同型產(chǎn)品的進(jìn)口依賴，為其他海上項(xiàng)目選取合適的防水帽提供理論依據(jù)和實(shí)踐參照。