聚氨酯螺旋列板現(xiàn)場(chǎng)澆注常見(jiàn)缺陷及解決方法*

焦振峰 楊加棟 王洪洲 趙 利 胡建飛

(1.海油發(fā)展珠海管道工程有限公司 廣東珠海 519050)

(2.中海油能源發(fā)展清潔能源管道技術(shù)分公司 天津 300452)

海底管道尤其是海洋平臺(tái)立管、水下井口管匯及跨接管等受到海洋洋流的影響，會(huì)出現(xiàn)海流渦激振動(dòng)(VIV)。而減少海流渦激振動(dòng)的方式之一是在海底管道外部安裝渦激振動(dòng)抑制裝置，常用的渦激振動(dòng)抑制裝置為螺旋列板。螺旋列板可改變沿管縱向的海流分離角，從而擾亂旋渦的空間關(guān)聯(lián)性，使旋渦分散，進(jìn)而削弱旋渦的強(qiáng)度，降低升力[1]。它提高了水下導(dǎo)流效率，可避免海洋平臺(tái)立管服役期間疲勞失效。聚醚型聚氨酯彈性體具有較強(qiáng)的耐海水、耐磨、耐撕裂、耐沖擊和高回彈等特性，是制造螺旋列板的優(yōu)良材料[2]。

聚氨酯螺旋列板制品通常由聚氧化丙烯多元醇、擴(kuò)鏈劑等原料配制的P料和改性多異氰酸酯(I料)聚合而成。根據(jù)水深的變化和項(xiàng)目要求，P料中可用部分聚四氫呋喃二醇替代聚氧化丙烯多元醇。P料和I料通過(guò)澆注機(jī)混合、澆注、高溫模具成型，最后經(jīng)過(guò)高溫后熟化、常溫后熟化及檢驗(yàn)等工序，最終完成VIV抑制聚氨酯螺旋列板的生產(chǎn)。

聚氨酯螺旋列板常見(jiàn)的澆注缺陷，包括但不限于產(chǎn)品外觀缺陷(輪廓問(wèn)題、制品氣孔內(nèi)嵌和局部裂紋等)、尺寸缺陷、硬度缺陷、拉伸強(qiáng)度不合格及脆化易撕裂等。

本研究根據(jù)作者經(jīng)驗(yàn)，介紹VIV抑制聚氨酯螺旋列板現(xiàn)場(chǎng)澆注生產(chǎn)中的常見(jiàn)缺陷及解決方法，為聚氨酯螺旋列板現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供工藝和質(zhì)量保障。

1 VIV抑制聚氨酯螺旋列板產(chǎn)品性能

因?qū)嶋H使用中海底管道鋪設(shè)傳動(dòng)時(shí)，由于滾輪導(dǎo)管架撞擊和摩擦等因素，高性能VIV抑制螺旋列板產(chǎn)品需要較好的機(jī)械性能。實(shí)測(cè)的VIV抑制聚氨酯螺旋列板主要的產(chǎn)品性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 高性能VIV抑制螺旋列板產(chǎn)品性能指標(biāo)

由表1可知，VIV抑制聚氨酯螺旋列板實(shí)測(cè)性能滿足作為高性能VIV抑制螺旋列板的各項(xiàng)要求。

2 料比和預(yù)熱溫度導(dǎo)致的產(chǎn)品缺陷和解決方法

原料配比是影響海底管道VIV抑制聚氨酯螺旋列板產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素，雖然雙組分聚氨酯組合料廠家會(huì)提供原料配比說(shuō)明，但在實(shí)際生產(chǎn)及工藝適用性試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)，不同廠家、不同原料體系及不同生產(chǎn)批次組合料的固化反應(yīng)行為和澆注固化效果都略有不同。因配比不當(dāng)導(dǎo)致的聚氨酯螺旋列板硬度低、易撕裂等缺陷屢見(jiàn)不鮮，應(yīng)不定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定量配比小試。比較簡(jiǎn)單的方法是將少量的P料和I料在透明杯子中混合，待凝膠及固化后，用木棍或鐵絲戳搗，簡(jiǎn)單觀察凝膠和固化效果，不同固化時(shí)間硬度與料比數(shù)據(jù)匹配，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況對(duì)料比進(jìn)行微調(diào)。這種小試、原料配比應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)澆注微調(diào)匹配的方法，是配比系統(tǒng)調(diào)整完善的3個(gè)步驟。

P料和I料的預(yù)熱溫度也是一個(gè)重要參數(shù)，一般設(shè)定在30～60℃之間。需注意因聚四氫呋喃二醇體系P料低溫下可能出現(xiàn)局部結(jié)晶現(xiàn)象，最終會(huì)影響澆注體系均勻性及產(chǎn)品品質(zhì)，所以P料的預(yù)熱溫度應(yīng)控制在40℃以上。為保證P料和I料的混合效果，防止較高溫度下因凝膠快而來(lái)不及操作，澆注時(shí)采用接近下限的低料溫以保證充足的混合時(shí)間。但低料溫顯然不利于進(jìn)行澆注成型的化學(xué)反應(yīng)，所以預(yù)熱溫度的最佳臨界點(diǎn)需要現(xiàn)場(chǎng)不斷摸索。若是手工多次間歇澆注，混合料加入模具后應(yīng)盡快開(kāi)始化學(xué)反應(yīng)，待材料凝膠有一定強(qiáng)度后立即將模具移動(dòng)至烘箱中，避免模具溫度下降太快引起反應(yīng)速度、制品均一性偏差。手工間歇澆注推薦采用低料溫混合、高模溫反應(yīng)、長(zhǎng)固化時(shí)間的生產(chǎn)工藝。

3 凝膠強(qiáng)度導(dǎo)致產(chǎn)品局部開(kāi)裂缺陷及解決方法

為了方便澆注及排氣，一般在模具上方設(shè)置澆注口。VIV抑制聚氨酯螺旋列板采用間歇多次的澆注方法制備。澆注過(guò)程中，不透明模具內(nèi)凝膠效果和可移動(dòng)強(qiáng)度不容易掌控，若移動(dòng)過(guò)早，極易導(dǎo)致產(chǎn)品定位槽、鰭部位置局部開(kāi)裂；停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，模具溫度驟降，不利于材料反應(yīng)和固化進(jìn)行。因固化反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)熱傳遞到模具，現(xiàn)場(chǎng)澆注時(shí)可通過(guò)模具溫度變化來(lái)預(yù)判凝膠效果和可移動(dòng)時(shí)間。模具溫度-時(shí)間曲線見(jiàn)圖1。

由圖1可知，當(dāng)模具從烘箱中取出，隨著模具在空氣中暴露時(shí)間的增加，溫度開(kāi)始下降；當(dāng)澆注開(kāi)始時(shí)，由于反應(yīng)為放熱反應(yīng)，熱量傳遞到模具，模具溫度也逐漸升高；當(dāng)澆注完成后，因凝膠固化過(guò)程還未完結(jié)，溫度會(huì)持續(xù)升高一段時(shí)間；當(dāng)聚氨酯彈性體凝膠基本完成時(shí)，溫度再次開(kāi)始下降，之后再移動(dòng)模具，是保證制品不開(kāi)裂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。將其與澆注口處制品是否不粘的簡(jiǎn)單判斷相結(jié)合，效果更佳。

圖1 澆注模具時(shí)間溫度曲線

另一個(gè)容易被現(xiàn)場(chǎng)忽視的情況是到規(guī)定的凝膠時(shí)間后，制品是否達(dá)到可移動(dòng)的強(qiáng)度。一般情況下應(yīng)在凝膠完成后繼續(xù)固化1～2 min，確保制品強(qiáng)度可滿足移動(dòng)要求。

產(chǎn)品局部開(kāi)裂非常容易發(fā)生在定位槽、鰭部和異形等局部應(yīng)力較大的位置，解決辦法就是溫度和時(shí)間的合理匹配。

4 固化、后熟化的缺陷及解決方法

VIV抑制聚氨酯螺旋列板產(chǎn)品澆注工藝主要包括固化、高溫后熟化和常溫后熟化3個(gè)主要階段[3]。

VIV抑制聚氨酯螺旋列板成型固化的參數(shù)取決于原料種類和殼鰭厚度。產(chǎn)品脫模時(shí)間的掌控要注意保證產(chǎn)品長(zhǎng)久不變形，并具有一定的回彈性。對(duì)于有異形、突出、收縮或厚度不均一的產(chǎn)品，因產(chǎn)品局部應(yīng)力較大，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，需提高固化溫度和延長(zhǎng)固化時(shí)間。但若為提高生產(chǎn)效率單純地提高固化溫度、縮短固化脫模時(shí)間，也可能造成制品動(dòng)態(tài)力學(xué)性能下降。一般情況下，控制固化溫度60～100℃、固化時(shí)間45～60 min為宜。另外，使用紅外測(cè)溫儀對(duì)模具直接測(cè)溫操作若不夠規(guī)范，會(huì)因?yàn)榻饘倌＞弑砻骖伾?、狀態(tài)引起反射偏差，導(dǎo)致測(cè)溫不準(zhǔn)確，這也是常見(jiàn)的固化溫度超高的原因之一。某些原料的體系若固化溫度超高，固化過(guò)程發(fā)生熱分解，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品脆裂、易撕裂?？墒褂脤Ｓ玫慕佑|式測(cè)溫儀取代通用的紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫，確保溫度準(zhǔn)確性。

制品在模具中固化后，經(jīng)驗(yàn)豐富的現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人可以通過(guò)對(duì)修邊余料進(jìn)行非標(biāo)撕扯和180°折疊難易程度，來(lái)判斷此時(shí)聚氨酯螺旋列板制品的大致力學(xué)性能，進(jìn)而通過(guò)調(diào)整固化溫度來(lái)縮短固化時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。但這樣操作也埋下了隱患，若修邊取樣余料未進(jìn)行高溫后熟化和常溫后熟化就進(jìn)行非標(biāo)撕扯和180°折疊，會(huì)增加制品脆裂、撕裂風(fēng)險(xiǎn)。解決隱患的方法是對(duì)修邊待檢余料也進(jìn)行高溫后熟化、常溫后熟化，再直接進(jìn)行非標(biāo)撕扯和180°折疊檢測(cè)，上述僅僅作為澆注過(guò)程經(jīng)驗(yàn)判定。

除制品本身的強(qiáng)度缺陷外，高溫后熟化和常溫后熟化時(shí)間的不足也是制品拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率不合格的原因之一。高溫后熟化一般在80～100℃、12 h以上，充足的高溫后熟化時(shí)間可減小不同批次澆注、固化產(chǎn)生的差異。而常溫后熟化時(shí)間以超過(guò)3 d，甚至1周為佳，在達(dá)到規(guī)定常溫后熟化時(shí)間后，制品物理結(jié)構(gòu)和特性才能達(dá)到最佳狀態(tài)。要注意用于成品檢測(cè)的樣品也要經(jīng)歷完整的高溫后熟化、常溫后熟化過(guò)程。

5 結(jié)語(yǔ)

聚氨酯澆注彈性體具有優(yōu)異的耐海水、耐磨、耐沖擊和高回彈性能，可用于生產(chǎn)海洋管線VIV抑制螺旋列板，避免服役期海底管道疲勞失效。

VIV抑制聚氨酯螺旋列板的產(chǎn)品質(zhì)量與現(xiàn)場(chǎng)澆注工藝密切相關(guān)，不同批次原料配比、預(yù)混反應(yīng)溫度、凝膠強(qiáng)度、模具移動(dòng)、固化、后熟化工藝的設(shè)置不當(dāng)均可能造成制品撕裂、脆化、局部開(kāi)裂、強(qiáng)度不合格及外觀缺陷。科學(xué)、嚴(yán)格的澆注工藝和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，是提高聚氨酯澆注彈性體質(zhì)量的關(guān)鍵。

(1)原料配比應(yīng)嚴(yán)格按原料說(shuō)明執(zhí)行，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)不定期進(jìn)行定量小試，并以小試結(jié)果指導(dǎo)澆注生產(chǎn)。

(2)原料預(yù)熱溫度的最佳臨界點(diǎn)需要現(xiàn)場(chǎng)不斷摸索，手工間歇澆注推薦低料溫混合、高模溫反應(yīng)及長(zhǎng)固化時(shí)間的生產(chǎn)工藝。

(3)通過(guò)澆注模具的溫度時(shí)間曲線，在固化過(guò)程中，對(duì)凝膠強(qiáng)度和可移動(dòng)時(shí)間進(jìn)行預(yù)判，解決VIV抑制聚氨酯螺旋列板局部應(yīng)力開(kāi)裂難題。

(4)高溫后熟化、常溫后熟化工藝對(duì)成品性能影響十分重要。生產(chǎn)工藝評(píng)定測(cè)試片、修邊余料測(cè)試樣條也需進(jìn)行高溫和常溫后熟化，完成后再進(jìn)行拉伸、斷裂、撕裂等性能檢測(cè)。

隨著海洋油氣開(kāi)采的深度增加和設(shè)計(jì)壽命增長(zhǎng)，服役期間可能更多的海洋微生物附著在螺旋列板上，會(huì)降低渦激振動(dòng)的抑制效率[4]?？赏ㄟ^(guò)在螺旋列板表面噴涂或刷涂防微生物涂層來(lái)解決，防微生物涂層的附著力和耐海水浸泡脫落效果，是VIV抑制聚氨酯螺旋列板重點(diǎn)關(guān)注的方向之一。