海底管道硬質聚氨酯泡沫保溫材料導熱性能試驗研究

張曉靈，吳文通，楊加棟，孔瑞林，蔣曉斌，杜寶銀

（中海油能源發展管道工程公司，天津 300452）

海底管道硬質聚氨酯泡沫保溫材料導熱性能試驗研究

張曉靈，吳文通，楊加棟，孔瑞林，蔣曉斌，杜寶銀

（中海油能源發展管道工程公司，天津 300452）

針對硬質聚氨酯材料用于海底單層保溫管道在保溫性能上暴露出的不足之處，對硬質聚氨酯泡沫材料的導熱性能進行試驗研究，以確定在各種工況下保溫材料的相關參數。文章從聚氨酯泡沫材料的基本性能、閉孔率和吸水率對導熱系數的影響、外界壓力對閉孔率影響等方面進行了試驗研究，取得了相應的檢測數據，為今后在不同工況下確定保溫材料參數提供了參考。

硬質聚氨酯泡沫；保溫材料；性能試驗

以硬質聚氨酯為保溫材料的海底單層保溫管道已應用于渤海和南海海域的多個油田，為中海油邊際油田的開發創造了經濟效益，但同時該項技術在保溫性能上也暴露出一些不足之處，有必要對硬質聚氨酯泡沫導熱性能進行試驗研究，以確定在各種工況下保溫材料的相關參數。為此中海油能源發展管道工程公司進行了大量試驗研究工作。

1 試驗項目及采用的標準

從聚氨酯泡沫基本性能、閉孔率和吸水率對導熱系數的影響、外壓對閉孔率的影響、閉孔率對吸水率的影響、不同密度泡沫在不同水壓下的吸水率變化等方面進行試驗研究，取得了相應的檢測數據。試驗所用的硬質聚氨酯泡沫為相同工藝和發泡體系生產。試樣放置時間、放置環境相同。

試驗測試采用標準：密度采用GB/T 6343-2009/ISO 845：2006《泡沫塑料及橡膠 表觀密度的測定》，抗壓強度采用GB/T 8813-2008/ISO 844∶2004《硬質泡沫塑料壓縮性能的測定》，拉伸強度采用GB/T 8811-2008/ISO 2796∶1986《硬質泡沫塑料尺寸穩定性試驗方法》，體積吸水率除特別說明外采用CJ/T 114-2000《高密度聚乙烯外護管聚氨酯泡沫塑料預制直埋保溫管》，閉孔率采用GB/T 10799-2008《硬質泡沫塑料開孔和閉孔體積百分率的測定》，導熱系數采用GB/T 10297-1998《非金屬固體材料導熱系數的測定熱線法》和SY/T 0415-1996《埋地鋼質管道硬質聚氨酯泡沫塑料防腐保溫層技術標準》，耐熱性采用SY/T 0415-1996《埋地鋼質管道硬質聚氨酯泡沫塑料防腐保溫層技術標準》。

2 硬質聚氨酯泡沫的基本性能試驗

試驗共制備了密度分別為 40、50、60、80、100、 120、 140、 150、 180、 200 kg/m3的 10 組泡沫試樣，測試了每一種密度下的泡沫的抗壓強度、拉伸強度、 吸水率、 導熱系數 （λ23℃,λ50℃）、 閉孔率、耐熱性 （包括尺寸變化率、強度增長率、質量變化率）、導熱系數變化率。試驗結果見表1。

3 硬質聚氨酯泡沫閉孔率對導熱系數影響的試驗

3.1 試驗方法

取密度為40、60、80 kg/m3的3組制作好的接近閉孔率設定值的試樣，放入加壓艙中，逐步加氣壓，陸續測量試樣閉孔率，直至得到更接近閉孔率設定值的試樣，然后測量試樣的導熱系數。重復上述過程，測量其他閉孔率設定點樣品的導熱系數。

3.2 試驗結果 （見圖1）

4 硬質聚氨酯泡沫吸水率對導熱系數影響的試驗

4.1 試驗方法

取密度為40、60、80 kg/m3的3組試樣，分別在不同吸水率條件下測試其導熱系數的變化情況。相同密度不同吸水率的材料依靠加壓獲得。試樣尺寸為150 mm×150 mm×100 mm，每組至少10塊試樣。

設定水壓為0.2 MPa，將3塊密度為40 kg/m3的試樣放入試驗裝置中，保壓24 h，取出，測量試樣的吸水率，并迅速測量導熱系數；提高水壓至0.3 MPa，將3塊密度為40 kg/m3的試樣放入試驗裝置中，保壓24 h，取出，測量試樣的吸水率，之后，迅速測量導熱系數。依次測量密度為60、80 kg/m3的樣品。

表1 不同密度硬質聚氨酯泡沫的典型物理性能

圖1 不同密度泡沫材料閉孔率不同時導熱系數變化曲線

4.2 試驗結果 （見圖2）

圖2 不同密度泡沫材料體積吸水率不同時導熱系數變化曲線

5 硬質聚氨酯泡沫承壓 （氣壓）對閉孔率影響的試驗

5.1 試驗方法

取密度為40、60、80、100 kg/m3的4組試樣，每種樣品3塊 （尺寸為150mm×100mm×100mm），共計12塊樣品一起放入加壓艙中，通過空氣壓縮機加壓，當壓力表顯示500 kPa時，停止加壓，保持該壓力4 h，然后減壓，開艙，迅速取出泡沫，按照閉孔率測試標準的要求，將每一組 （3塊）制出9塊試樣，用閉孔率測試儀測量試樣的閉孔率；重復上述過程，分別加壓至1 000、2 000、3 000、5 000、6 000、7 000、8 000 kPa，并測量泡沫樣品的閉孔率。

5.2 試驗結果 （見圖3）

圖3 承受不同壓力時不同密度泡沫材料閉孔率變化曲線

6 硬質聚氨酯泡沫閉孔率對吸水率影響的試驗

6.1 試驗方法

取密度為 40、60、80 kg/m3的 3組制作好的接近閉孔率設定值的試樣，放入加壓艙中，逐步加壓，陸續測量試樣閉孔率，直至得到更接近閉孔率設定值的試樣，然后測量試樣的吸水率。

重復上述過程，測量其他閉孔率設定點樣品的吸水率值。

6.2 試驗結果 （見圖4）

圖4 聚氨酯泡沫閉孔率對吸水率的影響

7 硬質聚氨酯泡沫在水壓作用下吸水率變化的試驗

7.1 試驗方法

取 密 度 為 40、 60、 80、 100、 140、 180、200 kg/m3的7組試樣，分別在9種不同的水壓條件下測試吸水率的變化情況。試樣尺寸為150 mm×150 mm×100 mm，每組至少需27塊。

設定水壓0.2 MPa，將3塊密度為40 kg/m3的試樣放入試驗裝置中，保壓24 h，取出，測量試樣吸水率；提高水壓至0.3 MPa，將3塊密度為40 kg/m3的試樣放入試驗裝置中，保壓24 h，取出，測量試樣吸水率，依次測量至壓力為1.0 MPa。依上述過程測量密度為 60、80、100、140、180、200 kg/m3的樣品。

7.2 試驗結果 （見圖5、圖6）

圖5 不同密度泡沫材料受不同外壓時體積吸水率變化曲線 （1）

圖6 不同密度泡沫材料受不同外壓時體積吸水率變化曲線 （2）

8 試驗分析與結論

（1）相同密度材料，隨閉孔率的加大，其導熱系數會逐步降低；不同密度材料，在閉孔率基本相同的條件下，材料的導熱系數隨密度的增加而增大。

（2）相同密度材料，隨著吸水率的加大，其導熱系數會逐步加大；不同密度材料，在吸水率為零時，導熱系數隨其密度的增加而上升較為明顯；當吸水后，導熱系數受密度不同的影響變得不再明顯；當吸水率＞3%時，導熱系數受密度的影響很小，可以忽略不計。

（3）相同密度材料，外壓增加時，閉孔率明顯降低，因為在外壓作用下，泡沫孔壁被壓破導致穿孔。

（4）相同密度材料，隨著閉孔率的加大，其吸水率會逐步降低。不同密度材料，在閉孔率基本相同的條件下，材料的吸水率隨密度的增加而降低。

（5）綜合對照各組試驗數據，可以看出，在外壓＜500 kPa時，所有泡沫材料閉孔率變化不大，吸水率變化也不大，但由于500 kPa外壓已經超過密度小于60 kg/m3泡沫材料的抗壓強度，導致密度小于60 kg/m3泡沫材料變形較為嚴重。

（6）從試驗中可以看出，不論多大密度的泡沫材料，在外壓作用下，吸水率均會發生變化 （增大），而這種變化將會導致導熱系數顯著增大，所以，泡沫材料的防水對于其發揮保溫性能非常關鍵。

（7）對照幾個標準，如SY/T 0415-1996《埋地鋼質管道硬質聚氨酯泡沫塑料防腐保溫層技術標準》規定聚氨酯泡沫保溫層密度為40～60 kg/m3，CJ/T 114-2000《高密度聚乙烯外護管聚氨酯泡沫塑料預制直埋保溫管》和EN 253-2009《區域供熱管—直接鋪設在地下的熱水管路用預絕熱復合管系統—由鋼管、聚氨酯隔熱和聚乙酰外殼制成的復合管系》規定聚氨酯泡沫保溫層密度為60 kg/m3以上，而國外設計公司對于PL19-3等海底單層保溫管保溫層的設計密度為80～100 kg/m3，以往中海油海底管道保溫層的密度一般設計為40～60 kg/m3或60～80 kg/m3，參考本次試驗數據，筆者認為：中海油以往海底單層保溫管保溫層的密度設計偏低，建議當水深≤20 m時，宜選用密度60～80 kg/m3的泡沫材料；水深20～40 m時，宜選用密度80～100 kg/m3的泡沫材料。

Study on Thermal Conductivity of Rigid Polyurethane Foam Coating Material for Subsea Pipeline

ZHANG Xiao-ling（CNOOC Energy Technology&Services-Pipe Engineering Company,Tianjin 300452，China）,WU Wen-tong,YANG Jia-dong,et al.

To solve the shortages in thermal isolation property of rigid polyurethane applied in subsea pipeline with single thermal isolation layer,the tests for thermal conductivity of the rigid polyurethane foam material are conducted under different working conditions.The tests include its basic properties，the effects of closed cell rate and water absorption rate on thermal conductivity,and also the effects of external pressure on closed cell rate and the closed cell rate on water absorption.The test data offer some references for later application of the thermal insulation material in different working conditions.

rigid polyurethane foam;thermal insulation material;performance test

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.012

張曉靈 （1972-），男，河北萬全人，高級工程師，1994年畢業于西安交通大學化學工程專業，現從事海洋管道工程相關技術研究。

2011-12-15；

2012-08-01