水下灌漿定形式海底管道立管固定裝置研究

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(勝利油田分公司 海洋采油廠，山東 東營(yíng) 257237)

勝利埕島油田迄今已建成海底輸油、輸氣、注水管道130多條，總長(zhǎng)超過220 km，這些復(fù)雜的海底管網(wǎng)肩負(fù)著埕島油田原油外輸及油田注水的重要使命，因此保證海底管道的安全意義深遠(yuǎn)。海底管道立管管卡是一種位于平臺(tái)腿柱上的導(dǎo)向、固定裝置，通過管卡將海底管道立管固定在平臺(tái)導(dǎo)管架腿柱上，起到固定和支撐作用[1]。但是，目前有些海底管道立管管卡發(fā)生損壞或者脫落，已失去了對(duì)管道的固定作用，使海底管道立管在海流作用下發(fā)生搖擺或振動(dòng)，時(shí)間久了極易發(fā)生疲勞破壞，造成斷裂或泄漏安全事故，危害十分嚴(yán)重。一方面由于目前水下焊接強(qiáng)度難以達(dá)到支撐管線立管的需要，水下焊接點(diǎn)的補(bǔ)焊存在困難；另一方面，立管的規(guī)格、位置以及安裝時(shí)現(xiàn)場(chǎng)誤差使得管卡尺寸規(guī)格難以確定等，這使得老式管卡維修及治理成為無(wú)法解決的技術(shù)難題。為此，針對(duì)新型水下灌漿定型式海底管道立管固定裝置進(jìn)行研究。

1 水下管卡結(jié)構(gòu)形式

新型管卡必須克服以下困難：安裝不需要水下焊接；重量必須輕，潛水員可以方便進(jìn)行水下操作；管卡應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)定型，以適應(yīng)不同情況下立管的固定。

首先建立原管卡模型，并使用ANSYS10.0軟件對(duì)其進(jìn)行受力分析[2]，在此計(jì)算分析基礎(chǔ)上，針對(duì)埕島油田海底立管損壞情況，研究三種水下固定管卡結(jié)構(gòu)型式。

1)結(jié)構(gòu)形式I。

針對(duì)管卡與海底管線立管間隙過大的情況，研制結(jié)構(gòu)形式I的水下管卡，見圖1。

圖1 水下管卡結(jié)構(gòu)形式I

2)結(jié)構(gòu)形式II。

針對(duì)只剩一半的水下管卡情況，研制結(jié)構(gòu)型式II的水下管卡，見圖2。

圖2 水下管卡結(jié)構(gòu)型式Ⅱ

3)結(jié)構(gòu)形式III

針對(duì)立管就位斜度大與管卡距離遠(yuǎn)的情況，研制結(jié)構(gòu)型式III的水下管卡，見3圖。

2 耐海水膠囊

2.1 材料選擇

經(jīng)過選擇，最終選擇了氯丁膠，是所有橡膠里

圖3 水下管卡結(jié)構(gòu)型式III

是最耐海水的膠種[3]。

1)較高的力學(xué)性能。氯丁膠是自補(bǔ)強(qiáng)性較好的橡膠，再加上它的分子是極性的，分子間作用力比天然橡膠大，拉伸時(shí)，分子不易滑脫，不易斷鏈，所以具有較大的與天然膠相當(dāng)?shù)睦鞆?qiáng)度。而且在實(shí)際的長(zhǎng)期使用過程中，氯丁膠的耐磨性往往優(yōu)于天然膠，因?yàn)槁榷∧z比天然膠更耐老化。

2)耐老化。氯丁橡膠的耐熱老化及耐臭氧老化性能優(yōu)于天然膠、丁苯膠、順丁膠、丁腈膠。其耐海水老化的性能尤為突出，實(shí)際的使用過程中遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于上述膠種。

3)耐油性。氯丁膠屬于耐油橡膠，但其耐油性能稍低于丁腈橡膠。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究選擇了圓柱形設(shè)計(jì)方案。選擇圓柱形的好處在于：①在使用相同的材料條件下，圓柱形的體積是僅次于球形，但是球形的設(shè)計(jì)對(duì)于海底的固定是非常不利的，所以選用了圓柱形；②圓柱形的設(shè)計(jì)可以使其本身在海水中的受力均勻，有利于其固定海底鋼樁；③圓柱形的設(shè)計(jì)使其在膨脹的時(shí)候更為有利。

膠囊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為中空，可以在膠囊的中空處充入介質(zhì)，可以任意變形，進(jìn)而起到固定作用，又能增加介質(zhì)的使用壽命。

2.3 材料設(shè)計(jì)與成型工藝試驗(yàn)

材料性能。配方設(shè)計(jì)(小試)→煉膠→性能測(cè)試→工藝試制→中試→配方最終確定→產(chǎn)品的最終完成。硬度(邵A式)60;抗拉強(qiáng)度12 MPa;撕裂強(qiáng)度60 kn/m。

經(jīng)過小試片試驗(yàn),其結(jié)論為該配方能夠滿足試驗(yàn)的使用要求。在材料的性能滿足要求之后，開始進(jìn)行工藝的研制，由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特殊性，產(chǎn)品的工藝存在著很大的難度，其中空的結(jié)構(gòu)加上氣嘴的狹小，使用普通的模壓工藝根本不可行。采取先定型，然后成型的無(wú)壓硫化方法很好地解決了這個(gè)工藝難題，具體試驗(yàn)流程為半成品定形→對(duì)接→硫化→脫?！捱叀b。

產(chǎn)品的首件生產(chǎn)完成后進(jìn)行打壓試驗(yàn)，試驗(yàn)具體操作為產(chǎn)品在無(wú)工裝情況下，充0.3 MPa壓力，膨脹約200%時(shí)，無(wú)漏氣和漲爆現(xiàn)象，說明產(chǎn)品的強(qiáng)力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是能夠達(dá)到使用要求的，經(jīng)過質(zhì)量評(píng)審后，投入批量生產(chǎn)。

3 水下管卡灌漿材料

膠囊內(nèi)的填充材料必須具備以下特性：合成或優(yōu)選的聚合物分子量大小適中，固化速度快，固化后的材料既具有鋼性又具有韌性，可在低溫下進(jìn)行固化，同時(shí)具有很好的耐低溫性能。具體技術(shù)特點(diǎn)及擬達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下。

1)可實(shí)現(xiàn)低溫條件下進(jìn)行固化反應(yīng);

2)控制固化時(shí)間在1～3 h范圍內(nèi);

3)控制聚合物密度1.0～1.2 g/cm3;

4)拉伸強(qiáng)度≥8 MPa;

5)抗壓強(qiáng)度10～15 MPa;

6)硬度(邵A式)≥50;

7)撕裂強(qiáng)度≥40 kN/m。

聚氨酯( PUR)彈性體是一種介于塑料和橡膠之間的高分子材料，它的伸長(zhǎng)率大、硬度范圍寬，具有優(yōu)異的耐磨性和力學(xué)性能，而且可由液體原料直接加工成型，通過配方調(diào)整在很寬的范圍內(nèi)設(shè)計(jì)各種性能的制品，應(yīng)用范圍廣[4]。聚醚型聚氨酯彈性體具有優(yōu)異的耐水性和低溫柔順性，因此是用于水力機(jī)械過流部件的抗腐蝕、抗磨保護(hù)層的理想材料及低溫水中使用的材料，其使用壽命是一般橡膠或普通鋼件的3～8 倍。根據(jù)需要研制了一種室溫固化四氫呋喃型聚氨酯彈性體，該彈性體硬度高、回彈性好、強(qiáng)度高、耐磨，能滿足灌漿現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。

3.1 材料試驗(yàn)研究

3.1.1 原材料

聚四氫呋喃聚醚二元醇(PTMG),工業(yè)品,羥值110±10,杜邦公司產(chǎn)品； 聚丙撐醚二元醇(PPG),工業(yè)品,羥值110±10,天津石化三廠產(chǎn)品；甲苯二異氰酸酯,工業(yè)品,日本產(chǎn)品；二乙基甲苯二胺,相對(duì)分子質(zhì)量178，自制；二胺二苯基甲烷(MOCA)，工業(yè)品，特I級(jí)，蘇州前進(jìn)化工廠產(chǎn)品；稀釋劑,自制。

3.1.2 樹脂原液合成與試樣制備

1)樹脂原液合成。在三口燒瓶?jī)?nèi)按比例加入聚四氫呋喃醚二元醇、聚丙撐醚二元醇，加熱至110～120 ℃，抽真空脫水3 h，降溫至50 ℃以下，分兩次加入相應(yīng)比例的甲苯二異氰酸酯，升溫至(80±5)℃,反應(yīng)2 h，真空脫泡0.5 h ，降溫至50 ℃以下，出料得A 組份。

在三口燒瓶?jī)?nèi)按比例加入二乙基甲苯二胺、MOCA，加熱至80 ℃，混合均勻，出料得B 組份。

2)試樣制備。將A、B 兩組份按比例混合均勻，進(jìn)行澆注而制得PUR 彈性體。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2.1 多元醇相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)彈性體力學(xué)性能的影響

軟段(多元醇)相對(duì)分子質(zhì)量是影響聚氨酯彈性體機(jī)械強(qiáng)度的重要因素之一，聚醚型聚氨酯彈性體的硬度、定伸強(qiáng)度、扯斷強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均隨聚醚相對(duì)分子質(zhì)量的升高而下降。表1為聚丙撐醚二元醇(PPG)相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)聚氨酯彈性體機(jī)械性能的影響。

表1 PPG對(duì)聚氨酯彈性體機(jī)械性能的影響

從表1 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知聚醚多元醇相對(duì)分子質(zhì)量選用為2 000。

3.2.2 PTMG和PPG混合比例對(duì)彈性體力學(xué)性能的影響

聚四氫呋喃型聚氨酯彈性體具有良好的物理性質(zhì)和良好的耐水解性能，但由于PTMG粘度大，合成的預(yù)聚體粘度亦大，因此脫氣不容易，且加入固化劑攪拌過程易產(chǎn)生較大氣泡，而且聚四氫呋喃醚反應(yīng)活性高，釜中壽命短，均影響施工工藝，另外，PTMG的高價(jià)位亦影響了其市場(chǎng)潛力，針對(duì)這種情況，開展了PTMG和PPG混合比例試驗(yàn)研究，結(jié)果見表2 。

表2 PTMG和PPG混合比例對(duì)彈性體性能的影響

由表2可見，隨著PPG含量增加，預(yù)聚體粘度降低，釜中壽命延長(zhǎng)，但硬度、拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)均降低。本研究選用m(PTMG)∶m(PPG)=50∶50。

3.2.3 預(yù)聚體異氰酸根含量對(duì)彈性體性能的影響

在制備PUR彈性體時(shí), 改變預(yù)聚體的NCO%含量，可以調(diào)節(jié)彈性體的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明,不論P(yáng)TMG相對(duì)分子質(zhì)量是1 000還是2 000，隨著NCO%含量的增加，扯斷伸長(zhǎng)率變化較小，拉伸強(qiáng)度逐漸增大，但當(dāng)NCO%質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5%～6.5%時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值。

3.2.4 固化劑對(duì)固化時(shí)間的影響

為了降低固化成型溫度，同時(shí)保證合適的釜中使用壽命，改善施工工藝，研制了混合胺固化劑，試驗(yàn)結(jié)果見表3 。

表3 不同固化劑混合比例彈性體凝膠時(shí)間 min

根據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果，選定二乙基甲苯二胺與MOCA混合比例為1∶4。

3.3 灌漿定型材料研究結(jié)果

本研究研制的PUR彈性體力學(xué)性能優(yōu)異,干燥速度滿足要求；采用混合聚醚，降低了預(yù)聚體粘度，易于灌注采用混合胺固化劑，可低溫固化，改善了施工工藝,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

為保證最終目標(biāo)的實(shí)施，也保證填充材料具有優(yōu)良的性價(jià)比，合成的聚合物基質(zhì)PUR彈性體，添加少許比例的無(wú)機(jī)料為填充材料。研制開發(fā)的灌漿定型PUR彈性體具備以下特點(diǎn)。

1)快速固化、施工時(shí)受環(huán)境溫度、濕度影響小，且固化速度可根據(jù)情況調(diào)節(jié)。

2)100%的固體含量，不含任何揮發(fā)性有機(jī)物，對(duì)環(huán)境友好。

3)優(yōu)異的理化性能，如拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、柔韌性、耐低溫、耐老化等。

4)較好的性價(jià)比。

實(shí)測(cè)性能指標(biāo)如下。

1)固化時(shí)間在1.0～1.5 h范圍內(nèi)；

2)聚合物密度1.09 g/cm3；

3)拉伸強(qiáng)度11 MPa；

4)抗壓強(qiáng)度13 MPa；

5)硬度(邵A式)65；

6)撕裂強(qiáng)度52 kN/m。

4 水下管卡灌漿工藝流程

結(jié)合水下管卡結(jié)構(gòu)型式及灌漿固定材料分析，初步設(shè)計(jì)水下管卡的灌漿工藝流程，見圖4。

圖4 灌漿工藝流程

將固定管卡在水下安裝到位，用管線將膠囊的進(jìn)料口與物料混合罐的出口連接好，打開氣囊進(jìn)料口的閥門。在物料混合罐的夾套中通入冷卻水，按照6∶5∶4的比例向物料混合罐中加入所用物料，開動(dòng)電動(dòng)攪拌器，邊加物料邊攪拌，在5 min時(shí)間內(nèi)將物料混合均勻，密封混合罐，打開混合罐的進(jìn)氣閥門。

當(dāng)空氣壓縮機(jī)的壓力達(dá)到4 MPa時(shí)，打開混合罐的出料口和膠囊的出氣閥，使填充料沿管線注入膠囊中，每個(gè)膠囊的填充時(shí)間不能超過1 h。當(dāng)膠囊膨脹到規(guī)定體積后關(guān)閉混合罐的出料口，

將管線轉(zhuǎn)移到填充完畢膠囊的對(duì)稱側(cè)，連接好管線。重復(fù)操作3和4，直到固定管卡上的膠囊全部填充完畢。

施工結(jié)束后迅速用醋酸丁酯清洗混合罐，避免物料在罐內(nèi)固化影響以后的施工，清洗完后的廢液可重復(fù)利用。

5 結(jié)論

新研發(fā)的水下管卡技術(shù)采用外部卡環(huán)和彈性膠囊(內(nèi)有填充物)的雙重作用將海底管道立管牢牢地固定在導(dǎo)管架腿柱或立管樁上，該水下固定管卡具有很好的適應(yīng)性，能很好地適應(yīng)埕島海管立管復(fù)雜多樣的現(xiàn)狀條件，提高海管立管的安全性能，滿足安全生產(chǎn)的需要?，F(xiàn)場(chǎng)施工方面雖然不再需要水下鋼結(jié)構(gòu)的焊接，但是對(duì)填充材料凝固時(shí)間和施工時(shí)間配合要求較高，還需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝進(jìn)行進(jìn)一步研究。

[1] 國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).海底管道系統(tǒng)規(guī)范[S].北京：石油工業(yè)出版社，2002.

[2] 鄧凡平.ANSYS10.0有限元分析手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3] 劉鵬凱，殷 萍.我國(guó)氯丁膠生產(chǎn)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)與對(duì)策[J].膠體與聚合物，2002，20(1):39-40.

[4] 郁為民，宮 濤.聚氨酯彈性體發(fā)展近況與應(yīng)用開發(fā)[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，2000(4):6-9.