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 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，總長超過220 km，這些復雜的海底管網肩負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。海底管道立管管卡是一種位于平臺腿柱上的導向、固定裝置，通過管卡將海底管道立管固定在平臺導管架腿柱上，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生損壞或者脫落，已失去了對管道的固定作用，使海底管道立管在海流作用下發生搖擺或振動，時間久了極易發生疲勞破壞，造成斷裂或泄漏安全事故，危害十分嚴重。一方面由于目前水下焊接強度難以達到支撐管線立管的需要，水下焊接點的補焊存在困難；另一方面，立管的規格、位置以及安裝時現場誤差使得管卡尺寸規格難以確定等，這使得老式管卡維修及治理成為無法解決的技術難題。為此，針對新型水下灌漿定型式海底管道立管固定裝置進行研究。

1 水下管卡結構形式

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，潛水員可以方便進行水下操作；管卡應現場定型，以適應不同情況下立管的固定。

首先建立原管卡模型，并使用ANSYS10.0軟件對其進行受力分析[2]，在此計算分析基礎上，針對埕島油田海底立管損壞情況，研究三種水下固定管卡結構型式。

1)結構形式I。

針對管卡與海底管線立管間隙過大的情況，研制結構形式I的水下管卡，見圖1。

圖1 水下管卡結構形式I

2)結構形式II。

針對只剩一半的水下管卡情況，研制結構型式II的水下管卡，見圖2。

圖2 水下管卡結構型式Ⅱ

3)結構形式III

針對立管就位斜度大與管卡距離遠的情況，研制結構型式III的水下管卡，見3圖。

2 耐海水膠囊

2.1 材料選擇

經過選擇，最終選擇了氯丁膠，是所有橡膠里

圖3 水下管卡結構型式III

是最耐海水的膠種[3]。

1)較高的力學性能。氯丁膠是自補強性較好的橡膠，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，分子不易滑脫，不易斷鏈，所以具有較大的與天然膠相當的拉伸強度。而且在實際的長期使用過程中，氯丁膠的耐磨性往往優于天然膠，因為氯丁膠比天然膠更耐老化。

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，實際的使用過程中遠遠優于上述膠種。

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 結構設計

研究選擇了圓柱形設計方案。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，但是球形的設計對于海底的固定是非常不利的，所以選用了圓柱形；②圓柱形的設計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圓柱形的設計使其在膨脹的時候更為有利。

膠囊的結構設計為中空，可以在膠囊的中空處充入介質，可以任意變形，進而起到固定作用，又能增加介質的使用壽命。

2.3 材料設計與成型工藝試驗

材料性能。配方設計(小試)→煉膠→性能測試→工藝試制→中試→配方最終確定→產品的最終完成。硬度(邵A式)60;抗拉強度12 MPa;撕裂強度60 kn/m。

經過小試片試驗,其結論為該配方能夠滿足試驗的使用要求。在材料的性能滿足要求之后，開始進行工藝的研制，由于產品的結構特殊性，產品的工藝存在著很大的難度，其中空的結構加上氣嘴的狹小，使用普通的模壓工藝根本不可行。采取先定型，然后成型的無壓硫化方法很好地解決了這個工藝難題，具體試驗流程為半成品定形→對接→硫化→脫模→修邊→包裝。

產品的首件生產完成后進行打壓試驗，試驗具體操作為產品在無工裝情況下，充0.3 MPa壓力，膨脹約200%時，無漏氣和漲爆現象，說明產品的強力和結構設計是能夠達到使用要求的，經過質量評審后，投入批量生產。

3 水下管卡灌漿材料

膠囊內的填充材料必須具備以下特性：合成或優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，可在低溫下進行固化，同時具有很好的耐低溫性能。具體技術特點及擬達到的技術指標如下。

1)可實現低溫條件下進行固化反應;

2)控制固化時間在1～3 h范圍內;

3)控制聚合物密度1.0～1.2 g/cm3;

4)拉伸強度≥8 MPa;

5)抗壓強度10～15 MPa;

6)硬度(邵A式)≥50;

7)撕裂強度≥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，它的伸長率大、硬度范圍寬，具有優異的耐磨性和力學性能，而且可由液體原料直接加工成型，通過配方調整在很寬的范圍內設計各種性能的制品，應用范圍廣[4]。聚醚型聚氨酯彈性體具有優異的耐水性和低溫柔順性，因此是用于水力機械過流部件的抗腐蝕、抗磨保護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、強度高、耐磨，能滿足灌漿現場施工的要求。

3.1 材料試驗研究

3.1.1 原材料

聚四氫呋喃聚醚二元醇(PTMG),工業品,羥值110±10,杜邦公司產品； 聚丙撐醚二元醇(PPG),工業品,羥值110±10,天津石化三廠產品；甲苯二異氰酸酯,工業品,日本產品；二乙基甲苯二胺,相對分子質量178，自制；二胺二苯基甲烷(MOCA)，工業品，特I級，蘇州前進化工廠產品；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。在三口燒瓶內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，分兩次加入相應比例的甲苯二異氰酸酯，升溫至(80±5)℃,反應2 h，真空脫泡0.5 h ，降溫至50 ℃以下，出料得A 組份。

在三口燒瓶內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，進行澆注而制得PUR 彈性體。

3.2 試驗數據

3.2.1 多元醇相對分子質量對彈性體力學性能的影響

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

表1 PPG對聚氨酯彈性體機械性能的影響

從表1 中的試驗數據可知聚醚多元醇相對分子質量選用為2 000。

3.2.2 PTMG和PPG混合比例對彈性體力學性能的影響

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

表2 PTMG和PPG混合比例對彈性體性能的影響

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

3.2.3 預聚體異氰酸根含量對彈性體性能的影響

在制備PUR彈性體時, 改變預聚體的NCO%含量，可以調節彈性體的力學性能。研究結果表明,不論PTMG相對分子質量是1 000還是2 000，隨著NCO%含量的增加，扯斷伸長率變化較小，拉伸強度逐漸增大，但當NCO%質量分數為5.5%～6.5%時，拉伸強度達到最大值。

3.2.4 固化劑對固化時間的影響

為了降低固化成型溫度，同時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，試驗結果見表3 。

表3 不同固化劑混合比例彈性體凝膠時間 min

根據表3試驗結果，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果

本研究研制的PUR彈性體力學性能優異,干燥速度滿足要求；采用混合聚醚，降低了預聚體粘度，易于灌注采用混合胺固化劑，可低溫固化，改善了施工工藝,提高了產品質量。

為保證最終目標的實施，也保證填充材料具有優良的性價比，合成的聚合物基質PUR彈性體，添加少許比例的無機料為填充材料。研制開發的灌漿定型PUR彈性體具備以下特點。

1)快速固化、施工時受環境溫度、濕度影響小，且固化速度可根據情況調節。

2)100%的固體含量，不含任何揮發性有機物，對環境友好。

3)優異的理化性能，如拉伸強度、伸長率、柔韌性、耐低溫、耐老化等。

4)較好的性價比。

實測性能指標如下。

1)固化時間在1.0～1.5 h范圍內；

2)聚合物密度1.09 g/cm3；

3)拉伸強度11 MPa；

4)抗壓強度13 MPa；

5)硬度(邵A式)65；

6)撕裂強度52 kN/m。

4 水下管卡灌漿工藝流程

結合水下管卡結構型式及灌漿固定材料分析，初步設計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，用管線將膠囊的進料口與物料混合罐的出口連接好，打開氣囊進料口的閥門。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，開動電動攪拌器，邊加物料邊攪拌，在5 min時間內將物料混合均勻，密封混合罐，打開混合罐的進氣閥門。

當空氣壓縮機的壓力達到4 MPa時，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，每個膠囊的填充時間不能超過1 h。當膠囊膨脹到規定體積后關閉混合罐的出料口，

將管線轉移到填充完畢膠囊的對稱側，連接好管線。重復操作3和4，直到固定管卡上的膠囊全部填充完畢。

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

5 結論

新研發的水下管卡技術采用外部卡環和彈性膠囊(內有填充物)的雙重作用將海底管道立管牢牢地固定在導管架腿柱或立管樁上，該水下固定管卡具有很好的適應性，能很好地適應埕島海管立管復雜多樣的現狀條件，提高海管立管的安全性能，滿足安全生產的需要。現場施工方面雖然不再需要水下鋼結構的焊接，但是對填充材料凝固時間和施工時間配合要求較高，還需要對現場施工工藝進行進一步研究。

[1] 國家經濟貿易委員會.海底管道系統規范[S].北京：石油工業出版社，2002.

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

[3] 劉鵬凱，殷 萍.我國氯丁膠生產的現狀、發展趨勢與對策[J].膠體與聚合物，2002，20(1):39-40.

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