GSPU濕式保溫海管配重層防滑脫技術開發

運濤，吳文通

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油能源發展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452）

1 引言

海底油氣輸送用混凝土配重管多采用S型鋪管船法鋪設，該鋪設法要通過張緊器對管道施加一定的軸向張力，這種軸向張力要經過管面的混凝土配重層與其基層（防腐層、保溫層或防護層）界面間的抗剪切能力來傳遞。涂層界面間剪切強度不足時，會導致混凝土配重層與其基層（防腐層、保溫層或防護層）之間出現滑脫，影響鋪管效率，甚至造成嚴重后果。因此，混凝土配重層與其基層之間要有足夠的剪切強度，以保證鋪設過程中兩者之間不發生滑脫[1]。未經毛化處理的保溫層表面通常比較光滑，致使其與混凝土配重層之間的剪切強度小，防滑效果差。可以采取基層表面增阻的措施提高這種界面剪切強度，但不同類型的基層需要研究制定不同的增阻對策。

2 濕式保溫海管簡介

2.1 濕式保溫管結構及成分

濕式保溫海管即玻璃微珠復合聚氨酯彈性體（GSPU）保溫管道結構如圖1所示，包括鋼質管體及其外側依次包覆的熔結環氧粉末（FBE）防腐層、GSPU保溫層[2]。GSPU通常是在聚氨酯彈性體中添加直徑約為30~100μm的空心玻璃微球（見圖2）復合而成，該保溫材料適用最大水深可達3000m，長期最大使用溫度為110℃。目前，用于深水區域的GSPU材料均為國外公司生產[3]。

圖1 深水GSPU保溫管道涂層結構圖

表1 典型增阻形式在GSPU涂層上的適用性分析

圖2 GSPU保溫管玻璃微球

2.2 濕式保溫管優缺點

①保溫和防護作用合二為一，從而使海底管道保持整體一致性；

②優異的韌性、強度及耐浸泡性能，最外層不需要防水層及防護層；

③節點處理工序少，涂敷防腐層后直接澆注聚氨酯彈性體材料，無需止水帽等裝置；

④與傳統的聚氨酯泡沫（PUF）保溫相比，GSPU保溫性略差，實現同樣保溫效果需稍大的保溫層厚度；

⑤與混凝土配重層的相互抗磨的能力不足，需要進一步采取措施。

3 防滑涂層增阻措施適用性分析

混凝土配重管涂層結構不同，涂敷方式不同，其所要求的保溫層（或防護層）表面增阻措施也不盡相同，常用的增阻措施有以下幾種：

①螺紋凹槽增阻法；

②起脊增阻法；

③環形凹槽增阻法。

適用性分析見表1。

4 GSPU濕式保溫管防滑脫技術方案

4.1 防滑脫技術設計

上述幾種海管涂層表面增阻措施，均較好地滿足了具體工程項目海管混凝土配重層抗滑脫的需要。但對于GSPU保溫涂層，螺紋凹槽增阻法和環形凹槽增阻法，后加工凹槽，費工費時，不增加涂層厚度時，會削弱GSPU保溫效果，增加涂層厚度保障保溫效果時，成本高。起脊增阻法，成型方式簡便，不影響GSPU保溫效果，可參考借鑒。監于GSPU濕式保溫層采用液態保溫材料模注固化成型，為解決GSPU濕式保溫層增阻問題，需要使用一種GSPU濕式保溫管防滑模具，使模注固化成型后的GSPU涂層表面出現凸起，使其具備良好的增阻效果，滿足增阻需要。

4.2 防脫設計目標設定及可行性分析

4.2.1 確定目標

項目設計規格書中規定GSPU涂層厚度50mm、CWC與GSPU涂層間剪切強度≥0.2MPa。

結合工程項目需求，經過討論，確定研制的GSPU濕式保溫管防滑模具應達到下述指標要求：

①GSPU增阻涂層模注固化一次成型，成型完好率≥95%；

②增阻處GSPU涂層有效厚度≥50mm；

③GSPU增阻涂層與CWC涂層間剪切強度≥0.2MPa。

4.2.2 目標可行性分析

①GSPU濕式保溫層采用液態保溫材料模注固化成型，材料可塑性很好，只要解決好注料過程中模具凹面排氣問題，GSPU增阻涂層模注固化一次成型，成型完好率≥95%是可以實現的。

②模具內表面采用局部凹陷形式，即可實現GSPU涂層局部凸起增阻，且GSPU涂層厚度不會被削弱；

③GSPU材料本身抗剪切強度不小于12MPa，CWC材料強度在62MPa以上，只要GSPU涂層與CWC涂層間能夠良好地嵌固，材料本身足夠提供0.2MPa的剪切強度。

4.3 防滑脫模具設計

4.3.1 模具內表面局部凹陷

GSPU保溫層成型模具內表面局部凹槽，模注成型的GSPU保溫層外表面局部會形成環形凸起，GSPU涂層嵌入CWC涂層內，達到增阻目的。其特點：①GSPU保溫層外表面局部凸起可一次模注固化成型，制作簡單；②GSPU保溫層局部凸起，在材料較小額外用量的基礎上，完全可以達到涂層厚度及增阻需要，經濟性較好。

4.3.2 局部凹陷形式

鋼質模具內表面設置為局部凹陷形式，凹陷容易加工，注料時不窩氣，涂層固化后易脫模。

結論：最終選擇“環形凹槽”形式的鋼質模具實現濕式保溫層凸起，較為合適。

4.4 GSPU增阻涂層模注試制、混凝土配重管制作

GSPU增阻涂層模注試驗，成功試制2根帶增阻涂層的GSPU濕式保溫管（見圖3）。

圖3 濕式保溫管效果圖

GSPU增阻涂層混凝土配重涂敷，成功試制2根GSPU濕式保溫配重管。

4.5 效果驗證

帶凸起防滑結構的GSPU濕式保溫管試制成功后，截取配重管試驗管段，進行GSPU增阻涂層與CWC涂層間剪切強度試驗。

①試樣：GSPU濕式保溫配重管，試驗管段混凝土涂層長1.9m。

②試驗設備：液壓千斤頂，荷重傳感器，電子測力儀。

鋼結構箱形剪切試驗架，剪切試驗承壓端帽。

③試驗步驟

試件置于剪切臺架內并于試件上端扣上剪切端帽，將千斤頂置于承壓端帽正中；加荷，使千斤頂上端與臺架承壓面稍微接觸；均勻加荷直到混凝土涂層與GSPU涂層接觸面出現相對滑移；讀取并記錄試驗最大加荷荷載。

④試件允許承受荷載的計算公式：

式中：S——剪切強度，單位為兆帕（MPa）；

F——試驗最大加荷荷載，單位為牛頓（N）；

d1——試驗管段環向周長（GSPU涂層周長），單位為毫米（mm）；

L——試驗管段CWC涂層長度，單位為毫米（mm）。

實測最大荷載855kN，GSPU涂層與CWC涂層未出現任何相對滑移。

⑤試驗結果

依據公式(1)，算得剪切強度S達到了0.202MPa。

截取配重管試驗管段，試驗測得GSPU增阻涂層與CWC涂層間剪切強度0.202 MPa，且GSPU涂層與CWC涂層未出現任何相對滑移，達到了蓬萊19-3油田鋪設所需的層間剪切強度≥0.2MPa的要求。

5 結語

從技術角度來說，本次借鑒的“環形凹槽”形式的鋼質模具成功制作出的帶環形凸起增阻涂層的GSPU保溫管，增阻效果滿足蓬萊19-3油田項目既定的技術需要，并為以后類似工程項目用管需求提供了大量的實驗數據和技術積累。為濕式保溫海管國產化即“三新三化”產品的成功轉化奠定了技術基礎，可為國內海洋油氣田開發提供安全、便捷的產品與技術服務。