海底雙層保溫管預制用脫模材料比選

王洪洲(海油發展珠海管道工程有限公司，廣東 珠海 519050)

0 引言

國內海底輸油或混輸管道因其所處的特殊環境對管道的保溫性能要求嚴格。鋼套鋼結構保溫管是目前應用比較成熟的結構，這種海底管道結構其優點是防護可靠性高，有效地減少內管熱變形，并可以省去混凝土加重層，且該結構的保溫材料導熱系數低，保溫性能好[1]。聚氨酯保溫層的成型方法為模具澆注，是一種空腔內澆注硬質聚氨酯泡沫原料液體的方法。海底管道的保溫不能簡單地將內外管充當模具，一旦海管內外填充密實，將會影響后續的海上鋪設施工，內管和外管留有一部分余量，便于管道焊接前對口錯位移動等工作開展。因此，海底管道的雙層保溫管的工廠預制是必須在模具中完成的。

硬質聚氨酯泡沫塑料是用聚醚或聚酯與多異氰酸酯為主要原料，加入發泡劑和穩泡劑等，經混合攪拌、化學反應而形成的一種微孔發泡體。聚氨酯保溫發泡采用鋼質模具灌注成型，灌注設備為高壓發泡機，鋼質模具與外管尺寸一致，兩個半圓形狀，通過鉸鏈聯接，采用上下開合的結構。

聚氨酯與其它材料具有優異的粘結性能，這種性質在泡沫體模塑中是不利的。聚氨酯泡沫成型模具在生產過程中，為防止聚氨酯泡沫粘附于模腔內表面，損傷保溫層，通常在模具內表面需要刷涂或噴涂脫模劑。這樣可以延長模具壽命，同時使產品表面光滑、尺寸合格、減少廢品。

1 保溫管脫模原理

聚氨酯和模具內表面的粘結力來源于兩個方面：其一，模具的表面通常會被一層很薄的水膜所覆蓋，這層水膜與異氰酸酯反應后產生強力的粘合性；其二，粘合是由模具內表層的極性基團與聚氨酯的極性基團起反應而產生的化學鍵所致。

脫模劑的隔離性取決于其表面性質，而表面不濕潤性物質的物性值是根據其臨界表面張力的概念得出的。根據脫模劑潤濕性能，臨界表面張力小的物質作脫模劑，是隔離性最好的脫模劑[2]。用于保溫管制品的脫模劑最常用的有油脂系的鈣基潤滑脂(俗稱黃油)和有機氟化物兩類。

2 傳統保溫管脫模技術

傳統的保溫管脫模多采用鈣基潤滑脂，屬油脂系脫模劑，屬于經常涂敷型，即每成型之前涂覆一次，它的遷移率較大。它使用溫度不易超過60 ℃，聚氨酯發泡反應為放熱反應，瞬時溫度較高，潤滑脂容易變軟流淌，導致脫模劑分布不均，無法有效地實現潤滑和脫模的作用，造成產品一次合格率低。

鈣基潤滑脂在使用前需要用有機溶劑稀釋，通常選擇柴油。使用時會污染周圍作業環境，影響保溫管外觀。同時在穿管完成后，管端黃油殘留過多，可能會影響現場的焊接或者其他作業。鈣基潤滑脂消耗大，根據某項目數據統計，內徑為Φ406.4 mm、長度為12 m的鋼管、40 mm厚保溫層，每班生產45根，消耗175 kg鈣基潤滑脂，同時需要兌上40 L柴油。每次脫模劑涂抹的時間約3～4 min，影響下一根鋼管的生產速度。黃油涂抹的人工投入量大，每次需要6人完成。

3 氟系脫模劑試驗研究

氟系脫模劑包括全氟烷基化合物，又分為溶劑型和水劑型及噴霧型；全氟烷基丙烯酸酯；氟樹酯粉末(低分子量PTFE)；氟樹脂涂覆膜(PTFE, FEP, PFA)。試驗選擇一種型號為PTFE2040的脫模劑。其化學成分：庚烷0%～4%；烴類溶劑85%～90%；有機樹酯聚合物7%～9%，物理和化學性質如表1所示。

表1 PTFE2040型脫模劑物理化學性質

為驗證選定該脫模劑的使用的效果和經濟性，開展兩輪工業試驗研究。

3.1 脫模性能試驗

試驗目的：測試1次涂抹可脫模次數。

試驗模具規格：內管Φ323.9×14.3 mm，保溫厚度45 mm；保溫層密：40～60 kg/m3；保溫長度12 m；涂抹方式：機械噴涂。按照程序，將鋼管放入模具中，注射聚氨酯原料，固化，開模并檢查。一次性噴涂100 g脫模劑現場進行了四次脫模，現場脫模效果如圖1所示。

圖1 一次噴涂4次脫模試驗效果

由脫模效果照片和現場記錄數據可知：一次噴涂100 g的PTFE2040型號脫模劑，在環境溫度10～12 ℃、相對濕度60%、模具溫度17 ℃條件下，能夠實現4次有效脫模，其中前3次脫模順利，內腔表面粘結少量聚氨酯，粘接量依次增加，外觀無缺陷、漏洞。第4次脫模順暢完成，但內腔表面粘接聚氨酯泡沫現象更明顯。

由此可得結果：在脫模劑一次涂抹完成后，可進行3次效果較好的脫模。生產模式可采用一次噴涂和逐次補噴實現。

3.2 脫模劑用量試驗

試驗目的：測試多次噴涂達到正常脫模效果時，每次補噴的脫模劑用量。

試驗模具規格與3.1節一致。涂抹方式：機械噴涂。每次噴涂完成后補噴涂一定量的脫模劑；首次噴涂量為150 g，二次補充噴涂15 g，三次補充噴涂10 g。脫模效果如圖2所示。

圖2 脫模劑補噴涂效果試驗

通過試驗可知：補噴涂后實現了3次有效的脫模。每次脫模的停機時間即清理、重新補噴涂的時間在1.5～2.0 min內，時間較短。3次脫模保溫層外觀質量好，脫模順暢，平均每次補噴涂的量在10～20 g，停機時間在1.5～2.0 min，低于刷黃油的停機時間(3～4 min)。

4 兩種脫模劑材料使用對比

傳統的脫模劑為鈣基潤滑脂，屬油脂系脫模劑。氟系脫模劑是有機樹脂化合物溶液，其脫模機理是在模具表面形成一層光滑惰性特氟龍薄膜。兩者的主要性能比較如表2所示。

表2 兩種脫模劑性能比較

通過性能比較，氟系脫模劑優勢明顯，但是其單位成本較高。

考慮海底保溫管預制過程，其成本除脫模材料外，還包括清洗模具成本、停機成本等。在實際海底保溫管生產中，與鈣基潤滑脂成本對比，單根保溫管材料成本氟系高20%，但是人工成本少5～6倍，停機時間短，每根節省2 min，每班提高速度20%。綜合成本核算，氟系脫模劑更經濟。

5 結語

氟系脫模劑替代鈣基潤滑脂，在以下幾個方面具有明顯的優勢：脫模性能好，可實現一次涂抹多次脫模；減少了對車間環境的污染；工藝操作上更容易實現，1個人即可實現，節省了人力；氟系脫模劑的綜合使用成本明顯降低；氟系脫模劑的使用提高了生產速度。綜上所述，PTFE2040型號的氟系脫模劑比鈣基潤滑脂在成本、脫模性能和生產效率上均有明顯優勢，目前已經在多數海底雙層保溫管預制中推廣使用。