肖易萍，肖德明，儲(chǔ)樂(lè)平，陳再玉，張憲陣，趙曉磊，郭興偉，相政樂(lè)，宋 潔

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452；2.海油發(fā)展管道工程公司，天津300452）①

澆注型聚氨酯彈性體是采用液態(tài)聚氨酯預(yù)聚體和擴(kuò)鏈劑（在溫度20℃或以上均為黏性液態(tài)）以一定比例混合澆注，其混合后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，一定時(shí)間后在澆注空間中形成聚氨酯彈性體（通稱澆注性彈性體CPU）。聚氨酯彈性體具有優(yōu)良的綜合性能，其在相同硬度下相比其他彈性體，具有承載能力高、耐腐蝕和不發(fā)脆的特點(diǎn)。澆注型聚氨酯彈性體因其優(yōu)異的力學(xué)特性、無(wú)污染以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性而得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

澆注型聚氨酯由于其優(yōu)異的性能，在海洋油氣開(kāi)采中得到廣泛應(yīng)用，例如：水下立管和跨接管的渦激振動(dòng)抑制裝置、柔性管保護(hù)裝置、深海管道保溫和海底管道補(bǔ)口等［2－3］。在南海某油氣田水下生產(chǎn)設(shè)施項(xiàng)目中，水下在線管匯ILM要求與海管一起通過(guò)鋪管船的張緊器下放安裝到海底［4－5］。為使在線管匯底部中央保護(hù)管罩在通過(guò)張緊器時(shí)不被壓扁變形，保證在線管匯順利通過(guò)張緊器，要求在中央保護(hù)管罩和流體管間的環(huán)空中填充聚氨酯。分析所需填充的結(jié)構(gòu)特征，充分調(diào)研分析聚氨酯的填充手段和方法，得出采用澆注混合液態(tài)聚氨酯預(yù)聚體和擴(kuò)鏈劑是最方便、經(jīng)濟(jì)的填充方法，設(shè)計(jì)出了合理的現(xiàn)場(chǎng)澆注工藝，經(jīng)過(guò)澆注試驗(yàn)驗(yàn)證，在項(xiàng)目施工時(shí)成功地按要求一次性將聚氨酯彈性體澆滿水下在線管匯的目的區(qū)域。

1 聚氨酯的填充要求

水下ILM 的應(yīng)用水深為235～339 m，水下254 mm（10英寸）ILM 的底部為外徑273.1 mm的主流體管，流體管兩端連接海管，流體管及海管中的油液流體最高溫度為103℃。水下ILM由流體管、CVC HUB及壓力帽、閥門(mén)、結(jié)構(gòu)框架和旋轉(zhuǎn)吊耳等組成，如圖1所示。其中流體管中部的模型如圖2所示，主流體管為直管貫通結(jié)構(gòu)，2個(gè)101.4 mm（4英寸）支路流體管通過(guò)閥門(mén)、彎頭及過(guò)球三通實(shí)現(xiàn)油氣的收集。主流體管的直管段通過(guò)變徑頭焊接保護(hù)管，避免了鞍座與主流體管焊接，同時(shí)也能避免整個(gè)結(jié)構(gòu)在后續(xù)通過(guò)船舶作業(yè)線時(shí)主流體管直接受力。為使在線管匯底部中央保護(hù)管罩在通過(guò)張緊器時(shí)不被壓扁變形，在鞍座下的兩管間，需在測(cè)試后封隔環(huán)空，并在支撐面內(nèi)部澆注填充聚氨酯。

圖1 ILM的總體結(jié)構(gòu)

圖2 澆注部位局部結(jié)構(gòu)

254 mm（10英寸）ILM 中，上、下保護(hù)半管的外徑406.4 mm，壁厚15.9 mm，流體管外徑為273.1 mm，需澆注的長(zhǎng)度（支撐面長(zhǎng)度）為700 mm，需澆注體積為

圖3 254 mm（10英寸）ILM環(huán)空尺寸

聚氨酯填充要求為：①填充后的聚氨酯材料能耐受的溫度≥103℃；②填充后的聚氨酯材料的硬度≥85 HA。

2 聚氨酯澆注試驗(yàn)

對(duì)于液態(tài)彈性體CPU的現(xiàn)場(chǎng)澆注，由于液態(tài)彈性體CPU黏度較大，在反應(yīng)過(guò)程中黏度有變化，并需澆注的體積也較大（254 mm（10英寸）ILM需澆注36 L，質(zhì)量約43.9 kg）。為避免出現(xiàn)局部淤積和局部空缺，需一次性快速澆注完澆注對(duì)象，需采用大流量有一定澆注壓力的澆注機(jī)澆注。為使項(xiàng)目實(shí)際澆注的質(zhì)量得到預(yù)先驗(yàn)證，在澆注機(jī)澆注的手段下，模擬實(shí)際施工條件、澆注對(duì)象結(jié)構(gòu)特征和尺寸，設(shè)計(jì)出澆注試驗(yàn)方案，制造出澆注試驗(yàn)?zāi)＞?，?shí)施了車(chē)間澆注試驗(yàn)，并對(duì)澆注質(zhì)量進(jìn)行了檢驗(yàn)。

2.1 聚氨酯彈性體澆注機(jī)

選用的聚氨酯彈性體澆注機(jī)采用微電腦控制，并有溫度、壓力、轉(zhuǎn)速顯示控制系統(tǒng)和真空脫氣裝置，采用新型混合機(jī)構(gòu)，混合均勻不產(chǎn)生氣泡。采用熱油循環(huán)恒溫機(jī)構(gòu)，原料溫度更加準(zhǔn)確。高精度計(jì)量泵，無(wú)極或變頻調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速配比更加方便。其主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 聚氨酯彈性體澆注機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

此設(shè)備澆注流量大，并有一定的澆注壓力，可保證在有限的時(shí)間內(nèi)澆注滿整個(gè)腔體。

2.2 液態(tài)聚氨酯彈性體原料

液態(tài)聚氨酯彈性體原料的型號(hào)為YC935，白料密度1.08 g/cm3，黑料密度1.22 g/cm3，配合比1∶（1.3～1.5）；23℃時(shí)黏度黑料約400 mPa·s、白料約700 mPa·s；50～60℃下凝膠時(shí)間約2 min；彈性體密度1.13 g/cm3，硬度（邵氏 A）為93 HA，拉伸強(qiáng)度11.6 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率116%，收縮率小于1%，正常使用在120℃以下。

2.3 澆注試驗(yàn)

澆注試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)＞吒鶕?jù)項(xiàng)目實(shí)際澆注對(duì)象的尺寸設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由蓋板外圓筒、內(nèi)圓筒和連接折板組成。外圓筒的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于卡子，由2個(gè)半圓筒通過(guò)螺栓螺母連接而成；外圓筒的內(nèi)徑為374 mm，內(nèi)圓筒的外徑為273 mm，內(nèi)外圓筒的長(zhǎng)度為700 mm，內(nèi)外圓筒均由厚度為3 mm鋼板卷制而成。為防止?jié)沧⒑缶郯滨ヅc內(nèi)外圓筒粘接在一起，在外圓筒內(nèi)表面和內(nèi)圓筒外表面涂有防粘接劑；組成外圓筒的其中1個(gè)半圓筒中央開(kāi)有直徑為20 mm的澆注孔，用于插入澆注機(jī)的澆注頭，在半圓筒的兩端，距端部50 mm的距離處各鉆有1個(gè)直徑5 mm的排氣孔，用于澆注過(guò)程中的排氣。

內(nèi)外圓筒兩端端部采用木質(zhì)蓋板封堵，連接折板的一邊通過(guò)焊接與外圓筒相連，另一邊開(kāi)有孔，通過(guò)螺釘與蓋板相連，蓋板上設(shè)有限位結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)?zāi)＞甙惭b后，能限制內(nèi)圓筒的位置，使內(nèi)外圓筒在一定精度上保持同心。為防止?jié)沧⑦^(guò)程中澆注黏性液體溢出，外圓筒與蓋板間的縫隙及組成外圓筒的2個(gè)半圓筒間的縫隙，均通過(guò)涂抹密封膠進(jìn)行密封，最終得到如圖4所示的澆注試驗(yàn)?zāi)＞?，澆注現(xiàn)場(chǎng)如圖5。

試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)?zāi)＞咂椒?，外圓筒開(kāi)孔處朝上，將液態(tài)聚氨酯預(yù)聚體和擴(kuò)鏈劑分別裝入白料罐和黑料罐中，連接好澆注設(shè)備，設(shè)置好澆注參數(shù)，將澆注頭插入外圓筒澆注孔中，開(kāi)始澆注直到排氣孔中溢出液體后，停止?jié)沧?。待聚氨酯完全凝固后，拆開(kāi)澆注試驗(yàn)?zāi)＞?，獲得如圖6所示的澆注試驗(yàn)樣品，其力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。外觀檢驗(yàn)和力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果表明，澆注的聚氨酯彈性體的質(zhì)量和力學(xué)性能滿足項(xiàng)目要求。

圖4 澆注試驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)

圖5 澆注試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖6 澆注試驗(yàn)樣品

表2 澆注試驗(yàn)?zāi)＞邫z驗(yàn)結(jié)果

3 聚氨酯的現(xiàn)場(chǎng)澆注

聚氨酯彈性體現(xiàn)場(chǎng)澆注采用的澆注機(jī)、澆注材料為澆注試驗(yàn)中所使用的澆注機(jī)和澆注材料，借鑒澆注試驗(yàn)所采用的方法，設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際澆注的主要工藝步驟如下：

1） 澆注前，鞍座、上保護(hù)管和下保護(hù)管已經(jīng)按圖紙焊接組裝（如圖2），將聚氨酯澆注機(jī)、聚氨酯材料及輔助材料運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。

2） 在鞍座和上保護(hù)管頂部中央鉆20 mm的澆注孔，在上保護(hù)管兩端端部附近的頂部鉆5 mm的排氣孔，將澆注區(qū)域（管環(huán)內(nèi)部）吹掃干凈，保持干燥。

3） 預(yù)制兩側(cè)封堵堵板組成半環(huán)板，在焊接安裝堵板時(shí)，將2個(gè)半環(huán)板套在流體管上，對(duì)2個(gè)半環(huán)板進(jìn)行點(diǎn)焊形成堵板整體，焊接就位兩側(cè)堵板（由于焊接空間有限，只對(duì)堵板和上保護(hù)管進(jìn)行間斷焊接），用水泥封堵堵板與上、下保護(hù)半管和流體管間的縫隙，形成如圖7所示的澆注結(jié)構(gòu)。

4） 設(shè)置好澆注機(jī)的澆注參數(shù)（參數(shù)與澆注試驗(yàn)的參數(shù)一致），將澆注塑料管與聚氨酯澆注機(jī)連接好，開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)澆注，當(dāng)排氣孔溢出液體，表示密閉管環(huán)中已經(jīng)澆注滿聚氨酯，停止?jié)沧ⅰ?/p>

5） 拔出澆注塑料管，清除溢出在鞍座上的液態(tài)聚氨酯，待聚氨酯完全固結(jié)，方可進(jìn)行后續(xù)施工?，F(xiàn)場(chǎng)澆注完成后，雖無(wú)法打開(kāi)澆注結(jié)構(gòu)驗(yàn)證是否澆注充分，但經(jīng)核算澆注時(shí)間與澆注試驗(yàn)所用時(shí)間相差不到0.5 s，可間接說(shuō)明密閉管環(huán)中已經(jīng)澆注滿聚氨酯。

圖7 澆注結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)聚氨酯彈性體模擬澆注試驗(yàn)研究以及在水下ILM產(chǎn)品中澆注應(yīng)用研究，制定了水下結(jié)構(gòu)密閉空間聚氨酯彈性體澆注技術(shù)要求，掌握了合理的澆注工藝方法，豐富了澆注型聚氨酯彈性體在水下產(chǎn)品中的應(yīng)用，為水下產(chǎn)品或其他領(lǐng)域相似的聚氨酯澆注施工提供經(jīng)驗(yàn)。

［1］ 傅明源，孫酣經(jīng).聚氨酯彈性體及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］ 楊家棟，張驍靈，杜寶銀，等.聚氨酯彈性體在海洋石油管道中的應(yīng)用［J］.聚氨酯工業(yè)，2010，25（4）：28－31.

［3］ 劉海超，高國(guó)軍.海底管道高密度開(kāi)孔聚氨酯補(bǔ)口新技術(shù)［J］.中國(guó)海上油氣，2006（4）：271－275.

［4］ 韓峰，董楠，段夢(mèng)蘭，等.水下跨接管與管道終端測(cè)試技術(shù)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（5）：1－6.

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