GSPU湿式保温海管配重层防滑脱技术开发
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【摘 要】结合工程案例，介绍了油气输送用海底管道混凝土配重管常见涂层防滑结构，借鉴常规防滑结构特点，分析研制了适用于湿式保温海管（GSPU）的一种环形凸起结构，用于防止混凝土配重层滑脱，对环形凸起的防滑作用及可靠性进行了实验验证，满足蓬莱19-3油田项目海管防滑脱技术要求。
【Abstract】Combining with engineering examples， this paper introduces the common coating of oil and gas transportation in submarine pipeline concrete counterweight tube antiskid structure. By referring to the characteristics of conventional antiskid structure， a kind of ring-shaped raised structure suitable for wet insulation sea pipe （GSPU） is analyzed and developed to prevent slippage of concrete counterweight layer. The antiskid effect and reliability of the ring-shaped bump are verified by experiments， which meet the technical requirements of anti-skid of the offshore pipe in Penglai 19-3 oilfield project.
【关键词】湿式保温海管;配重层;滑脱;环形凸起
【Keywords】wet insulation sea pipe; weight distribution layer; slip; ring-shaped bump
【中图分类号】TU528.73 【文献标志码】A 【文章編号】1673-1069（2019）10-0170-03
1 引言
海底油气输送用混凝土配重管多采用S型铺管船法铺设，该铺设法要通过张紧器对管道施加一定的轴向张力，这种轴向张力要经过管面的混凝土配重层与其基层（防腐层、保温层或防护层）界面间的抗剪切能力来传递。涂层界面间剪切强度不足时，会导致混凝土配重层与其基层（防腐层、保温层或防护层）之间出现滑脱，影响铺管效率，甚至造成严重后果。因此，混凝土配重层与其基层之间要有足够的剪切强度，以保证铺设过程中两者之间不发生滑脱[1]。未经毛化处理的保温层表面通常比较光滑，致使其与混凝土配重层之间的剪切强度小，防滑效果差。可以采取基层表面增阻的措施提高这种界面剪切强度，但不同类型的基层需要研究制定不同的增阻对策。
2 湿式保温海管简介
2.1 湿式保温管结构及成分
湿式保温海管即玻璃微珠复合聚氨酯弹性体（GSPU）保温管道结构如图1所示，包括钢质管体及其外侧依次包覆的熔结环氧粉末（FBE）防腐层、GSPU保温层[2]。GSPU通常是在聚氨酯弹性体中添加直径约为30～100μm的空心玻璃微球（见图2）复合而成，该保温材料适用最大水深可达3000m，长期最大使用温度为110℃。目前，用于深水区域的GSPU材料均为国外公司生产[3]。
2.2 湿式保温管优缺点
①保温和防护作用合二为一，从而使海底管道保持整体一致性;
②优异的韧性、强度及耐浸泡性能，最外层不需要防水层及防护层;
③节点处理工序少，涂敷防腐层后直接浇注聚氨酯弹性体材料，无需止水帽等装置;
④与传统的聚氨酯泡沫（PUF）保温相比，GSPU保温性略差，实现同样保温效果需稍大的保温层厚度;
⑤与混凝土配重层的相互抗磨的能力不足，需要进一步采取措施。
3 防滑涂层增阻措施适用性分析
混凝土配重管涂层结构不同，涂敷方式不同，其所要求的保温层（或防护层）表面增阻措施也不尽相同，常用的增阻措施有以下几种：
①螺纹凹槽增阻法;
②起脊增阻法;
③环形凹槽增阻法。
适用性分析见表1。
4 GSPU湿式保温管防滑脱技术方案
4.1 防滑脱技术设计
上述几种海管涂层表面增阻措施，均较好地满足了具体工程项目海管混凝土配重层抗滑脱的需要。但对于GSPU保温涂层，螺纹凹槽增阻法和环形凹槽增阻法，后加工凹槽，费工费时，不增加涂层厚度时，会削弱GSPU保温效果，增加涂层厚度保障保温效果时，成本高。起脊增阻法，成型方式简便，不影响GSPU保温效果，可参考借鉴。监于GSPU湿式保温层采用液态保温材料模注固化成型，为解决GSPU湿式保温层增阻问题，需要使用一种GSPU湿式保温管防滑模具，使模注固化成型后的GSPU涂层表面出现凸起，使其具备良好的增阻效果，满足增阻需要。
4.2 防脱设计目标设定及可行性分析 4.2.1 确定目标
项目设计规格书中规定GSPU涂层厚度50mm、CWC与GSPU涂层间剪切强度≥0.2MPa。
结合工程项目需求，经过讨论，确定研制的GSPU湿式保温管防滑模具应达到下述指标要求：
①GSPU增阻涂层模注固化一次成型，成型完好率≥95%;
②增阻处GSPU涂层有效厚度≥50mm;
③GSPU增阻涂层与CWC涂层间剪切强度≥0.2MPa。
4.2.2 目标可行性分析
①GSPU湿式保温层采用液态保温材料模注固化成型，材料可塑性很好，只要解决好注料过程中模具凹面排气问题，GSPU增阻涂层模注固化一次成型，成型完好率≥95%是可以实现的。
②模具内表面采用局部凹陷形式，即可实现GSPU涂层局部凸起增阻，且GSPU涂层厚度不会被削弱;
③GSPU材料本身抗剪切强度不小于12MPa，CWC材料强度在62MPa以上，只要GSPU涂层与CWC涂层间能够良好地嵌固，材料本身足够提供0.2MPa的剪切强度。
4.3 防滑脱模具设计
4.3.1 模具内表面局部凹陷
GSPU保温层成型模具内表面局部凹槽，模注成型的GSPU保温层外表面局部会形成环形凸起，GSPU涂层嵌入CWC涂层内，达到增阻目的。其特点：①GSPU保温层外表面局部凸起可一次模注固化成型，制作简单;②GSPU保温层局部凸起，在材料较小额外用量的基础上，完全可以达到涂层厚度及增阻需要，经济性较好。
4.3.2 局部凹陷形式
钢质模具内表面设置为局部凹陷形式，凹陷容易加工，注料时不窝气，涂层固化后易脱模。
结论：最终选择“环形凹槽”形式的钢质模具实现湿式保温层凸起，较为合适。
4.4 GSPU增阻涂层模注试制、混凝土配重管制作
GSPU增阻涂层模注试验，成功试制2根带增阻涂层的GSPU湿式保温管（见图3）。
GSPU增阻涂層混凝土配重涂敷，成功试制2根GSPU湿式保温配重管。
4.5 效果验证
带凸起防滑结构的GSPU湿式保温管试制成功后，截取配重管试验管段，进行GSPU增阻涂层与CWC涂层间剪切强度试验。
①试样：GSPU湿式保温配重管，试验管段混凝土涂层长1.9m。
②试验设备：液压千斤顶，荷重传感器，电子测力仪。
钢结构箱形剪切试验架，剪切试验承压端帽。
③试验步骤
试件置于剪切台架内并于试件上端扣上剪切端帽，将千斤顶置于承压端帽正中;加荷，使千斤顶上端与台架承压面稍微接触;均匀加荷直到混凝土涂层与GSPU涂层接触面出现相对滑移;读取并记录试验最大加荷荷载。
④试件允许承受荷载的计算公式：
S=F/（π×d1×L） （1）
式中：S——剪切强度，单位为兆帕（MPa）;
F——试验最大加荷荷载，单位为牛顿（N）;
d1——试验管段环向周长（GSPU涂层周长），单位为毫米（mm）;
L——试验管段CWC涂层长度，单位为毫米（mm）。
实测最大荷载855kN，GSPU涂层与CWC涂层未出现任何相对滑移。
⑤试验结果
依据公式（1），算得剪切强度S达到了0.202MPa。
截取配重管试验管段，试验测得GSPU增阻涂层与CWC涂层间剪切强度0.202 MPa，且GSPU涂层与CWC涂层未出现任何相对滑移，达到了蓬莱19-3油田铺设所需的层间剪切强度≥0.2MPa的要求。
5 结语
从技术角度来说，本次借鉴的“环形凹槽”形式的钢质模具成功制作出的带环形凸起增阻涂层的GSPU保温管，增阻效果满足蓬莱19-3油田项目既定的技术需要，并为以后类似工程项目用管需求提供了大量的实验数据和技术积累。为湿式保温海管国产化即“三新三化”产品的成功转化奠定了技术基础，可为国内海洋油气田开发提供安全、便捷的产品与技术服务。
【参考文献】
【1】闫嗣伶.东方1-1气田海底管道混凝土配重层的涂敷[J].中国海上油气（工程），2003，15（4）：9-11.
【2】张红磊，韩文礼.国外海洋管道防腐保温技术现状与发展趋势[J].石油工程建设，2009（1）：26-29.
【3】康学君，吴文通，张晓灵，等.深水管道复合聚氨酯弹性体保温工艺与设备[J].聚氨酯工业，2014，29（1）：21-22.
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