海底单层保温管管端热缩防水帽开发试验研究

刘海超，吕喜军，相政乐，赵 利，王洪洲

（中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452）

海底单层保温管管端热缩防水帽开发试验研究

刘海超，吕喜军，相政乐，赵 利，王洪洲

（中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452）

海底单层保温管管端采用辐射交联型热缩防水帽进行防水密封，是目前常用的形式之一。文章介绍了一种无接缝直筒型热缩防水帽及其配套的高温、高剪切热熔型胶粘剂的研究开发成果。试验结果表明，开发的海底管道专用热缩防水帽及其高温、高剪切热熔型胶粘剂的高温剪切强度达到0.67MPa（80℃），满足≥0.6MPa的试验目标要求；在0.7～0.8MPa静水压试验条件下，经过30d的连续试验，不发生透水现象，说明该防水帽可在20～50 m的水深工况下使用。

海底管道；单层保温管；热缩防水帽；辐射交联；热熔胶

0 引言

海底单层保温管结构采用了高密度聚乙烯（HDPE）夹克管做外套，对管内的聚氨酯泡沫塑料（PUF）保温层进行有效的防水密封保护[1-2]。但在单层保温管两端的环形立面上，PUF保温层处于裸露状态，若不采取有效的防水措施或采取的防水密封措施不当，则在保温管的存储、运输和使用过程中，水/汽将通过管端进入管体保温层中，从而使PUF吸水，造成保温失效，甚至引起管道腐蚀。

由此可见，海底单层保温管的两端是防水密封的最薄弱环节。采用辐射交联型热缩防水帽对海底单层保温管管端进行防水密封，是目前常用的防水密封形式之一。早期单层保温管管端防水密封采用冷胶型防水帽，该防水帽采用热焊接形式，所用胶粘剂为沥青玛蹄酯胶，粘接剪切强度仅有0.16MPa，在20～40 m水深的静水压下，冷胶型防水帽透水，达不到对管端保温层的防水密封要求。鉴于此，开发研制一种适用于海底单层保温管的专用热缩防水帽显得尤为重要。

1 热缩防水帽

1.1 结构及材料

辐射交联型热缩防水帽 （RSEC）采用轴向无接缝直筒型圆套结构，基材为辐射交联聚乙烯，直筒圆套经热扩张后，冷却定型，内表面刷涂一层胶粘剂。加热收缩时，其径向收缩率大于75%，轴向收缩率小于10%。

防水帽基材聚乙烯采用辐射方式进行交联，聚乙烯分子由线型结构变成网状结构，并且具有记忆性。由该基材加工而成的防水帽，其拉伸强度、抗拉力大大提高。防水帽还具有良好的化学稳定性，不受环境和气候影响。与普通聚乙烯材料相比，其机械强度、耐热、耐老化、耐候性、电性能、耐化学性能均较优越，使用寿命比同类材料增加1～2倍。这种热缩防水帽作为单层保温管端防水材料，具有极好的密封性能。

1.2 密封原理

辐射交联型热缩防水帽 （RSEC）基材采用具有热记忆性的辐射交联型聚乙烯套管，在收缩套内表面两端沿圆周分别涂覆宽度≥75 mm的热熔胶粘剂。通过加热，RSEC可沿管圆周方向均匀收缩包覆到保温管端大头 （HDPE夹克管）和小头 （钢管FBE涂层）的表面上，将保温管端环形立面裸露的PUF保温层与外界隔绝 （见图1）。同时RSEC内层的胶粘剂分别与HDPE管和FBE涂层粘接，从而起到密封防水/防腐作用，用作海底管道防水帽胶粘剂的粘接剪切强度一般要求不低于海水静水压的1.2倍。此外，具有热收缩记忆的防水帽始终对管端部位提供径向收缩紧箍力，对胶粘剂的粘接面起到有效的机械保护作用，阻止水和湿气等浸入保温层。

2 试验研究

2.1 材料性能 （见表1、表2）

表1 辐射交联热缩防水帽基材性能指标[3]

表2 辐射交联热缩防水帽胶粘剂性能指标

根据海底单层保温管应用水深和管内输送介质的温度范围，开发无轴向接缝RSEC。RSEC（小头）与工作钢管外表面FBE涂层之间的粘接密封，选用环球软化点大于130℃的耐高温型胶粘剂；RSEC（大头）与HDPE外套管之间的粘接选用软化点大于90℃热熔型胶粘剂，并要求胶粘剂在工作温度下，粘接剪切强度＞0.6 MPa，以保证单层管在40～50 m水深条件下长期安全运行。海管专用辐射交联热缩防水帽具体性能指标见表1、表2。

试验开发的辐射交联型防水帽及配套胶粘剂主要性能指标见表3。

表3 海管专用辐射交联热缩防水帽主要性能检测指标

检验结果表明，防水帽基材和高温胶均达到试验提出的技术指标要求，可进行管端密封防水试验研究。

2.2 耐水压密封防水试验

2.2.1 试件制作

单层保温管海底防水密封试验用试件，选自中海油渤海某海管涂敷项目，是单层保温管生产时做PQT试验剩余的管段。海底管道规格和防腐保温配重结构见表4。

表4 某项目钢管规格及各涂层厚度

单层保温管管端防水帽密封试验采用全比尺模型试验，试件的规格见图2、3。图2中 “XX”代表试件号码， “A”、 “B”分别代表试件管的A端和B端。

试验用热缩防水帽材料规格、产地详见表5。为了进行试验对比，试验时增加了冷胶型防水帽试验。

表5 试验防水帽材料一览

2.2.2 耐静水压试验

防水帽的耐水压密封试验是在静水压试验装置中进行。水压试验装置分别由密封水压舱、自动加压装置、压力表、温度传感器、开启式水压密封舱封盖、水循环管路及阀门法兰等单元组成。水压试验装置见图4、5。

试验采用防水帽直接暴露在水中的方式 （图5），共进行13组试验，用了26个防水帽，试验条件如表6所示。

表6 防水帽静水压试验条件

2.2.3 试验结果

防水密封性检验采取切开防水帽和钻核取芯两种方法，检验完成后，对防水帽进行粘接剥离强度检验。防水帽耐静水压检测结果见表7。

2.3 结果分析

（1）在40 m水深的静水压下，冷胶型防水帽全部透水，达不到对管端保温层的防水密封要求。试验再次证明低粘接剪切强度玛蹄脂型胶粘剂防水帽，不适合在20 m以下海底保温管密封中应用。

（2）密封性检验结果表明，试验的11组热熔胶型防水帽均未出现破损和透水现象，即使在保温管试件主体被0.6 MPa以上的静水压强挤压变形的情况下，防水帽外观仍保持完好，粘接密封性依然有效。在0.7～0.8 MPa静水压下，连续试验周期长达30 d，防水帽边缘圆周方向的胶粘剂溢出均匀，粘接紧密，防水帽表面无鼓泡、剥离、翘边等现象，依然保持良好的防水密封性。

表7 防水帽静水压检测结果

（3）粘接剥离强度检验结果表明，在常温下，防水帽胶粘剂对钢管FBE层的剥离强度最小为138 N/cm，对HDPE层的剥离强度为104 N/cm，满足剥离强度≥70 N/cm的标准要求。

3 结论

研究开发的海底管道专用热缩防水帽及高温、高剪切热熔型胶粘剂的高温剪切强度达到0.67 MPa（80℃），满足≥ 0.6 MPa的试验目标要求。在0.7～0.8 MPa静水压试验条件下，经过30 d的连续试验，不发生透水现象。由此说明，该防水帽可在20～50 m水深工况条件下使用。

[1]相政乐，蒋晓斌，张晓灵，等.海底保温管道技术发展概况[J].国外油田工程，2010,26（10）:56-59.

[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]SY 4054-2003，辐射交联聚乙烯热收缩带（套）[S].

Test Research on Heat Shrinkable End-cap of Submarine Single Layer Insulation Pipeline

LIU Hai-chao（CNOOC Energy Technology&Services— Pipe Engineering Co.,Tianjin 300451,China）,LU Xi-jun,XIANG Zheng-le,et al.

Submarine single layer insulation pipeline adopts heat shrinkable end-cap made of radiation crosslink material to prevent water,which is a commonly applied mode at present.A cylindrical heat shrinkable end-cap without seam and its matching hot melt adhesive with high temperature resistance and high shear strength have been developed for submarine pipeline.They have the shear strength of 0.67 MPa at 80℃,which reaches the test aim of not less than 0.6 MPa.No permeable phenomenon was observed under the test condition of continuous hydraulic pressure 0.7～0.8 MPa for 30 day.The test results prove that the heat shrinkable end-cap can be applied in the working condition of 20～50 m water depth.

submarine pipeline;single layer insulation pipeline;heat shrinkable end-cap;radiation crosslink;hot melt adhesive

TE973.3

A

1001－2206（2011）06－0012－04

刘海超 （1977-）,男，河北玉田人，工程师，2000年毕业于河北工业大学精细化工专业，现从事海洋管道防腐、保温及配重技术研究工作。

2011-07-27