水下灌浆定形式海底管道立管固定装置研究

，

(胜利油田分公司 海洋采油厂，山东 东营 257237)

胜利埕岛油田迄今已建成海底输油、输气、注水管道130多条，总长超过220 km，这些复杂的海底管网肩负着埕岛油田原油外输及油田注水的重要使命，因此保证海底管道的安全意义深远。海底管道立管管卡是一种位于平台腿柱上的导向、固定装置，通过管卡将海底管道立管固定在平台导管架腿柱上，起到固定和支撑作用[1]。但是，目前有些海底管道立管管卡发生损坏或者脱落，已失去了对管道的固定作用，使海底管道立管在海流作用下发生摇摆或振动，时间久了极易发生疲劳破坏，造成断裂或泄漏安全事故，危害十分严重。一方面由于目前水下焊接强度难以达到支撑管线立管的需要，水下焊接点的补焊存在困难；另一方面，立管的规格、位置以及安装时现场误差使得管卡尺寸规格难以确定等，这使得老式管卡维修及治理成为无法解决的技术难题。为此，针对新型水下灌浆定型式海底管道立管固定装置进行研究。

1 水下管卡结构形式

新型管卡必须克服以下困难：安装不需要水下焊接；重量必须轻，潜水员可以方便进行水下操作；管卡应现场定型，以适应不同情况下立管的固定。

首先建立原管卡模型，并使用ANSYS10.0软件对其进行受力分析[2]，在此计算分析基础上，针对埕岛油田海底立管损坏情况，研究三种水下固定管卡结构型式。

1)结构形式I。

针对管卡与海底管线立管间隙过大的情况，研制结构形式I的水下管卡，见图1。

图1 水下管卡结构形式I

2)结构形式II。

针对只剩一半的水下管卡情况，研制结构型式II的水下管卡，见图2。

图2 水下管卡结构型式Ⅱ

3)结构形式III

针对立管就位斜度大与管卡距离远的情况，研制结构型式III的水下管卡，见3图。

2 耐海水胶囊

2.1 材料选择

经过选择，最终选择了氯丁胶，是所有橡胶里

图3 水下管卡结构型式III

是最耐海水的胶种[3]。

1)较高的力学性能。氯丁胶是自补强性较好的橡胶，再加上它的分子是极性的，分子间作用力比天然橡胶大，拉伸时，分子不易滑脱，不易断链，所以具有较大的与天然胶相当的拉伸强度。而且在实际的长期使用过程中，氯丁胶的耐磨性往往优于天然胶，因为氯丁胶比天然胶更耐老化。

2)耐老化。氯丁橡胶的耐热老化及耐臭氧老化性能优于天然胶、丁苯胶、顺丁胶、丁腈胶。其耐海水老化的性能尤为突出，实际的使用过程中远远优于上述胶种。

3)耐油性。氯丁胶属于耐油橡胶，但其耐油性能稍低于丁腈橡胶。

2.2 结构设计

研究选择了圆柱形设计方案。选择圆柱形的好处在于：①在使用相同的材料条件下，圆柱形的体积是仅次于球形，但是球形的设计对于海底的固定是非常不利的，所以选用了圆柱形；②圆柱形的设计可以使其本身在海水中的受力均匀，有利于其固定海底钢桩；③圆柱形的设计使其在膨胀的时候更为有利。

胶囊的结构设计为中空，可以在胶囊的中空处充入介质，可以任意变形，进而起到固定作用，又能增加介质的使用寿命。

2.3 材料设计与成型工艺试验

材料性能。配方设计(小试)→炼胶→性能测试→工艺试制→中试→配方最终确定→产品的最终完成。硬度(邵A式)60;抗拉强度12 MPa;撕裂强度60 kn/m。

经过小试片试验,其结论为该配方能够满足试验的使用要求。在材料的性能满足要求之后，开始进行工艺的研制，由于产品的结构特殊性，产品的工艺存在着很大的难度，其中空的结构加上气嘴的狭小，使用普通的模压工艺根本不可行。采取先定型，然后成型的无压硫化方法很好地解决了这个工艺难题，具体试验流程为半成品定形→对接→硫化→脱模→修边→包装。

产品的首件生产完成后进行打压试验，试验具体操作为产品在无工装情况下，充0.3 MPa压力，膨胀约200%时，无漏气和涨爆现象，说明产品的强力和结构设计是能够达到使用要求的，经过质量评审后，投入批量生产。

3 水下管卡灌浆材料

胶囊内的填充材料必须具备以下特性：合成或优选的聚合物分子量大小适中，固化速度快，固化后的材料既具有钢性又具有韧性，可在低温下进行固化，同时具有很好的耐低温性能。具体技术特点及拟达到的技术指标如下。

1)可实现低温条件下进行固化反应;

2)控制固化时间在1～3 h范围内;

3)控制聚合物密度1.0～1.2 g/cm3;

4)拉伸强度≥8 MPa;

5)抗压强度10～15 MPa;

6)硬度(邵A式)≥50;

7)撕裂强度≥40 kN/m。

聚氨酯( PUR)弹性体是一种介于塑料和橡胶之间的高分子材料，它的伸长率大、硬度范围宽，具有优异的耐磨性和力学性能，而且可由液体原料直接加工成型，通过配方调整在很宽的范围内设计各种性能的制品，应用范围广[4]。聚醚型聚氨酯弹性体具有优异的耐水性和低温柔顺性，因此是用于水力机械过流部件的抗腐蚀、抗磨保护层的理想材料及低温水中使用的材料，其使用寿命是一般橡胶或普通钢件的3～8 倍。根据需要研制了一种室温固化四氢呋喃型聚氨酯弹性体，该弹性体硬度高、回弹性好、强度高、耐磨，能满足灌浆现场施工的要求。

3.1 材料试验研究

3.1.1 原材料

聚四氢呋喃聚醚二元醇(PTMG),工业品,羟值110±10,杜邦公司产品； 聚丙撑醚二元醇(PPG),工业品,羟值110±10,天津石化三厂产品；甲苯二异氰酸酯,工业品,日本产品；二乙基甲苯二胺,相对分子质量178，自制；二胺二苯基甲烷(MOCA)，工业品，特I级，苏州前进化工厂产品；稀释剂,自制。

3.1.2 树脂原液合成与试样制备

1)树脂原液合成。在三口烧瓶内按比例加入聚四氢呋喃醚二元醇、聚丙撑醚二元醇，加热至110～120 ℃，抽真空脱水3 h，降温至50 ℃以下，分两次加入相应比例的甲苯二异氰酸酯，升温至(80±5)℃,反应2 h，真空脱泡0.5 h ，降温至50 ℃以下，出料得A 组份。

在三口烧瓶内按比例加入二乙基甲苯二胺、MOCA，加热至80 ℃，混合均匀，出料得B 组份。

2)试样制备。将A、B 两组份按比例混合均匀，进行浇注而制得PUR 弹性体。

3.2 试验数据

3.2.1 多元醇相对分子质量对弹性体力学性能的影响

软段(多元醇)相对分子质量是影响聚氨酯弹性体机械强度的重要因素之一，聚醚型聚氨酯弹性体的硬度、定伸强度、扯断强度和撕裂强度均随聚醚相对分子质量的升高而下降。表1为聚丙撑醚二元醇(PPG)相对分子质量对聚氨酯弹性体机械性能的影响。

表1 PPG对聚氨酯弹性体机械性能的影响

从表1 中的试验数据可知聚醚多元醇相对分子质量选用为2 000。

3.2.2 PTMG和PPG混合比例对弹性体力学性能的影响

聚四氢呋喃型聚氨酯弹性体具有良好的物理性质和良好的耐水解性能，但由于PTMG粘度大，合成的预聚体粘度亦大，因此脱气不容易，且加入固化剂搅拌过程易产生较大气泡，而且聚四氢呋喃醚反应活性高，釜中寿命短，均影响施工工艺，另外，PTMG的高价位亦影响了其市场潜力，针对这种情况，开展了PTMG和PPG混合比例试验研究，结果见表2 。

表2 PTMG和PPG混合比例对弹性体性能的影响

由表2可见，随着PPG含量增加，预聚体粘度降低，釜中寿命延长，但硬度、拉伸强度和伸长均降低。本研究选用m(PTMG)∶m(PPG)=50∶50。

3.2.3 预聚体异氰酸根含量对弹性体性能的影响

在制备PUR弹性体时, 改变预聚体的NCO%含量，可以调节弹性体的力学性能。研究结果表明,不论PTMG相对分子质量是1 000还是2 000，随着NCO%含量的增加，扯断伸长率变化较小，拉伸强度逐渐增大，但当NCO%质量分数为5.5%～6.5%时，拉伸强度达到最大值。

3.2.4 固化剂对固化时间的影响

为了降低固化成型温度，同时保证合适的釜中使用寿命，改善施工工艺，研制了混合胺固化剂，试验结果见表3 。

表3 不同固化剂混合比例弹性体凝胶时间 min

根据表3试验结果，选定二乙基甲苯二胺与MOCA混合比例为1∶4。

3.3 灌浆定型材料研究结果

本研究研制的PUR弹性体力学性能优异,干燥速度满足要求；采用混合聚醚，降低了预聚体粘度，易于灌注采用混合胺固化剂，可低温固化，改善了施工工艺,提高了产品质量。

为保证最终目标的实施，也保证填充材料具有优良的性价比，合成的聚合物基质PUR弹性体，添加少许比例的无机料为填充材料。研制开发的灌浆定型PUR弹性体具备以下特点。

1)快速固化、施工时受环境温度、湿度影响小，且固化速度可根据情况调节。

2)100%的固体含量，不含任何挥发性有机物，对环境友好。

3)优异的理化性能，如拉伸强度、伸长率、柔韧性、耐低温、耐老化等。

4)较好的性价比。

实测性能指标如下。

1)固化时间在1.0～1.5 h范围内；

2)聚合物密度1.09 g/cm3；

3)拉伸强度11 MPa；

4)抗压强度13 MPa；

5)硬度(邵A式)65；

6)撕裂强度52 kN/m。

4 水下管卡灌浆工艺流程

结合水下管卡结构型式及灌浆固定材料分析，初步设计水下管卡的灌浆工艺流程，见图4。

图4 灌浆工艺流程

将固定管卡在水下安装到位，用管线将胶囊的进料口与物料混合罐的出口连接好，打开气囊进料口的阀门。在物料混合罐的夹套中通入冷却水，按照6∶5∶4的比例向物料混合罐中加入所用物料，开动电动搅拌器，边加物料边搅拌，在5 min时间内将物料混合均匀，密封混合罐，打开混合罐的进气阀门。

当空气压缩机的压力达到4 MPa时，打开混合罐的出料口和胶囊的出气阀，使填充料沿管线注入胶囊中，每个胶囊的填充时间不能超过1 h。当胶囊膨胀到规定体积后关闭混合罐的出料口，

将管线转移到填充完毕胶囊的对称侧，连接好管线。重复操作3和4，直到固定管卡上的胶囊全部填充完毕。

施工结束后迅速用醋酸丁酯清洗混合罐，避免物料在罐内固化影响以后的施工，清洗完后的废液可重复利用。

5 结论

新研发的水下管卡技术采用外部卡环和弹性胶囊(内有填充物)的双重作用将海底管道立管牢牢地固定在导管架腿柱或立管桩上，该水下固定管卡具有很好的适应性，能很好地适应埕岛海管立管复杂多样的现状条件，提高海管立管的安全性能，满足安全生产的需要。现场施工方面虽然不再需要水下钢结构的焊接，但是对填充材料凝固时间和施工时间配合要求较高，还需要对现场施工工艺进行进一步研究。

[1] 国家经济贸易委员会.海底管道系统规范[S].北京：石油工业出版社，2002.

[2] 邓凡平.ANSYS10.0有限元分析手册[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[3] 刘鹏凯，殷 萍.我国氯丁胶生产的现状、发展趋势与对策[J].胶体与聚合物，2002，20(1):39-40.

[4] 郁为民，宫 涛.聚氨酯弹性体发展近况与应用开发[J].化学推进剂与高分子材料，2000(4):6-9.