新型海底單層保溫配重管節(jié)點補(bǔ)口技術(shù)應(yīng)用研究

趙 岑， 相政樂， 劉進(jìn)東， 押延寧， 徐 亮， 運(yùn) 濤

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452; 2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引 言

海洋油氣管線長期處于冷水環(huán)境，其外層通常需要保溫，以防止輸送介質(zhì)結(jié)蠟。對于淺海邊際油田輸油/混輸保溫管線，考慮到建設(shè)及運(yùn)營成本，通常采用單層保溫配重管[1]。近年來，為提升單層保溫配重管的技術(shù)水平，中海油開發(fā)了聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管和配套的補(bǔ)口技術(shù)[2-3]，提升了整管保溫和防水密封性能。本文在上述基礎(chǔ)上，結(jié)合蓬萊19-3油田4區(qū)調(diào)整項目管線建設(shè)工作，對聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管的補(bǔ)口工藝進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)了新技術(shù)的工程應(yīng)用。

1 補(bǔ)口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

單層保溫配重管的結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次為鋼管、熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)防腐層、聚氨酯泡沫(PUF)保溫層、高密度聚乙烯(HDPE)外護(hù)層、混凝土配重層(CWC)。傳統(tǒng)單層保溫配重管保溫層預(yù)制采用“預(yù)制夾克管+PUF澆注+管端安裝防水帽”工藝，補(bǔ)口采用“防腐熱收縮帶+PUF澆注+防水熱收縮帶+高強(qiáng)開孔PUF澆注”工藝[4-5]。傳統(tǒng)工藝受澆注PUF密度所限，保溫管服役水深一般低于60 m，在成品管運(yùn)輸、鋪設(shè)過程中，防水帽易破損，且補(bǔ)口工序煩瑣[6-8]，需要通過工藝革新予以解決。

中海油開發(fā)的聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管主體管采用“PUF噴涂+HDPE擠出包覆”預(yù)制工藝，噴涂PUF后，保溫性能和抗壓強(qiáng)度更好；管端密封一次成型，取消防水帽，解決了單層保溫管防水密封的技術(shù)瓶頸[9]。其補(bǔ)口為“FBE+PUF半瓦+聚氨酯彈性體澆注”結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其特點在于引入了濕式保溫材料聚氨酯彈性體，提升了防水保溫性能。

圖1 “FBE+PUF半瓦+聚氨酯彈性體澆注”補(bǔ)口結(jié)構(gòu)Fig.1 “FBE+PUF half shell+polyurethane elastomer” field joint structure

2019年，聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管在蓬萊19-3油田4區(qū)調(diào)整項目中首次進(jìn)行工程應(yīng)用。考慮到補(bǔ)口FBE噴涂和聚氨酯彈性體澆注均需要大型設(shè)備，而項目鋪管船作業(yè)空間有限，僅能提供兩個施工站點，因此對上述補(bǔ)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下優(yōu)化設(shè)計： 防腐采用熱收縮帶，外層澆注聚氨酯彈性體至與管端配重層平齊，內(nèi)部不安裝PUF半瓦，如圖2所示。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)綜合考慮了補(bǔ)口防腐、防水、保溫和施工效率等因素，采用手工安裝熱收縮帶代替FBE噴涂，更便于在鋪管船的狹小空間內(nèi)施工；外部通過模具澆注聚氨酯彈性體一次成型，整體工藝更為簡單。

圖2 “熱收縮帶+聚氨酯彈性體澆注”補(bǔ)口結(jié)構(gòu)Fig.2 “Heat shrinkable sleeve+polyurethane elastomer” field joint structure

2 補(bǔ)口工藝評定試驗

2.1 管線涂敷工藝技術(shù)參數(shù)

蓬萊19-3油田4區(qū)調(diào)整項目包括一條長約為2.3 km的單層保溫配重管線，聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管及配套補(bǔ)口新技術(shù)在該條管線首次應(yīng)用，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 管線技術(shù)參數(shù)

2.2 補(bǔ)口工藝評定

根據(jù)項目鋪管船濱海109的作業(yè)線情況，設(shè)計的兩站式補(bǔ)口工藝流程如下：

1) 防腐站

首先清理補(bǔ)口區(qū)域污染物，并預(yù)熱補(bǔ)口表面，然后采用封閉循環(huán)回收式噴砂機(jī)進(jìn)行噴砂除銹，除銹等級為Sa2.5，錨紋深度為50～100 μm。

對管端HDPE層表面進(jìn)行預(yù)熱，然后在補(bǔ)口位置安裝熱收縮帶，其與管端HDPE層搭接寬度均大于50 mm。

2) 澆注站

使用打包帶將鐵皮模具安裝在補(bǔ)口位置，模具上部預(yù)留澆注、排氣口。采用低壓澆注機(jī)進(jìn)行雙組分聚氨酯彈性體原料澆注。澆注完成后，待聚氨酯彈性體帶模固化一段時間后脫模。

依據(jù)上述工藝流程，在陸地開展補(bǔ)口工藝評定試驗(PQT)，制備的試驗管如圖3所示。

圖3 補(bǔ)口PQT試驗管Fig.3 PQT pipe of field joint coating

2.3 補(bǔ)口性能評價

為評價新型補(bǔ)口結(jié)構(gòu)的性能和對管線鋪設(shè)、服役工況的適應(yīng)性，對工藝評定試驗(procedure qualification trial, PQT)試驗管進(jìn)行了一系列性能試驗。

1) 聚氨酯彈性體的性能評價

聚氨酯彈性體的性能影響著補(bǔ)口的防水保溫性能，在性試驗中，檢測其強(qiáng)度、吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)等指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。

表2 聚氨酯彈性體性能檢驗結(jié)果

結(jié)果顯示，聚氨酯彈性體抗拉、抗壓強(qiáng)度均較高，完全滿足項目管線鋪設(shè)及服役要求；吸水率<3%，且完全填充補(bǔ)口位置，能夠保證防水密封性能。由于聚氨酯彈性體的導(dǎo)熱系數(shù)高于傳統(tǒng)補(bǔ)口結(jié)構(gòu)中的PUF保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，評估對整條管線保溫性能的影響如下文所述。

采用多層圓筒壁結(jié)構(gòu)計算聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管及新型節(jié)點補(bǔ)口的保溫效率，過程中忽略鋼管和防腐層的保溫效果。主體管的熱損失為

(1)

補(bǔ)口的熱損失為

(2)

在式(1)和式(2)中，Qs為主體管熱損失，W/m2；Qf為補(bǔ)口熱損失，W/m2；T1為防腐層外壁溫度，K；T2為海水溫度，K；λ1為PUF層導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；λ2為HDPE層導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；λ3為CWC層導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；λ4為聚氨酯彈性體導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；d0為防腐層外徑，m；d1為PUF層外徑，m；d2為HDPE層外徑，m；d3為CWC層外徑，m；α為管外壁至海水的放熱系數(shù)，W/m2·K。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]及試驗結(jié)果，λ1取0.035 W/m·K，λ2取0.42 W/m·K，λ3取2.5 W/m·K，λ4取0.17 W/m·K，α取200 W/m2·K；按照表1的管線技術(shù)參數(shù)，求出d0、d1、d2、d3的值。經(jīng)簡化計算可得Qf/Qs=1.9，即補(bǔ)口位置熱損失約為主體管的1.9倍，折合整條管線熱損失增加約6.6%，但這部分損失可由噴涂PUF工藝帶來的主體管保溫性能提升來完全彌補(bǔ)。

2)補(bǔ)口整體的性能評價

項目采用S形鋪管法，鋪設(shè)施工時，管道首先經(jīng)過托管架，然后自由懸垂至海底[17]經(jīng)歷一次往復(fù)彎曲作用，此外涌浪沖擊也會造成管道往復(fù)彎曲。經(jīng)與鋪管方溝通，鋪設(shè)過程中管線最小彎曲半徑為250 m。為模擬鋪設(shè)工況，對PQT試驗管進(jìn)行四點彎曲試驗： 將試驗管兩端通過銷軸固定于彎曲試驗機(jī)上，中部兩點夾持固定并與氣缸相連，通過氣缸的上下頂升，進(jìn)行8個周期的往復(fù)彎曲，彎曲半徑為200 m，嚴(yán)于實際工況，如圖4所示。

圖4 四點彎曲試驗Fig.4 Four point bending test

圖5 涂層結(jié)構(gòu)完好Fig.5 Coating in good condition

試驗完成后，檢查試驗管管體、管端密封和補(bǔ)口結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)均完好，未出現(xiàn)破損、開裂的情況，如圖5所示。為考察補(bǔ)口結(jié)構(gòu)經(jīng)彎曲后的防水密封性能，截取長度約3.5 m的補(bǔ)口管段，在外壓為0.3 MPa，管內(nèi)通79℃(項目管線最高服役溫度)熱介質(zhì)的條件下，開展7天靜水壓密封試驗。結(jié)果顯示，管體和補(bǔ)口結(jié)構(gòu)完整、外觀完好。經(jīng)破壞性檢查后發(fā)現(xiàn)，管體PUF層干燥無水，補(bǔ)口區(qū)域的HDPE及熱收縮帶也無水進(jìn)入，分別如圖6和圖7所示。

圖6 PUF干燥無水Fig.6 No water in PUF

圖7 補(bǔ)口干燥無水Fig.7 No water in field joint

從上述試驗結(jié)果看，新型補(bǔ)口結(jié)構(gòu)綜合性能良好，符合結(jié)構(gòu)優(yōu)化時兼顧防水、保溫及抗壓性能的思路，完全滿足項目管線鋪設(shè)與服役的要求。

3 補(bǔ)口技術(shù)工程應(yīng)用

2019年10月，濱海109船赴蓬萊海域進(jìn)行項目聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管現(xiàn)場鋪設(shè)(見圖8)，共完成180余道補(bǔ)口?，F(xiàn)場采用兩站式補(bǔ)口作業(yè)，考慮到首次應(yīng)用新工藝，適當(dāng)延長了聚氨酯彈性體帶模固化時間。脫模后測試聚氨酯彈性體表面溫度約為80℃，D型邵氏硬度大于20。補(bǔ)口能夠順利通過托輪和托管架，未因擠壓而出現(xiàn)破損、變形。從應(yīng)用情況來看，新型海底單層保溫配重管及補(bǔ)口結(jié)構(gòu)完全滿足海管現(xiàn)場鋪設(shè)的要求。

圖8 管線鋪設(shè)下海Fig.8 Submarine pipeline laying

4 結(jié) 語

本文針對聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管，優(yōu)化設(shè)計了“熱收縮帶+聚氨酯彈性體”補(bǔ)口結(jié)構(gòu)。從PQT試驗和工程應(yīng)用效果來看，該結(jié)構(gòu)具備良好的防水密封性和保溫性能，適用于現(xiàn)場補(bǔ)口施工。近年來，隨著聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管在國內(nèi)海上油氣田建設(shè)領(lǐng)域逐步開展工程應(yīng)用，該補(bǔ)口結(jié)構(gòu)具有較好的推廣前景。