杜寶銀 張曉靈 孔瑞林 吳文通 蔣曉斌 楊加棟

（中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，中國(guó) 天津 300452）

0 前言

深水海底具有高靜壓、低溫環(huán)境(通常4℃左右)，深水惡劣的自然環(huán)境對(duì)海上和水下結(jié)構(gòu)物提出了苛刻的要求。海上惡劣海況與海底復(fù)雜地質(zhì)情況對(duì)海底管道保溫材料和防護(hù)層提出了很高的要求。輸送含蠟原油、高粘原油及天然氣的海底管道常常需要采取保溫措施，以避免由于流體溫降過大而引起的管道內(nèi)壁結(jié)蠟、天然氣水合物形成導(dǎo)致的輸送阻力增大甚至堵塞管道的各種操作問題[1]。

國(guó)外深度超過300m的海底輸油管道應(yīng)用的保溫層材料主要有：玻璃微珠復(fù)合聚氨酯(GSPU)、有機(jī)聚合物微球復(fù)合聚氨酯（PSPU）,以上兩種材料統(tǒng)稱為復(fù)合聚氨酯[2]。復(fù)合聚氨酯（GSPU/PSPU）保溫層可以采用常壓澆注法生產(chǎn)，其涂敷方法主要有澆注法、無模旋轉(zhuǎn)澆注法和纏繞法。本文僅對(duì)復(fù)合聚氨酯的常壓澆注成型模具的研制進(jìn)行介紹。

1 復(fù)合聚氨酯(GSPU/PSPU)保溫澆注模具的設(shè)計(jì)

1.1 澆注模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以鋼管直徑323mm、壁厚25.4mm、長(zhǎng)度12m、鋼管保溫層厚度100mm為例進(jìn)行鋼管保溫層澆注模具的設(shè)計(jì)。鋼管保溫層澆注模具分三段制造，每段長(zhǎng)度為4200mm，每段由一臺(tái)模溫機(jī)分別對(duì)模具進(jìn)行加熱。模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是：模具升溫時(shí)間30分鐘，室溫20℃，模具為45號(hào)鋼、模具厚度25mm，模具加熱溫度90℃，模具外壁保溫層采用厚度為50mm的聚氨酯泡沫，保溫層外罩不銹鋼薄板。模具加熱管為紫銅管，銅管外徑12mm、壁厚2mm、耐壓1.0MPa，加熱管采用雙回路對(duì)向交錯(cuò)布置在模具外壁來提高模具溫度的均勻分布，模具沿著通過鋼管軸線的平面分成上下模兩部分，模具合模位置見圖7；考慮到模具整體長(zhǎng)度為12.6米，分三段制造，由法蘭連接成整體。澆注料溫25～35℃。模具澆注傾斜角度按照0～25°設(shè)計(jì)，模具合模、傾斜角度使用液壓缸驅(qū)動(dòng)，配置液壓站一臺(tái)。

1.2 澆注模具的加熱功率計(jì)算

1.2.1 工作時(shí)熱損耗量的計(jì)算

Qh=（Qh1+Qh2+Qh3+Qh4+Qh5+Qh6+Qh7）K

式中：Qh——工作時(shí)單位時(shí)間的熱損耗量（kJ/h）；Qh1——通過模具外壁散失的熱損耗量（kJ/h）；Qh2——加熱導(dǎo)熱油的熱損耗量（kJ/h）；Qh3——加熱模具的熱損耗量（kJ/h）；

Qh4——通過連接加熱軟管外壁的熱損耗量（kJ/h）；

K——考慮到其他未估計(jì)到的熱損耗量?jī)?chǔ)備系數(shù)，一般取K=1.1～1.3。

1.2.2 升溫時(shí)熱損耗量的計(jì)算

Q′h=(Q′h1+Q′h2+Q′h3+Q′h4）K

式中：Q′h——升溫時(shí)總的熱損耗量（kJ/h）；

Q′h1——通過模具外壁散失的熱損耗量（kJ/h）；

Q′h2——加熱模具金屬的熱損耗量（kJ/h）；

Q′h3——加熱模具導(dǎo)熱油管金屬的熱損耗量（kJ/h）；

Q′h4——模具保溫層吸熱時(shí)的熱損耗量（kJ/h）；

K——考慮到其他未估計(jì)到的熱損耗量?jī)?chǔ)備系數(shù)，一般取K=1.1～1.3。

1.2.3 模具設(shè)計(jì)時(shí)熱損耗量的計(jì)算先按工作時(shí)單位時(shí)間熱損耗量計(jì)算，然后再按升溫時(shí)的要求核算總熱量，兩者進(jìn)行比較，取其最大者進(jìn)行功率計(jì)算。[3]（計(jì)算過程略）

經(jīng)計(jì)算加熱總功率Qh′＞Qh

則 Qmax=Qh′=160kW

設(shè)計(jì)選型采用三臺(tái)模溫機(jī)加熱模具，每臺(tái)加熱功率分為三檔，第一檔40kW、第二檔60kW、第三檔80kW，以適應(yīng)不同鋼管管徑（168mm-508mm）模具加熱的需要。模溫機(jī)采用電加熱導(dǎo)熱油循環(huán)及自動(dòng)控溫系統(tǒng)，控溫精度±1℃。

1.3 澆注模具的傾斜角度

模具的傾斜角度按照0～30°連續(xù)可調(diào)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用液壓站驅(qū)動(dòng)液壓缸完成模具的開模、合模、合模壓緊及模具的整體傾斜。模具開模圖見圖1、模具工作圖見圖2。

1.4 模具澆注口的設(shè)置

模具澆注口設(shè)置在澆注模具的下半部分，其中一個(gè)設(shè)置在距離管端最低點(diǎn)800mm的地方，另一個(gè)設(shè)置在距離管端2800mm的地方。每次澆注只使用一個(gè)，不用的澆注備用口使用特殊封頭進(jìn)行密封，鋼管長(zhǎng)度12米時(shí)使用靠近管端距離800mm的澆注口；鋼管長(zhǎng)度10米時(shí)使用距離管端2800mm的澆注口，采用流量澆注工藝曲線為爬坡曲線。澆注口內(nèi)徑65mm，澆注口具體位置見圖2。

1.5 澆注模具排氣口（冒口）的設(shè)置

模具排氣口設(shè)置在模具傾斜后最高點(diǎn)并與管端封堵外沿相切。澆注冒口直徑65mm，澆注冒口具體位置見圖3。

1.6 管端密封封堵

鋼管與模具兩端之間的空間設(shè)置管端封堵，防止復(fù)合聚氨酯彈性體（GSPU/PSPU）澆注過程中的泄漏。管端密封封堵結(jié)構(gòu)圖見圖3。

1.7 澆注模具端部盲板

為了防止模具傾斜后鋼管從模具中滑出，在模具傾斜的低點(diǎn)端部先安裝上下兩塊端板，下端板與鋼管端部之間安裝木質(zhì)楔塊塞緊。安裝圖見圖3。

2 澆注模具的制造及試驗(yàn)

圖1 模具開模工作位置圖

圖2 成型裝置澆注工作位置圖

試驗(yàn)結(jié)果：375mm直徑模具升溫時(shí)間20分鐘達(dá)到80℃，澆注時(shí)間4分鐘，澆注后模具保溫30分鐘開模，復(fù)合聚氨酯保溫層表面粗糙度Ra≤3.2μm，復(fù)合聚氨酯保溫層機(jī)械性能、保溫層性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語

圖3 澆注模具合模及管端封堵裝置安裝示意圖

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了模具內(nèi)徑375mm的模具設(shè)計(jì)和制造，并與配套的澆注生產(chǎn)線的設(shè)備共同進(jìn)行了模具的澆注試驗(yàn)。模具制造圖如圖1、圖2、圖3所示。[3]模具澆注試驗(yàn)的參數(shù)如下：

標(biāo)準(zhǔn)廠房?jī)?nèi)的環(huán)境溫度10℃；鋼管直徑219.2mm×12.5mm，保溫層厚度75mm；模具溫度70～90℃，傾斜角度10～20°；澆注速度：180～210L/min；澆注料溫度：25～35℃。

根據(jù)本文的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了復(fù)合聚氨酯彈性體保溫模具的設(shè)計(jì)和制造；在國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行了復(fù)合聚氨酯彈性體保溫管道的工業(yè)化澆注試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)保溫層機(jī)械性能、保溫性能達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，為國(guó)內(nèi)海上油田工程上應(yīng)用復(fù)合聚氨酯彈性體保溫管道制造提供了澆注模具。

［1］李清平.我國(guó)海洋深水油氣開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)[J].中國(guó)海上油氣，2006，4，18（2）.

［2］蔣曉斌.深海管道保溫材料現(xiàn)狀[J].管道技術(shù)與裝備，2010，6.

［3］胡宗武.ISBN7-111-10799-3非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.