焦振峰 楊加棟 王洪洲 趙 利 胡建飛

(1.海油發(fā)展珠海管道工程有限公司 廣東珠海 519050)

(2.中海油能源發(fā)展清潔能源管道技術(shù)分公司 天津 300452)

海底管道尤其是海洋平臺立管、水下井口管匯及跨接管等受到海洋洋流的影響，會出現(xiàn)海流渦激振動(VIV)。而減少海流渦激振動的方式之一是在海底管道外部安裝渦激振動抑制裝置，常用的渦激振動抑制裝置為螺旋列板。螺旋列板可改變沿管縱向的海流分離角，從而擾亂旋渦的空間關(guān)聯(lián)性，使旋渦分散，進(jìn)而削弱旋渦的強(qiáng)度，降低升力[1]。它提高了水下導(dǎo)流效率，可避免海洋平臺立管服役期間疲勞失效。聚醚型聚氨酯彈性體具有較強(qiáng)的耐海水、耐磨、耐撕裂、耐沖擊和高回彈等特性，是制造螺旋列板的優(yōu)良材料[2]。

聚氨酯螺旋列板制品通常由聚氧化丙烯多元醇、擴(kuò)鏈劑等原料配制的P料和改性多異氰酸酯(I料)聚合而成。根據(jù)水深的變化和項(xiàng)目要求，P料中可用部分聚四氫呋喃二醇替代聚氧化丙烯多元醇。P料和I料通過澆注機(jī)混合、澆注、高溫模具成型，最后經(jīng)過高溫后熟化、常溫后熟化及檢驗(yàn)等工序，最終完成VIV抑制聚氨酯螺旋列板的生產(chǎn)。

聚氨酯螺旋列板常見的澆注缺陷，包括但不限于產(chǎn)品外觀缺陷(輪廓問題、制品氣孔內(nèi)嵌和局部裂紋等)、尺寸缺陷、硬度缺陷、拉伸強(qiáng)度不合格及脆化易撕裂等。

本研究根據(jù)作者經(jīng)驗(yàn)，介紹VIV抑制聚氨酯螺旋列板現(xiàn)場澆注生產(chǎn)中的常見缺陷及解決方法，為聚氨酯螺旋列板現(xiàn)場生產(chǎn)提供工藝和質(zhì)量保障。

1 VIV抑制聚氨酯螺旋列板產(chǎn)品性能

因?qū)嶋H使用中海底管道鋪設(shè)傳動時(shí)，由于滾輪導(dǎo)管架撞擊和摩擦等因素，高性能VIV抑制螺旋列板產(chǎn)品需要較好的機(jī)械性能。實(shí)測的VIV抑制聚氨酯螺旋列板主要的產(chǎn)品性能指標(biāo)見表1。

表1 高性能VIV抑制螺旋列板產(chǎn)品性能指標(biāo)

由表1可知，VIV抑制聚氨酯螺旋列板實(shí)測性能滿足作為高性能VIV抑制螺旋列板的各項(xiàng)要求。

2 料比和預(yù)熱溫度導(dǎo)致的產(chǎn)品缺陷和解決方法

原料配比是影響海底管道VIV抑制聚氨酯螺旋列板產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素，雖然雙組分聚氨酯組合料廠家會提供原料配比說明，但在實(shí)際生產(chǎn)及工藝適用性試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)，不同廠家、不同原料體系及不同生產(chǎn)批次組合料的固化反應(yīng)行為和澆注固化效果都略有不同。因配比不當(dāng)導(dǎo)致的聚氨酯螺旋列板硬度低、易撕裂等缺陷屢見不鮮，應(yīng)不定期進(jìn)行現(xiàn)場定量配比小試。比較簡單的方法是將少量的P料和I料在透明杯子中混合，待凝膠及固化后，用木棍或鐵絲戳搗，簡單觀察凝膠和固化效果，不同固化時(shí)間硬度與料比數(shù)據(jù)匹配，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況對料比進(jìn)行微調(diào)。這種小試、原料配比應(yīng)用和現(xiàn)場澆注微調(diào)匹配的方法，是配比系統(tǒng)調(diào)整完善的3個步驟。

P料和I料的預(yù)熱溫度也是一個重要參數(shù)，一般設(shè)定在30～60℃之間。需注意因聚四氫呋喃二醇體系P料低溫下可能出現(xiàn)局部結(jié)晶現(xiàn)象，最終會影響澆注體系均勻性及產(chǎn)品品質(zhì)，所以P料的預(yù)熱溫度應(yīng)控制在40℃以上。為保證P料和I料的混合效果，防止較高溫度下因凝膠快而來不及操作，澆注時(shí)采用接近下限的低料溫以保證充足的混合時(shí)間。但低料溫顯然不利于進(jìn)行澆注成型的化學(xué)反應(yīng)，所以預(yù)熱溫度的最佳臨界點(diǎn)需要現(xiàn)場不斷摸索。若是手工多次間歇澆注，混合料加入模具后應(yīng)盡快開始化學(xué)反應(yīng)，待材料凝膠有一定強(qiáng)度后立即將模具移動至烘箱中，避免模具溫度下降太快引起反應(yīng)速度、制品均一性偏差。手工間歇澆注推薦采用低料溫混合、高模溫反應(yīng)、長固化時(shí)間的生產(chǎn)工藝。

3 凝膠強(qiáng)度導(dǎo)致產(chǎn)品局部開裂缺陷及解決方法

為了方便澆注及排氣，一般在模具上方設(shè)置澆注口。VIV抑制聚氨酯螺旋列板采用間歇多次的澆注方法制備。澆注過程中，不透明模具內(nèi)凝膠效果和可移動強(qiáng)度不容易掌控，若移動過早，極易導(dǎo)致產(chǎn)品定位槽、鰭部位置局部開裂；停留時(shí)間過長，模具溫度驟降，不利于材料反應(yīng)和固化進(jìn)行。因固化反應(yīng)過程中反應(yīng)熱傳遞到模具，現(xiàn)場澆注時(shí)可通過模具溫度變化來預(yù)判凝膠效果和可移動時(shí)間。模具溫度-時(shí)間曲線見圖1。

由圖1可知，當(dāng)模具從烘箱中取出，隨著模具在空氣中暴露時(shí)間的增加，溫度開始下降；當(dāng)澆注開始時(shí)，由于反應(yīng)為放熱反應(yīng)，熱量傳遞到模具，模具溫度也逐漸升高；當(dāng)澆注完成后，因凝膠固化過程還未完結(jié)，溫度會持續(xù)升高一段時(shí)間；當(dāng)聚氨酯彈性體凝膠基本完成時(shí)，溫度再次開始下降，之后再移動模具，是保證制品不開裂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。將其與澆注口處制品是否不粘的簡單判斷相結(jié)合，效果更佳。

圖1 澆注模具時(shí)間溫度曲線

另一個容易被現(xiàn)場忽視的情況是到規(guī)定的凝膠時(shí)間后，制品是否達(dá)到可移動的強(qiáng)度。一般情況下應(yīng)在凝膠完成后繼續(xù)固化1～2 min，確保制品強(qiáng)度可滿足移動要求。

產(chǎn)品局部開裂非常容易發(fā)生在定位槽、鰭部和異形等局部應(yīng)力較大的位置，解決辦法就是溫度和時(shí)間的合理匹配。

4 固化、后熟化的缺陷及解決方法

VIV抑制聚氨酯螺旋列板產(chǎn)品澆注工藝主要包括固化、高溫后熟化和常溫后熟化3個主要階段[3]。

VIV抑制聚氨酯螺旋列板成型固化的參數(shù)取決于原料種類和殼鰭厚度。產(chǎn)品脫模時(shí)間的掌控要注意保證產(chǎn)品長久不變形，并具有一定的回彈性。對于有異形、突出、收縮或厚度不均一的產(chǎn)品，因產(chǎn)品局部應(yīng)力較大，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，需提高固化溫度和延長固化時(shí)間。但若為提高生產(chǎn)效率單純地提高固化溫度、縮短固化脫模時(shí)間，也可能造成制品動態(tài)力學(xué)性能下降。一般情況下，控制固化溫度60～100℃、固化時(shí)間45～60 min為宜。另外，使用紅外測溫儀對模具直接測溫操作若不夠規(guī)范，會因?yàn)榻饘倌＞弑砻骖伾?、狀態(tài)引起反射偏差，導(dǎo)致測溫不準(zhǔn)確，這也是常見的固化溫度超高的原因之一。某些原料的體系若固化溫度超高，固化過程發(fā)生熱分解，會導(dǎo)致產(chǎn)品脆裂、易撕裂?？墒褂脤Ｓ玫慕佑|式測溫儀取代通用的紅外測溫儀進(jìn)行測溫，確保溫度準(zhǔn)確性。

制品在模具中固化后，經(jīng)驗(yàn)豐富的現(xiàn)場負(fù)責(zé)人可以通過對修邊余料進(jìn)行非標(biāo)撕扯和180°折疊難易程度，來判斷此時(shí)聚氨酯螺旋列板制品的大致力學(xué)性能，進(jìn)而通過調(diào)整固化溫度來縮短固化時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。但這樣操作也埋下了隱患，若修邊取樣余料未進(jìn)行高溫后熟化和常溫后熟化就進(jìn)行非標(biāo)撕扯和180°折疊，會增加制品脆裂、撕裂風(fēng)險(xiǎn)。解決隱患的方法是對修邊待檢余料也進(jìn)行高溫后熟化、常溫后熟化，再直接進(jìn)行非標(biāo)撕扯和180°折疊檢測，上述僅僅作為澆注過程經(jīng)驗(yàn)判定。

除制品本身的強(qiáng)度缺陷外，高溫后熟化和常溫后熟化時(shí)間的不足也是制品拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率不合格的原因之一。高溫后熟化一般在80～100℃、12 h以上，充足的高溫后熟化時(shí)間可減小不同批次澆注、固化產(chǎn)生的差異。而常溫后熟化時(shí)間以超過3 d，甚至1周為佳，在達(dá)到規(guī)定常溫后熟化時(shí)間后，制品物理結(jié)構(gòu)和特性才能達(dá)到最佳狀態(tài)。要注意用于成品檢測的樣品也要經(jīng)歷完整的高溫后熟化、常溫后熟化過程。

5 結(jié)語

聚氨酯澆注彈性體具有優(yōu)異的耐海水、耐磨、耐沖擊和高回彈性能，可用于生產(chǎn)海洋管線VIV抑制螺旋列板，避免服役期海底管道疲勞失效。

VIV抑制聚氨酯螺旋列板的產(chǎn)品質(zhì)量與現(xiàn)場澆注工藝密切相關(guān)，不同批次原料配比、預(yù)混反應(yīng)溫度、凝膠強(qiáng)度、模具移動、固化、后熟化工藝的設(shè)置不當(dāng)均可能造成制品撕裂、脆化、局部開裂、強(qiáng)度不合格及外觀缺陷?？茖W(xué)、嚴(yán)格的澆注工藝和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，是提高聚氨酯澆注彈性體質(zhì)量的關(guān)鍵。

(1)原料配比應(yīng)嚴(yán)格按原料說明執(zhí)行，現(xiàn)場應(yīng)不定期進(jìn)行定量小試，并以小試結(jié)果指導(dǎo)澆注生產(chǎn)。

(2)原料預(yù)熱溫度的最佳臨界點(diǎn)需要現(xiàn)場不斷摸索，手工間歇澆注推薦低料溫混合、高模溫反應(yīng)及長固化時(shí)間的生產(chǎn)工藝。

(3)通過澆注模具的溫度時(shí)間曲線，在固化過程中，對凝膠強(qiáng)度和可移動時(shí)間進(jìn)行預(yù)判，解決VIV抑制聚氨酯螺旋列板局部應(yīng)力開裂難題。

(4)高溫后熟化、常溫后熟化工藝對成品性能影響十分重要。生產(chǎn)工藝評定測試片、修邊余料測試樣條也需進(jìn)行高溫和常溫后熟化，完成后再進(jìn)行拉伸、斷裂、撕裂等性能檢測。

隨著海洋油氣開采的深度增加和設(shè)計(jì)壽命增長，服役期間可能更多的海洋微生物附著在螺旋列板上，會降低渦激振動的抑制效率[4]?？赏ㄟ^在螺旋列板表面噴涂或刷涂防微生物涂層來解決，防微生物涂層的附著力和耐海水浸泡脫落效果，是VIV抑制聚氨酯螺旋列板重點(diǎn)關(guān)注的方向之一。