押延寧

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

目前海底出產(chǎn)的原油一般為具有高凝、高黏、高含蠟等特點(diǎn)的原油，并且經(jīng)常伴有膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等問題，這種情況使得開采出來的原油流動(dòng)性與加工性都存在明顯問題，給后續(xù)的運(yùn)輸與生產(chǎn)加工帶來了很大困難。隨著開采出來的原油溫度持續(xù)降低，原油黏度進(jìn)一步增加，流動(dòng)性嚴(yán)重下降，另外含蠟原油也會(huì)在管道壁面上形成蠟結(jié)晶，造成管道的嚴(yán)重阻塞。此外，海底管線在進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送或啟動(dòng)時(shí)，均需要保證管道內(nèi)部流質(zhì)達(dá)到要求溫度，以避免在輸送過程中管道內(nèi)部的流質(zhì)發(fā)生凝固。因此，為了保障海底管道安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要采取保溫措施以減少管內(nèi)流質(zhì)與外界環(huán)境發(fā)生熱量交換，維持管道內(nèi)部流質(zhì)溫度[1-2]。

為探索海底混輸管道流動(dòng)保障新技術(shù)，為今后深海油田開發(fā)GSPU 濕式保溫管工程應(yīng)用進(jìn)行先導(dǎo)試驗(yàn)以積累經(jīng)驗(yàn)，2014 年5 月，康菲聯(lián)管會(huì)、研究總院、工程建設(shè)中心、海油發(fā)展管道公司召開了GSPU 濕式保溫適用性研究會(huì)，論證了GSPU 濕式保溫在蓬萊19-3 項(xiàng)目海底混輸管道上的應(yīng)用技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，確定蓬萊19-3 油田1/3/8/9 區(qū)綜合調(diào)整項(xiàng)目WHPV至RUP 混輸管線采用GSPU 濕式保溫，其節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口采用雙組分液體環(huán)氧底漆刷涂(LEP)+復(fù)合聚氨酯保溫澆注(SPU)+ 開孔聚氨酯發(fā)泡澆注(HDPUF)工藝，該條海底管線的鋪設(shè)由濱海109(BH109)船負(fù)責(zé)施工作業(yè)。本文通過對(duì)該項(xiàng)目GSPU 濕式保溫技術(shù)要求、保溫管預(yù)制、節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口、工程應(yīng)用效果等進(jìn)行重點(diǎn)介紹，為后續(xù)海底混輸管道GSPU 濕式保溫技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

GSPU 是復(fù)合聚氨酯材料的微珠填充物，在聚氨酯彈性體材料中，通過添加直徑約為10 ～120 μm的空心玻璃微珠，形成保溫復(fù)合材料，這種保溫材料的最大溫度可達(dá)到115 ℃左右[3]。聚氨酯復(fù)合涂層主要由聚氨酯彈性體和不同種類的空心微球構(gòu)成，二者具有特殊的性能，能夠使保溫層與海底管道保持整體性，同時(shí)具有保溫與防護(hù)的功能。聚氨酯復(fù)合涂層內(nèi)部的填充空心微球有不同的類型，根據(jù)空心微球的類型不同可分為有機(jī)空心聚合物復(fù)合聚氨酯涂層(PSPU)和無機(jī)空心玻璃微珠復(fù)合聚氨酯涂層(GSPU)[4-5]。

1 項(xiàng)目基本情況

蓬萊19-3 油田位于渤海海域的中南部，西北距塘沽約216 km，平均水深27 ～33 m；WHPV 至RUP混輸管線采用60.96 cm(24 英寸)單層濕式保溫管，長(zhǎng)度1.6 km，管體防腐形式為熔結(jié)環(huán)氧粉末涂敷(FBE)+玻璃微珠濕式保溫(GSPU)+ 混凝土配重(CWC)，雙組分液體為環(huán)氧底漆刷涂(LEP)+復(fù)合聚氨酯保溫澆注(SPU)+ 開孔聚氨酯發(fā)泡澆注(PUF)；濕式保溫涂層密度800 ～860 kg/m3，厚度50 mm，配重層厚度45 mm，操作壓力3 001.3 kPa，設(shè)計(jì)溫度79 ℃，設(shè)計(jì)壽命25 年，總傳熱系數(shù)不高于5 W/(m2·℃)。GSPU濕式保溫管涂層的主要構(gòu)成為鋼質(zhì)管體以及鋼管體外包裹的熔結(jié)環(huán)氧防腐層和GSPU 保溫層，并且出于防護(hù)及穩(wěn)定性要求，在GSPU 濕式保溫層設(shè)置混凝土配重層。GSPU 涂層的性能指標(biāo)如表1 所示，其中涂層密度應(yīng)滿足ASTM D792 標(biāo)準(zhǔn)，要求密度達(dá)到800 ～860 kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)滿足ASTM C518 標(biāo)準(zhǔn)，小于0.165 W/(m·K)；斷裂拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率均是GSPU 涂層的重要性能指標(biāo)，需要滿足ASTM D412 標(biāo)準(zhǔn)，要求分別大于5 MPa 和50%；GSPU 涂層的剪切強(qiáng)度應(yīng)滿足ATM D 732 標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)超過12 MPa。

表1 GSPU 涂層性能指標(biāo)

本項(xiàng)目的總體開發(fā)方案在2016 年通過專家組的審查，2016 年年底完成項(xiàng)目的基本設(shè)計(jì)；2017 年4 月完成項(xiàng)目的詳細(xì)設(shè)計(jì)，2017 年年底，GSPU 主體管線的涂層材料完成生產(chǎn)制造；2018 年4 月26 日，GSPU 濕式保溫管節(jié)點(diǎn)鋪設(shè)方案經(jīng)過專家組審核并得到認(rèn)可通過，5 月27 日，BH109 鋪管船完成鋪設(shè)。

2 GSPU 濕式保溫管預(yù)制

2.1 GSPU 濕式保溫管生產(chǎn)材料

GSPU 濕式保溫管主要是由A、B 兩種成分形成的生產(chǎn)材料，其中，A 為聚醚多元醇，B 為多異氰酸酯。在此基礎(chǔ)上，在生產(chǎn)材料中添加空心玻璃微珠，3 種材料共同復(fù)合形成最終的保溫材料，各種材料的參數(shù)如表2 ～表4 所示。

表2 聚醚多元醇組分(A 組分)參數(shù)

表3 多異氰酸酯組分(B 組分)參數(shù)

表4 中空玻璃微珠參數(shù)

2.2 主要生產(chǎn)工藝過程

GSPU 濕式保溫涂層的生產(chǎn)主要采取在線旋轉(zhuǎn)澆注方式或模制方式進(jìn)行涂敷預(yù)制。本項(xiàng)目所采用的方法為模制方式，主要生產(chǎn)過程為：將涂敷好FBE 的預(yù)熱鋼管放置在GSPU 濕式保溫涂層成型模具中，再將玻璃微珠和聚醚多元醇預(yù)混后，加入異氰酸酯，進(jìn)行混合料注入，化學(xué)反應(yīng)完成并固化后，生成GSPU濕式保溫管。

2.2.1 原材料的預(yù)處理

多異氰酸酯從料桶輸送到料罐后，若短時(shí)間中斷使用(過夜)，需在料罐內(nèi)充入氮?dú)庵脫Q出罐內(nèi)空氣以保護(hù)原料。

2.2.2 鋼管預(yù)處理

使用適當(dāng)工具(砂紙、砂帶等) 對(duì)鋼管FBE 層表面進(jìn)行毛化處理，處理后的FBE 涂層厚度應(yīng)≥510 μm，并進(jìn)行100% 漏點(diǎn)檢測(cè)，不合格者按照鋼管FBE 防腐程序進(jìn)行處理；使用全尺寸烘箱等加熱裝置對(duì)鋼管進(jìn)行預(yù)熱，鋼管表面預(yù)熱溫度應(yīng)按材料供應(yīng)商推薦溫度進(jìn)行控制。

2.2.3 模具準(zhǔn)備

在進(jìn)行涂敷之前需要對(duì)模具的內(nèi)表面進(jìn)行清潔處理，并在刷涂脫模劑后進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備：(1)模具清潔。應(yīng)使用軟布、三角鏟等對(duì)模具內(nèi)表面進(jìn)行清潔，保證模具內(nèi)表面無異物。(2)刷涂/ 噴涂脫模劑。使用滾刷或噴壺在模具內(nèi)表面刷涂/噴涂脫模劑，脫模劑應(yīng)以完整覆蓋模具內(nèi)壁為宜。(3)模具預(yù)熱。澆注前，應(yīng)對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，按材料供應(yīng)商推薦溫度進(jìn)行控制。

2.2.4 吊管入模

將預(yù)熱的模具準(zhǔn)備好后，應(yīng)將安裝好管端堵頭并預(yù)熱好的鋼管吊入成型模具，注意管端堵頭不能壓住模具的進(jìn)料口及排氣口，鋼管位置調(diào)整好后，合模鎖緊。

2.2.5 澆注

在澆注機(jī)完成準(zhǔn)備后，設(shè)定好澆注機(jī)參數(shù)，啟動(dòng)循環(huán)模式，并觀察澆注機(jī)各項(xiàng)參數(shù)是否穩(wěn)定，在滿足條件要求的前提下，啟動(dòng)澆注機(jī)。開始澆注時(shí)，調(diào)節(jié)三通閥，使材料通過澆注管進(jìn)入模具內(nèi)，直至模具排氣口有原材料冒出后停止注料。停止注料后應(yīng)立即清洗澆注機(jī)槍頭。

2.2.6 待模固化及開模

保溫層澆注完畢應(yīng)至少待模固化15 min 后方可開啟模具，使用鋼管提升設(shè)備取出保溫管，拆除管端堵頭，使用刮刀等裝置去除保溫管表面澆注口、排氣口以及模具接縫處等高于保溫層的部分。

2.2.7 保溫層表面增阻處理

為滿足CWC 混凝土配重層與GSPU 涂層間剪切強(qiáng)度≥0.2 MPa 的要求，需對(duì)保溫層表面進(jìn)行增阻處理(起脊)。GSPU 涂層表面起脊高約5 mm，寬約40 mm，間距300 mm。

3 GSPU 濕式保溫涂層生產(chǎn)過程質(zhì)量控制

GSPU 濕式保溫生產(chǎn)過程中主要質(zhì)控項(xiàng)目包括：對(duì)管體的FBE 涂層漏點(diǎn)檢測(cè)、GSPU 模具及鋼管溫度檢測(cè)、管端預(yù)留尺寸檢測(cè)、原料預(yù)混計(jì)量設(shè)備標(biāo)定、原料預(yù)混密度檢測(cè)等一系列質(zhì)量控制；成品管制成后，再進(jìn)行涂層厚度測(cè)量，以及機(jī)械性能、保溫性能等關(guān)鍵參數(shù)和硬性指標(biāo)測(cè)試，確保各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)要求。累計(jì)生產(chǎn)60.96 cm(24 英寸,φ609)GSPU 濕式保溫管125 根，GSPU 增阻涂層(每根36道) 均實(shí)現(xiàn)了模注固化一次成型。

3.1 批件產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)

對(duì)GSPU 保溫涂層性能進(jìn)行檢測(cè)，提取5 個(gè)批次(1 批次25 根)樣本進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，如表5 所示，檢測(cè)結(jié)果均滿足要求。

表5 GSPU 涂層性能指標(biāo)結(jié)果

3.2 GSPU 濕式保溫涂層質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)

3.2.1 FBE與GSPU 涂層間環(huán)形剪切試驗(yàn)

截取制作GSPU 涂層試驗(yàn)環(huán)，采用壓力試驗(yàn)機(jī)及專用壓板，進(jìn)行FBE 與GSPU 涂層間環(huán)形剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BE 涂層與GSPU 涂層間環(huán)形剪切強(qiáng)度為1.27 MPa，涂層間無相對(duì)滑移，滿足項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2.2 CWC與GSPU 涂層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)

通過國(guó)內(nèi)首創(chuàng)GSPU 環(huán)形凸起增阻工藝切件檢查，GSPU 增阻部位涂層與CWC 涂層握裹良好。剪切試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)測(cè)最大荷載855 kN(剪切強(qiáng)度S達(dá)到0.202 MPa)，GSPU 涂層與CWC 涂層未出現(xiàn)任何相對(duì)滑移，CWC 與GSPU 涂層間剪切強(qiáng)度滿足項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2.3 模擬彎曲測(cè)試

模擬海管S-Lay 鋪設(shè)彎曲，采用半徑R=91.4 m條件下的模擬彎曲試驗(yàn)，較R=200 m 的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)更為嚴(yán)格。模擬彎曲后，GSPU 涂層表面、GSPU 涂層與節(jié)點(diǎn)SPU 溫層結(jié)合處表面、節(jié)點(diǎn)SPU溫層表面均無裂紋，抗彎性能優(yōu)異，試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)格書要求。

3.2.4 模擬服役環(huán)境測(cè)試

經(jīng)模擬管道實(shí)際工況運(yùn)行后，保溫層表面均未發(fā)現(xiàn)任何裂紋、變色、變形等缺陷，并且節(jié)點(diǎn)處無開裂、進(jìn)水等現(xiàn)象；實(shí)測(cè)GSPU 濕式保溫管道(含節(jié)點(diǎn))總傳熱系數(shù)為3.61 W/(m2·K)；GSPU 濕式保溫管道(含節(jié)點(diǎn))在靜水壓不高于1 MPa 的條件下，徑向變形量不超過0.1 mm。

4 管道節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口處理

蓬萊19-3 項(xiàng)目GSPU 濕式保溫配重管的節(jié)點(diǎn)涂層采用“LEP+SPU+ 高密度開孔PUF”結(jié)構(gòu)，其主要工藝過程包括：節(jié)點(diǎn)表面噴砂清理、LEP 液態(tài)環(huán)氧底漆刷涂、GSPU 管端涂層預(yù)熱、模具準(zhǔn)備、SPU涂層材料澆注、PUF 模具準(zhǔn)備、PUF 涂層材料澆注等。

其中，對(duì)節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口采用SPU 涂層成型工藝進(jìn)行處理，節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口過程為：先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)清理與節(jié)點(diǎn)預(yù)熱，隨后對(duì)節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行模具安裝，在完成安裝的模具位置采用SPU 涂層進(jìn)行澆注，澆注結(jié)束后等待SPU 材料固化，待固化完成可將模具拆卸，完成澆注。

2018 年5 月27 日，BH109 鋪管船順利完成項(xiàng)目GSPU 管線鋪設(shè)及現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口。對(duì)于節(jié)點(diǎn)位置處的SPU 涂層要進(jìn)行PQT 試驗(yàn)，確保涂層性能滿足項(xiàng)目技術(shù)要求，如表6 所示，檢測(cè)結(jié)果均滿足要求。

表6 SPU 涂層PQT 性能指標(biāo)結(jié)果

5 結(jié)語

項(xiàng)目GSPU 濕式保溫管投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)一年后，為核實(shí)確認(rèn)GSPU 濕式保溫效果，委托設(shè)計(jì)單位根據(jù)生產(chǎn)工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該條海管進(jìn)行工藝參數(shù)校核(核算總傳熱系數(shù))，核算結(jié)果表明，蓬萊19-3 油田RUP 平臺(tái)至WHPV 平臺(tái)60.96 cm(24 英寸)混輸海管的實(shí)際總體傳熱系數(shù)平均值在0.8 ～2.95 W/(m2·℃)之間，均值為1.93 W/(m2·℃)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于海管設(shè)計(jì)選取的傳熱系數(shù)5 W/(m2·℃)，說明海管的保溫效果非常好，目前該條海管已服役運(yùn)營(yíng)3 年，運(yùn)營(yíng)良好。