20英寸雙層可纏繞式外輸軟管生產工藝分析

單學永,周 毅

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300457)

20英寸雙層可纏繞式外輸軟管生產工藝分析

單學永,周 毅

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300457)

外輸軟管是安裝在輸油終端與轉運油輪之間的重要設備，承擔著原油輸送的重任，結構復雜、技術要求高，生產制造長期被發達國家的少數幾家生產廠家所壟斷。結合外輸軟管國產化的艱辛歷程，通過分析外輸軟管的結構和材質特點，并參考國際通用的GMPHOM 2009輸油軟管標準，對20英寸可纏繞式漂浮主管生產工藝進行了詳細的分析。

外輸軟管；生產工藝；可纏繞

0 引 言

外輸軟管作為原油輸送“大動脈”，是原油外輸的基礎。外輸軟管結構復雜，技術要求高，因而其生產制造長期被發達國家的少數幾家生產商壟斷。國際油價持續低迷，使得外輸軟管國產化的重要性愈發凸顯。

外輸軟管主要有首管、二號管、主管、變徑管、尾管、舷管等幾種類型。不同類型的軟管根據自身所處位置和擔負的任務不同在結構設計方面有所區別，但是主要結構的設計方面差別不大，都具備內膠層、簾線加強層、鋼絲骨架層、外膠層等。國內橡膠廠家最早于2010年開展外輸軟管研發，取得階段性成果并發表了相關論文，例如江蘇太平橡膠股份有限公司的自浮式大口徑輸油膠管研究[1]和河北宇通特種膠管有限公司的海上輸油漂浮膠管研制。[2]本文以由國內廠家研制、渤海油田廣泛使用的20英寸(1英寸=2.54 cm)雙層可纏繞式漂浮主管為例，對該型外輸軟管的生產工藝進行詳細的分析。

1 外輸軟管結構和性能

1.1 外輸軟管結構

20英寸雙層可纏繞式漂浮主管由多層材料組合而成，不同的層有不同的功能，以確保外輸軟管具備耐油性、抗拉性、彎曲性等性能。該雙層可纏繞式漂浮主管由內膠層、加強層、鋼絲骨架層、中膠層、漂浮層和外膠層復合而成，同時在軟管兩端加裝法蘭短節等結構部件，形成完整外輸軟管結構[3]，如圖1所示。

圖1 20英寸雙層可纏繞式漂浮主管結構Fig.1 Structure of 20 inch double-carcass reeling floating main hose

1.2 外輸軟管材質和性能要求

外輸軟管的材質和性能要求分別如表1和表2所示[3]。表2中D表示軟管內部直徑。

表1 材質參數Table 1 Material parameters

2 制作前的膠料準備

根據設備型號和外輸軟管的設計方案，算出用膠量、膠片規格、鋼筋長度、簾線長度、漂浮材料用量等。在此主要介紹膠料的準備。

2.1 塑煉

塑煉的原理是通過機械力或化學力作用使橡膠的大分子鏈斷裂破壞，降低分子量，增加塑性，提高加工性能[4]。下面簡要介紹機械塑煉工藝。

表2 性能參數Table 2 Performance parameters

(1) 準備工藝：烘膠夏季24～36 h，冬季48～72 h，溫度50～70 ℃;切膠每塊10 kg左右;破膠輥溫45 ℃以下，輥距2～3 mm。

(2) 開煉機塑煉。在輥筒速度不同而產生的速度梯度作用下，膠料受到強烈的摩擦剪切和氧化裂解作用，反復多次，使橡膠分子鏈斷裂。

容量按下列經驗公式估算：

Q=KDL，

(1)

式中：Q為塑煉容量，L；K為經驗系數，取=0.006 5；D為膠輥外徑，cm；L為輥筒工作部分長度，cm。例如16英寸開煉機投料量為

Q=0.006 5×50×100.

輥距越小越好，應小于1 mm，盡可能達到0.5 mm;前輥與后輥輥速比應為1.15～1.27；輥溫對于天然橡膠(NR)為45～55 ℃，對于丁苯橡膠(SBR)為45 ℃，對于丁腈橡膠(NBR)為40 ℃以下，對于氯丁橡膠(CR)為40～45 ℃；塑煉時間每次塑煉時間在20 min以內。

(3) 密煉機塑煉。剪切作用加上高溫下劇烈的熱氧化作用，使橡膠大分子鏈斷裂，生成小分子鏈。容量填膠占密閉室有效容積的48%～62%；上頂栓壓力為0.5～0.8 MPa。

2.2 混煉

混煉就是用開煉機將塑煉膠與配合劑均勻分散。

混煉的工作原理是：先讓生膠包于前輥，兩輥筒上面應有適量的堆積膠存在，再按規定的加料順序往堆積膠處依次加入配合劑。堆積膠不斷被轉動的輥筒帶入輥距中，同時新的堆積膠又不斷形成。當生膠夾帶配合劑通過輥距時，受到剪切作用而被混合和分散[4]。

混煉過程包括包輥、吃粉、翻煉等階段。

在包輥階段，生膠呈黏彈性固體狀，緊包前輥，兩輥筒上面應有適量的堆積膠存在。

在吃粉階段，輥距4～8 mm，輥溫40～60℃，因膠種而異。投料順序為：生膠—固體軟化劑(古馬隆、松香、石蠟)—促進劑、活性劑、防焦劑、防老劑—補強填充劑如碳黑、陶土、碳酸鈣—液體軟化劑如松焦油、酯類—硫黃。

切割翻煉后，需將膠料薄通3～5遍，然后放大輥距下片冷卻。

對于橡膠加工的質量，主要檢測指標包括拉伸強度、扯斷伸長率、硬度、磨耗減量及耐老化性能。

2.3 壓延

壓延是指利用壓延機滾筒的擠壓力作用使膠料發生塑性流動和變形，將膠料制成具有一定斷面規格和一定幾何形狀的膠片，或將膠料覆蓋于紡織物表面制成具有一定斷面厚度的膠布的工藝加工過程[4]。

壓延工藝首先是膠料的熱煉與供膠。具體分三步：(1)采用低溫薄通方法粗煉，補充混煉，提高膠料的可塑性。輥距2～5 mm，輥溫40～45 ℃，薄通7～8次。(2)將粗煉后的膠料以較大輥距細煉，達到加熱軟化的目的。輥距7～10 mm，輥溫60～80 ℃，通過6～7次。(3)連續(如擦膠)與非連續(如出片)供膠。

對于紡織物(如聚酯簾布)，要進行干燥、浸膠、熱伸張處理。

膠片壓延是將混煉膠料通過專用壓延設備的若干對相對旋轉的輥筒間隙，使其受到擠壓、延展而成為一定厚度或一定形狀規格的均勻膠片；對于紡織物則涉及掛膠。

2.4 壓出

橡膠的壓出是指橡膠膠料在壓出機螺旋桿旋轉推動作用下進一步混煉并不斷壓向機頭，通過制品所需的口型連續成型的過程[4]。

3 外輸軟管成型工藝

3.1 法蘭和短節工藝處理

法蘭為標準重量，符合美國材料與試驗協會(ASTM)標準ASTM A-106 A或B，使用美國石油協會(API)標準API-5L規定的無縫或雙埋弧焊與短節進行焊接，材質選用鎮靜鋼或半鎮靜鋼材質，最大碳含量不超過0.23%(質量分數，下同)。

所有的焊接規程都符合美國機械工程師協會(ASME)標準ASME IX的要求。依照歐洲標準EN 1435對所有的焊縫進行100%的射線照片檢驗。如果射線照片顯示出相對密度為2～3，不清晰度不超過0.4 mm且敏感度為壁厚的1.5%，使用符合EN 462-1標準的線型像質計進行檢驗。

焊接到短節上的部件，如用于在加強層上固定的肋條等，都將采用等效于ASTM A-285 C規定的材料，鎮靜鋼或半靜鋼材質，最大碳含量不超過0.23%。所有的焊縫都依照ASME VIII附錄6的規定進行磁粉探傷檢驗。

終端部件與法蘭的裸露內外表面(包括法蘭表面)都使用熱浸鍍鋅(見圖2)或采購者接受的其他方法進行保護。法蘭與芯軸固定的效果如圖3所示。

涂層系統的最低要求如下。

熱浸鍍鋅規格：符合EN ISO 1461的規定。

表面準備：噴砂處理至SA 2.5級，隨后進行酸洗。

涂層：最小平均涂層重量為610 g/m2(相當于85 μm厚度)。

鋅成分：浸洗雜質，以符合EN ISO 1461規定的限定條件要求。

外觀：涂層在外觀上應無任何結節、氣泡、尖點以及未噴涂區域[3]。

圖2 法蘭及短節鍍鋅Fig.2 After galvanization flange and nipple

圖3 固定法蘭及芯軸Fig.3 Fixing the flange and the dabber

3.2 關鍵參數計算分析

3.2.1 耐壓性能計算

增強簾線層承擔自身重量和端部載荷，主要承受軟管內壓，并提高軟管抗拉強度。該層由聚酯簾線制成，單根簾線的抗拉強度為420 N/mm2。根據技術規范要求，第一層管體爆破壓力為9 500 kPa,使用12層簾線，每層有888根，簾線長度為125 500 mm，該層厚度為15 mm,完全可以滿足耐壓需求[5]。簾線性能如表3所示。

表3 增強簾線性能Table 3 Performance of reinforcing plies

可承受的爆破壓力的計算公式為

(2)

≈1 102 N/cm2=11 020 kPa>9 500 kPa,

表明耐壓性能滿足要求。

3.2.2 儲備浮力計算

當軟管(包括浮體材料和外覆層)完全浸入海水中并且充滿海水時，儲備浮力應不低于20%。儲備浮力F(%)用GH 式計算：

式中：m1為軟管完全浸入海水中時排出的海水(包括整體浮體排出的海水和管內的海水)的質量；m2為空管(包括浮體材料和所有連接零件)的質量；m3為軟管中容納的海水質量。m1=8 020 kg，m2=4 100 kg，m3=2 120 kg,故儲備浮力=29%>20%，滿足要求[3]。

3.3 軟管制造程序

軟管制造采用硬芯成型方法。這種方法采用一根鋼制的芯軸，將壓延機壓延的膠片貼在芯軸上進行成型。其特點是成型軟管內徑尺寸準確、表面光滑，膠層密封性能良好[6]。具體制造程序如下。

(1) 安裝芯軸。芯軸直徑為500 mm(20英寸)，調整其同心度，兩端誤差不超過2 mm；保持芯軸表面干凈,并涂抹上脫芯劑，便于脫芯；解開短節端部的包布，用帆布隔離芯軸與短節的縫隙，防止內膠流入短節內部。

(2) 根據施工標準給出內膠片幾何尺寸，將提前通過壓延機壓出的內膠片纏繞在芯軸上(見圖4)，減少流體對內膠片搭接處的沖刷。調整芯軸轉速；內膠片采用二分之一搭接的形式；設定內膠片纏繞張力，內膠片的整個纏繞過程帶有一定張力且一次性纏繞到位，避免纏繞到芯軸上的膠片產生褶皺、松動等缺陷。

圖4 內膠層固定Fig.4 Fixing the inner rubber layer

圖5 固定簾線角度Fig.5 Fixing the angle of reinforcing plies

(3) 根據軟管內徑大小和耐壓強度要求設定簾線纏繞角度。對于尺寸較大的軟管，簾線纏繞角度可設為54°，既不會降低軟管的耐壓強度，又能提高簾線纏繞速度。固定簾線纏繞角度(見圖5)，啟動簾線纏繞設備，調整好速度，以均勻的張力和搭接寬度沿著芯軸方向纏繞簾線(見圖6)，相隔層的簾線始終以相反方向進行纏繞。按照同樣的方法，纏繞數層簾線，并用細鋼絲固定簾線(見圖7)。

圖6 纏繞加強簾線Fig.6 Reeling the reinforcing plies

圖7 固定加強簾線層Fig.7 Fixing the reinforcing plies

(4) 纏繞鋼絲骨架層，如圖8所示。短節端部采用二氧化碳保護焊固定鋼絲頭部，注意焊接熱量不能破壞橡膠。通過控制鋼絲之間的間距和纏繞角度可以調節軟管的彎曲性能。鋼絲骨架層對軟管結構提供支撐，防止內部或者外部形變。

圖8 纏繞鋼絲骨架Fig.8 Reeling the steel helix wire

(5) 用擠出機擠出中膠，填充鋼絲骨架層的間隙，填充完畢后按照一定的壓力纏繞水包布。水包布可以防止混煉膠在硫化成型過程中產生氣泡，提高致密性，提高膠料與簾線層的附著力及耐曲繞性能，是保證膠體幾何尺寸、結構密度和物理機械性能的重要措施。

(6) 第一層管體工序完成后，纏繞水布進罐進行第一次硫化。綜合考慮橡膠的耐熱性和硫化返原現象，各種橡膠建議硫化溫度及各層膠料材質厚度如表4和表5所示。

表4 膠料硫化溫度參考值Table 4 Reference temperature for rubber vulcanization ℃

表5 膠料厚度Table 5 Rubber thickness mm

第一層管體的硫化曲線如圖9所示。利用硫化儀測出正硫化時間后，還必須考慮制品厚度的影響、膠料的導熱性及采取的硫化溫度和壓力等硫化條件[7]。適當的硫化壓力可防止膠料氣泡的產生，提高膠料的致密性；使膠料流動，充滿模型；提高附著力，改善硫化膠物理性能[7]。

圖9 第一層管體硫化曲線Fig.9 Vulcanization curve of the primary carcass

根據第一層管體膠料厚度和混煉膠料性質設定硫化條件溫度、壓力和時間。時間到后，管體出罐，解開尼龍繩及水包布。

(7) 待第一層管體溫度降至常溫時，將軟管管

體支撐于成型機上，纏繞第二層管體內膠層，重復以上步驟(2)、(3)、(5)，之后開始纏繞漂浮材料(見圖10和圖11)，在端部手工處理成圓錐形。根據漂浮軟管浮力計算公式確定采用5層漂浮材料，每層均為厚度20 mm的閉孔海綿。漂浮層為整條軟管提供浮力，使用的閉孔海綿具有良好的柔韌性，不吸水，抗形變，密度低。漂浮層用量需要綜合考慮整條軟管的重量和彎曲性能。

圖10 纏繞漂浮層Fig.10 Reeling the flotation layer

圖11 漂浮層固定Fig.11 Fixing the flotation layer

(8) 將壓延機壓出的外膠片纏繞在芯軸上。外膠片的纏繞工藝過程與內膠片完全相同，為了保證軟管的外表面的光滑和平整度，膠片的搭接寬度越小越好。外膠片纏繞完畢后再纏繞水包布，水包布的纏繞方向與外膠片保持一致，施加一定的張緊力，避免外膠片松弛或者產生位移，否則，管體氣泡難于溢出，會產生外膠層脫層等缺陷。

(9) 軟管整體進罐進行三次硫化。由于漂浮層主體材料交聯聚乙烯泡沫，它在110 ℃就會受熱熔解，構建的閉孔會塌陷，無法提供浮力,所以適當降低硫化溫度、延長硫化時間。外膠層硫化曲線如圖12所示。

圖12 外膠層硫化曲線Fig.12 Vulcanization curve of the cover

(10) 外膠層硫化完畢后，整條外輸軟管制作完成，開始測量軟管長度(見圖13)和外徑。測得軟管長度為10 700 mm,滿足設計值10 700 mm(±1%)的要求，外徑尺寸1 021 mm,滿足設計值1 000 mm(±5%)的要求。脫管芯。

圖13 管體長度測量Fig.13 Measuring the Carcass length

4 軟管檢測

按照GMPHOM 2009標準[8]的要求對外輸軟管進行檢測，看其是否滿足標準要求，檢測結果如表6所示。

表6 外輸軟管性能參數檢測結果Table 6 Test results of performance parameters of the offloading hose

5 結 語

通過對國產外輸軟管生產工藝的分析可以逐步掌握外輸軟管結構、工藝、材料等方面的技術。按照本文介紹的工藝生產的外輸軟管，各項性能指標均達到GMPHOM 2009標準要求，完全可以替代進口外輸軟管進行使用。與采用進口外輸軟管相比，改用該型外輸軟管具有以下優勢：(1) 外輸軟管采購周期由進口外輸軟管的6～8個月縮短至1～2個月；(2) 采購成本相比進口外輸軟管降低至少30%；(3) 由于采購周期的縮短，可以使備用外輸軟管庫存減少50%；(4) 可享受國內軟管廠家更為快捷的售后服務。

在國際油價持續低迷的今天，各大石油公司都采取降本增效的策略逐步推進國產石油裝備的應用。本文介紹的國產外輸軟管生產工藝為國產外輸軟管投入使用提供了新的思路。通過該研究讓國內外輸軟管用戶了解其性能特點，便于日后正確操作維護，有助于保障原油外輸順利、安全地進行。

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[8] Oil Companies International Marine Forum. Guide to manufacturing and purchasing hoses for offshore moorings (GMPHOM 2009) [S]. 2009.

ManufacturingTechniqueAnalysisof20InchDouble-CarcassReelingOffloadingHose

SHAN Xue-yong, ZHOU Yi

(CNOOCEnergyTechnology&Seruices-OilProductionServicesCo.,Tianjin300457,China)

Marine offloading hose is an important equipment which has been installed between oil production and storage unit and shuttle tanker. Marine offloading hose has a complex structure and plays a key role in oil transportation, which makes it require high technology. For a long time, a few companies from developed countries have a monopoly on this industry. We introduce the long course of marine offloading hose localization and analyze the production technology of 20 inch double-carcass reeling floating main hose through the characterization of its structure and material with the international standard GMPHOM 2009 for marine offloading hose as a reference.

marine offloading hose; production technology; reeling

2015-05-26

單學永(1970—)，碩士，高級工程師，主要從事海洋石油工程和項目管理方面的研究。

TE973

A

2095-7297(2015)03-0189-07