海底管道配重層補口結構研究

蔣林林，韓文禮，2，張紅磊，2，張彥軍，2

1.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

2.CNPC 石油管工程重點實驗室—涂層材料與保溫結構研究室，天津 300451

海底管道鋪設工程大都采用高密度開孔聚氨酯對混凝土配重層接口進行填充[1-4]。在單層海底管道施工中，當海底管道的管徑較大、配重層的厚度較大時，填充的開孔聚氨酯泡沫的熟化上強度時間較長，影響海上施工效率，增加施工成本。Q/SY 17321—2014[5]規定高密度開孔聚氨酯泡沫的抗壓強度不小于1.76 MPa。海底管道鋪設施工不可能給現場填充的高密度開孔聚氨酯泡沫提供室內試驗樣品的處理條件，填充部位通過滾輪下水時，高密度開孔聚氨酯泡沫的抗壓強度可能達不到不小于1.76 MPa 的要求。在深港海底管道施工中發現，配重層補口填充工位需要的停留時間不小于30 min，是制約施工效率的主要環節之一。為保證海底管道混凝土接頭部位可以順利通過輥輪，提高施工效率，本文從影響開孔聚氨酯泡沫熟化時間的因素出發，研究了不同配重層補口填充結構、不同施工工藝、不同熟化時間對補口填充結構抗壓性能的影響，采用不同的補口填充結構配合施工工藝可有效縮短泡沫熟化時間，提高施工效率。該項研究成果目前已獲得國家授權發明專利，專利號分別為ZL 201510028184.7[6]和 ZL 201510556779.X[7]。

1 泡沫熟化時間影響因素分析

聚氨酯泡沫由異氰酸酯與組合聚醚反應生成：

該反應是一個放熱反應。從化學反應的角度來講，反應物的濃度、反應的溫度、催化劑是影響化學反應速率的主要因素[9]。提高化學反應速率，可以縮短反應時間，減少聚氨酯泡沫塑料熟化時間，快速提高泡沫強度。采用催化劑或是調整反應物的參數可以提高反應速率。但該反應是一個放熱反應，反應速率提高，反應熱增加，溫度的升高會進一步提高反應速率，產生大量的熱量，不利于反應的正向進行。當管徑較大、配重層厚度較大時，填充所需的聚氨酯泡沫的量就會增加，反應物的質量越大，產生的熱量就越大，而填充厚度大不利于散熱降溫，加之防腐補口作業導致的管體高溫，多方面的作用導致整個反應程度低，泡沫熟化時間長，強度增加速率緩慢。減少反應物的質量、強化散熱降溫有助于反應的進一步進行。

從以上分析可知單從調節原料參數加快反應速率出發，在填充工況不變的情況下很難縮短聚氨酯泡沫的熟化時間，使其強度在短時間內快速提高。

2 補口填充結構設計

從泡沫熟化時間影響因素分析可知，散熱是影響高密度開孔聚氨酯泡沫強度提高的主要因素，從化學反應的角度來講，減少反應物的質量可減少反應的生成熱，熱量減少，散熱相對就快，高密度開孔聚氨酯泡沫強度提高的速率就快；從現場補口填充的工況來講，采取適當的降溫措施，如水噴淋降溫、風機強制對流降溫等，可有效加快散熱，快速提高高密度開孔聚氨酯泡沫的強度。基于以上兩方面的分析，設計了以下研究思路：

（1） 高密度開孔聚氨酯泡沫注料填充。深港海底管道配重層補口填充采用此種方式，本設計中采用高密度開孔聚氨酯泡沫注料填充時，施工工藝采用水噴淋降溫，在反應物質量不變的情況下，通過改變施工工藝來加速反應生成熱散失，達到降低聚氨酯泡沫溫度，提高聚氨酯泡沫強度的目的。

（2） 高密度開孔聚氨酯泡沫瓦塊 + 注料填充。該種結構從減少現場補口填充反應物的角度出發，采用預先預制好的高密度開孔聚氨酯泡沫瓦塊來減少現場補口泡沫料的填充空間，達到減少反應物質量，進而減少反應生成熱量的目的。

3 性能測試

3.1 試驗裝置

試驗裝置示意如圖1 所示，包括QYL 8 t 千斤頂、上海天賀自動化儀表有限公司的MIC-1BS4-A多通道數字顯示控制儀、LCS-C2B-5t 應變式負荷傳感器、模擬滾輪頂具（外徑325 mm、弦長180 mm、長500 mm、厚7 mm 的鋼管片，下端焊接鋼板進行加固）。

圖1 試驗裝置示意

3.2 試驗條件

試驗原料為天津愛德化工有限公司的高密度開孔聚氨酯泡沫料（型號AD-200K），起發時間：36 ～40 s，凝膠時間：110 ～120 s，不粘手時間：140 ～150 s，填充量：30 ～35 kg（黑料：異氰酸酯，白料：組合聚醚）。

試驗管段管徑813 mm，長1.8 m，模擬配重層厚度80 mm，填充長度800 mm。

發泡機注料速率：2.1 ～2.3 kg/s。

環境溫度：20.4 ℃。

原料溫度：黑料25 ℃、白料28 ℃。

冷卻水溫度：18 ℃。

冷卻水流量：30 ～35 L/min。

3.3 試驗步驟

（1） 將試驗管段固定到測試支架上。

（2） 模擬海底管道配重層補口填充工況，對試驗管段進行配重層補口填充。

（3） 采用千斤頂和測力裝置測試不同補口結構、不同施工工藝時補口填充部位的抗壓性能。

3.4 試驗內容

模擬海底管道配重層補口填充施工，補口填充工位停留時間為30 min。對3 種不同的補口結構形式（見表1） 進行不同時間（從開始補口計時）、不同施工工藝時的抗壓性能測試。

（1） 對于BK1 補口結構，從安裝鍍鋅鐵皮進行補口開始計時，測試13、17、21、30 min 時補口填充結構的抗壓性能；另外采用冷卻水噴淋工藝，測試不同噴淋時間對其抗壓性能的影響，即從補口開始計時到17 min 時，測試噴淋5、7、10 min時的抗壓性能。

表1 配重層補口填充結構形式

（2） 對于BK2 補口結構，從安裝鍍鋅鐵皮進行補口開始計時，測試13、17、21 min 時的抗壓性能。

（3） 對于BK3 補口結構，高密度開孔聚氨酯瓦塊安裝在補口區域下表面，填充的高密度開孔聚氨酯泡沫起輔助固定作用，僅觀察其填充效果。

4 數據分析與討論

采用千斤頂和測力裝置對補口填充部位進行加載試驗的過程中，數控儀表記錄了加載時間和載荷大小，包覆在測力裝置表面的復寫紙和白紙記錄了接觸面積。通過數控表記錄的載荷和復寫紙記錄的接觸面積，大概估算得到補口結構的抗壓強度。

4.1 BK1補口填充結構的抗壓性能

BK1 補口填充結構在補口開始計時不同時間不同測試位置的抗壓強度見表2。

表2 BK1 補口結構不同時間不同測試位置的抗壓強度

從表2 數據可以看出，隨著時間的延長，泡沫熟化時間延長，BK1 補口結構的抗壓強度逐漸增大。從測試結果來看，補口填充部位在補口開始計時到13 min 時，補口部位的抗壓強度均值為0.22 MPa；計時到17 min 時，補口部位的抗壓強度均值為0.25 MPa；計時到21 min 時，補口部位的抗壓強度均值為0.26 MPa，計時到30 min 時，補口部位的抗壓強度均值為0.28 MPa。近似認為高密度開孔聚氨酯泡沫配重層填充部位順利通過輥輪需要的抗壓強度為0.28 MPa。

BK1 補口填充結構采用冷卻水噴淋不同時間，在補口開始計時到17 min 時的抗壓強度見表3。

表3 BK1 補口結構冷卻水噴淋不同時間不同測試位置的抗壓強度

從表3 數據可以看出：噴淋5 min 時的補口結構抗壓強度均值為0.34 MPa，噴淋7 min 時的抗壓強度均值為0.43 MPa，噴淋10 min 時的抗壓強度均值為0.32 MPa。噴淋10 min 時的抗壓強度小于噴淋5 min 和7 min 時的抗壓強度是由于水壓波動的影響。隨著噴淋時間的增長，不同測點的抗壓強度也存在差異，這與補口填充空間聚氨酯泡沫反應的程度、噴淋的均勻性有關。與未采用噴淋水冷卻工藝的同種結構相比采用噴淋水冷卻工藝之后整體抗壓強度變大。

4.2 BK2補口填充結構的抗壓性能

BK2 補口填充結構在補口開始計時不同時間不同測試位置的抗壓強度見表4。

表4 BK2 補口結構不同時間不同測試位置的抗壓強度

從表4 數據可以看出，隨著時間的延長，泡沫熟化時間延長，BK2 補口結構的抗壓強度逐漸增大。從測試結果來看，補口填充部位在補口開始計時到13 min 時，補口部位的抗壓強度均值為0.28 MPa；到17 min 時，補口部位的抗壓強度為0.32 MPa；到21 min 時，補口部位的抗壓強度均值為0.37 MPa。在補口開始計時經相同時間，BK2補口填充結構的抗壓性能均大于BK1 補口填充結構的抗壓性能，可見，減少聚氨酯泡沫原料的質量可以有效縮短聚氨酯泡沫的熟化時間，加速聚氨酯泡沫強度的提高。BK2 補口結構開始計時到13 min時的抗壓性能已經達到BK1 補口結構到30 min 的抗壓性能。但與采用噴淋設施的BK1 補口結構抗壓強度相比，BK2 補口填充結構抗壓強度略小。

4.3 BK3補口填充結構的抗壓性能

BK3 補口結構，高密度開孔聚氨酯注料填充情況良好，可以起到固定高密度開孔聚氨酯泡沫瓦塊的作用。半周80 mm 厚高密度開孔聚氨酯泡沫瓦塊為預制結構，抗壓強度符合Q/SY 17321—2014 規定，不小于1.76 MPa，安裝于補口位置下表面，可使補口結構順利通過輥輪。該結構可以忽略現場澆注聚氨酯泡沫強度對海底管道施工的影響，提高施工效率。

5 結論

BK1 補口填充結構結合冷卻水噴淋工藝對泡沫強度的提高效果優于未采用冷卻水噴淋工藝的同種結構以及BK2 補口填充結構。

BK2 補口填充結構從補口開始計時到13 min時的抗壓性能達到BK1 補口填充結構到30 min 時的抗壓強度。

BK3 補口填充結構可以忽略現場澆注聚氨酯泡沫強度對鋪管施工的影響，提高施工效率。

綜上所述，三種補口填充結構結合相應的施工工藝，達到深港海底管道配重層補口填充結構要求的抗壓性能所需的時間均大幅減少，減少配重層填充工位用時，可以提高海上施工效率。