新型海底單層保溫配重管節點補口技術應用研究

趙 岑， 相政樂， 劉進東， 押延寧， 徐 亮， 運 濤

(1. 中海油能源發展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452; 2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引 言

海洋油氣管線長期處于冷水環境，其外層通常需要保溫，以防止輸送介質結蠟。對于淺海邊際油田輸油/混輸保溫管線，考慮到建設及運營成本，通常采用單層保溫配重管[1]。近年來，為提升單層保溫配重管的技術水平，中海油開發了聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管和配套的補口技術[2-3]，提升了整管保溫和防水密封性能。本文在上述基礎上，結合蓬萊19-3油田4區調整項目管線建設工作，對聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管的補口工藝進行優化，實現了新技術的工程應用。

1 補口結構優化設計

單層保溫配重管的結構從內到外依次為鋼管、熔結環氧粉末(FBE)防腐層、聚氨酯泡沫(PUF)保溫層、高密度聚乙烯(HDPE)外護層、混凝土配重層(CWC)。傳統單層保溫配重管保溫層預制采用“預制夾克管+PUF澆注+管端安裝防水帽”工藝，補口采用“防腐熱收縮帶+PUF澆注+防水熱收縮帶+高強開孔PUF澆注”工藝[4-5]。傳統工藝受澆注PUF密度所限，保溫管服役水深一般低于60 m，在成品管運輸、鋪設過程中，防水帽易破損，且補口工序煩瑣[6-8]，需要通過工藝革新予以解決。

中海油開發的聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管主體管采用“PUF噴涂+HDPE擠出包覆”預制工藝，噴涂PUF后，保溫性能和抗壓強度更好；管端密封一次成型，取消防水帽，解決了單層保溫管防水密封的技術瓶頸[9]。其補口為“FBE+PUF半瓦+聚氨酯彈性體澆注”結構，如圖1所示，其特點在于引入了濕式保溫材料聚氨酯彈性體，提升了防水保溫性能。

圖1 “FBE+PUF半瓦+聚氨酯彈性體澆注”補口結構Fig.1 “FBE+PUF half shell+polyurethane elastomer” field joint structure

2019年，聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管在蓬萊19-3油田4區調整項目中首次進行工程應用。考慮到補口FBE噴涂和聚氨酯彈性體澆注均需要大型設備，而項目鋪管船作業空間有限，僅能提供兩個施工站點，因此對上述補口結構進行以下優化設計： 防腐采用熱收縮帶，外層澆注聚氨酯彈性體至與管端配重層平齊，內部不安裝PUF半瓦，如圖2所示。優化后的結構綜合考慮了補口防腐、防水、保溫和施工效率等因素，采用手工安裝熱收縮帶代替FBE噴涂，更便于在鋪管船的狹小空間內施工；外部通過模具澆注聚氨酯彈性體一次成型，整體工藝更為簡單。

圖2 “熱收縮帶+聚氨酯彈性體澆注”補口結構Fig.2 “Heat shrinkable sleeve+polyurethane elastomer” field joint structure

2 補口工藝評定試驗

2.1 管線涂敷工藝技術參數

蓬萊19-3油田4區調整項目包括一條長約為2.3 km的單層保溫配重管線，聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管及配套補口新技術在該條管線首次應用，其技術參數如表1所示。

表1 管線技術參數

2.2 補口工藝評定

根據項目鋪管船濱海109的作業線情況，設計的兩站式補口工藝流程如下：

1) 防腐站

首先清理補口區域污染物，并預熱補口表面，然后采用封閉循環回收式噴砂機進行噴砂除銹，除銹等級為Sa2.5，錨紋深度為50～100 μm。

對管端HDPE層表面進行預熱，然后在補口位置安裝熱收縮帶，其與管端HDPE層搭接寬度均大于50 mm。

2) 澆注站

使用打包帶將鐵皮模具安裝在補口位置，模具上部預留澆注、排氣口。采用低壓澆注機進行雙組分聚氨酯彈性體原料澆注。澆注完成后，待聚氨酯彈性體帶模固化一段時間后脫模。

依據上述工藝流程，在陸地開展補口工藝評定試驗(PQT)，制備的試驗管如圖3所示。

圖3 補口PQT試驗管Fig.3 PQT pipe of field joint coating

2.3 補口性能評價

為評價新型補口結構的性能和對管線鋪設、服役工況的適應性，對工藝評定試驗(procedure qualification trial, PQT)試驗管進行了一系列性能試驗。

1) 聚氨酯彈性體的性能評價

聚氨酯彈性體的性能影響著補口的防水保溫性能，在性試驗中，檢測其強度、吸水率和導熱系數等指標，結果如表2所示。

表2 聚氨酯彈性體性能檢驗結果

結果顯示，聚氨酯彈性體抗拉、抗壓強度均較高，完全滿足項目管線鋪設及服役要求；吸水率<3%，且完全填充補口位置，能夠保證防水密封性能。由于聚氨酯彈性體的導熱系數高于傳統補口結構中的PUF保溫層的導熱系數，評估對整條管線保溫性能的影響如下文所述。

采用多層圓筒壁結構計算聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管及新型節點補口的保溫效率，過程中忽略鋼管和防腐層的保溫效果。主體管的熱損失為

(1)

補口的熱損失為

(2)

在式(1)和式(2)中，Qs為主體管熱損失，W/m2；Qf為補口熱損失，W/m2；T1為防腐層外壁溫度，K；T2為海水溫度，K；λ1為PUF層導熱系數，W/m·K；λ2為HDPE層導熱系數，W/m·K；λ3為CWC層導熱系數，W/m·K；λ4為聚氨酯彈性體導熱系數，W/m·K；d0為防腐層外徑，m；d1為PUF層外徑，m；d2為HDPE層外徑，m；d3為CWC層外徑，m；α為管外壁至海水的放熱系數，W/m2·K。

根據文獻[16]及試驗結果，λ1取0.035 W/m·K，λ2取0.42 W/m·K，λ3取2.5 W/m·K，λ4取0.17 W/m·K，α取200 W/m2·K；按照表1的管線技術參數，求出d0、d1、d2、d3的值。經簡化計算可得Qf/Qs=1.9，即補口位置熱損失約為主體管的1.9倍，折合整條管線熱損失增加約6.6%，但這部分損失可由噴涂PUF工藝帶來的主體管保溫性能提升來完全彌補。

2)補口整體的性能評價

項目采用S形鋪管法，鋪設施工時，管道首先經過托管架，然后自由懸垂至海底[17]經歷一次往復彎曲作用，此外涌浪沖擊也會造成管道往復彎曲。經與鋪管方溝通，鋪設過程中管線最小彎曲半徑為250 m。為模擬鋪設工況，對PQT試驗管進行四點彎曲試驗： 將試驗管兩端通過銷軸固定于彎曲試驗機上，中部兩點夾持固定并與氣缸相連，通過氣缸的上下頂升，進行8個周期的往復彎曲，彎曲半徑為200 m，嚴于實際工況，如圖4所示。

圖4 四點彎曲試驗Fig.4 Four point bending test

圖5 涂層結構完好Fig.5 Coating in good condition

試驗完成后，檢查試驗管管體、管端密封和補口結構，發現均完好，未出現破損、開裂的情況，如圖5所示。為考察補口結構經彎曲后的防水密封性能，截取長度約3.5 m的補口管段，在外壓為0.3 MPa，管內通79℃(項目管線最高服役溫度)熱介質的條件下，開展7天靜水壓密封試驗。結果顯示，管體和補口結構完整、外觀完好。經破壞性檢查后發現，管體PUF層干燥無水，補口區域的HDPE及熱收縮帶也無水進入，分別如圖6和圖7所示。

圖6 PUF干燥無水Fig.6 No water in PUF

圖7 補口干燥無水Fig.7 No water in field joint

從上述試驗結果看，新型補口結構綜合性能良好，符合結構優化時兼顧防水、保溫及抗壓性能的思路，完全滿足項目管線鋪設與服役的要求。

3 補口技術工程應用

2019年10月，濱海109船赴蓬萊海域進行項目聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管現場鋪設(見圖8)，共完成180余道補口。現場采用兩站式補口作業，考慮到首次應用新工藝，適當延長了聚氨酯彈性體帶模固化時間。脫模后測試聚氨酯彈性體表面溫度約為80℃，D型邵氏硬度大于20。補口能夠順利通過托輪和托管架，未因擠壓而出現破損、變形。從應用情況來看，新型海底單層保溫配重管及補口結構完全滿足海管現場鋪設的要求。

圖8 管線鋪設下海Fig.8 Submarine pipeline laying

4 結 語

本文針對聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管，優化設計了“熱收縮帶+聚氨酯彈性體”補口結構。從PQT試驗和工程應用效果來看，該結構具備良好的防水密封性和保溫性能，適用于現場補口施工。近年來，隨著聚氨酯硬泡噴涂保溫配重管在國內海上油氣田建設領域逐步開展工程應用，該補口結構具有較好的推廣前景。