海底雙層保溫管預(yù)制用脫模材料比選

王洪洲(海油發(fā)展珠海管道工程有限公司，廣東 珠海 519050)

0 引言

國內(nèi)海底輸油或混輸管道因其所處的特殊環(huán)境對管道的保溫性能要求嚴(yán)格。鋼套鋼結(jié)構(gòu)保溫管是目前應(yīng)用比較成熟的結(jié)構(gòu)，這種海底管道結(jié)構(gòu)其優(yōu)點(diǎn)是防護(hù)可靠性高，有效地減少內(nèi)管熱變形，并可以省去混凝土加重層，且該結(jié)構(gòu)的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)低，保溫性能好[1]。聚氨酯保溫層的成型方法為模具澆注，是一種空腔內(nèi)澆注硬質(zhì)聚氨酯泡沫原料液體的方法。海底管道的保溫不能簡單地將內(nèi)外管充當(dāng)模具，一旦海管內(nèi)外填充密實(shí)，將會影響后續(xù)的海上鋪設(shè)施工，內(nèi)管和外管留有一部分余量，便于管道焊接前對口錯(cuò)位移動等工作開展。因此，海底管道的雙層保溫管的工廠預(yù)制是必須在模具中完成的。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料是用聚醚或聚酯與多異氰酸酯為主要原料，加入發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑等，經(jīng)混合攪拌、化學(xué)反應(yīng)而形成的一種微孔發(fā)泡體。聚氨酯保溫發(fā)泡采用鋼質(zhì)模具灌注成型，灌注設(shè)備為高壓發(fā)泡機(jī)，鋼質(zhì)模具與外管尺寸一致，兩個(gè)半圓形狀，通過鉸鏈聯(lián)接，采用上下開合的結(jié)構(gòu)。

聚氨酯與其它材料具有優(yōu)異的粘結(jié)性能，這種性質(zhì)在泡沫體模塑中是不利的。聚氨酯泡沫成型模具在生產(chǎn)過程中，為防止聚氨酯泡沫粘附于模腔內(nèi)表面，損傷保溫層，通常在模具內(nèi)表面需要刷涂或噴涂脫模劑。這樣可以延長模具壽命，同時(shí)使產(chǎn)品表面光滑、尺寸合格、減少廢品。

1 保溫管脫模原理

聚氨酯和模具內(nèi)表面的粘結(jié)力來源于兩個(gè)方面：其一，模具的表面通常會被一層很薄的水膜所覆蓋，這層水膜與異氰酸酯反應(yīng)后產(chǎn)生強(qiáng)力的粘合性；其二，粘合是由模具內(nèi)表層的極性基團(tuán)與聚氨酯的極性基團(tuán)起反應(yīng)而產(chǎn)生的化學(xué)鍵所致。

脫模劑的隔離性取決于其表面性質(zhì)，而表面不濕潤性物質(zhì)的物性值是根據(jù)其臨界表面張力的概念得出的。根據(jù)脫模劑潤濕性能，臨界表面張力小的物質(zhì)作脫模劑，是隔離性最好的脫模劑[2]。用于保溫管制品的脫模劑最常用的有油脂系的鈣基潤滑脂(俗稱黃油)和有機(jī)氟化物兩類。

2 傳統(tǒng)保溫管脫模技術(shù)

傳統(tǒng)的保溫管脫模多采用鈣基潤滑脂，屬油脂系脫模劑，屬于經(jīng)常涂敷型，即每成型之前涂覆一次，它的遷移率較大。它使用溫度不易超過60 ℃，聚氨酯發(fā)泡反應(yīng)為放熱反應(yīng)，瞬時(shí)溫度較高，潤滑脂容易變軟流淌，導(dǎo)致脫模劑分布不均，無法有效地實(shí)現(xiàn)潤滑和脫模的作用，造成產(chǎn)品一次合格率低。

鈣基潤滑脂在使用前需要用有機(jī)溶劑稀釋，通常選擇柴油。使用時(shí)會污染周圍作業(yè)環(huán)境，影響保溫管外觀。同時(shí)在穿管完成后，管端黃油殘留過多，可能會影響現(xiàn)場的焊接或者其他作業(yè)。鈣基潤滑脂消耗大，根據(jù)某項(xiàng)目數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，內(nèi)徑為Φ406.4 mm、長度為12 m的鋼管、40 mm厚保溫層，每班生產(chǎn)45根，消耗175 kg鈣基潤滑脂，同時(shí)需要兌上40 L柴油。每次脫模劑涂抹的時(shí)間約3～4 min，影響下一根鋼管的生產(chǎn)速度。黃油涂抹的人工投入量大，每次需要6人完成。

3 氟系脫模劑試驗(yàn)研究

氟系脫模劑包括全氟烷基化合物，又分為溶劑型和水劑型及噴霧型；全氟烷基丙烯酸酯；氟樹酯粉末(低分子量PTFE)；氟樹脂涂覆膜(PTFE, FEP, PFA)。試驗(yàn)選擇一種型號為PTFE2040的脫模劑。其化學(xué)成分：庚烷0%～4%；烴類溶劑85%～90%；有機(jī)樹酯聚合物7%～9%，物理和化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 PTFE2040型脫模劑物理化學(xué)性質(zhì)

為驗(yàn)證選定該脫模劑的使用的效果和經(jīng)濟(jì)性，開展兩輪工業(yè)試驗(yàn)研究。

3.1 脫模性能試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模簻y試1次涂抹可脫模次數(shù)。

試驗(yàn)?zāi)＞咭?guī)格：內(nèi)管Φ323.9×14.3 mm，保溫厚度45 mm；保溫層密：40～60 kg/m3；保溫長度12 m；涂抹方式：機(jī)械噴涂。按照程序，將鋼管放入模具中，注射聚氨酯原料，固化，開模并檢查。一次性噴涂100 g脫模劑現(xiàn)場進(jìn)行了四次脫模，現(xiàn)場脫模效果如圖1所示。

圖1 一次噴涂4次脫模試驗(yàn)效果

由脫模效果照片和現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)可知：一次噴涂100 g的PTFE2040型號脫模劑，在環(huán)境溫度10～12 ℃、相對濕度60%、模具溫度17 ℃條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)4次有效脫模，其中前3次脫模順利，內(nèi)腔表面粘結(jié)少量聚氨酯，粘接量依次增加，外觀無缺陷、漏洞。第4次脫模順暢完成，但內(nèi)腔表面粘接聚氨酯泡沫現(xiàn)象更明顯。

由此可得結(jié)果：在脫模劑一次涂抹完成后，可進(jìn)行3次效果較好的脫模。生產(chǎn)模式可采用一次噴涂和逐次補(bǔ)噴實(shí)現(xiàn)。

3.2 脫模劑用量試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模簻y試多次噴涂達(dá)到正常脫模效果時(shí)，每次補(bǔ)噴的脫模劑用量。

試驗(yàn)?zāi)＞咭?guī)格與3.1節(jié)一致。涂抹方式：機(jī)械噴涂。每次噴涂完成后補(bǔ)噴涂一定量的脫模劑；首次噴涂量為150 g，二次補(bǔ)充噴涂15 g，三次補(bǔ)充噴涂10 g。脫模效果如圖2所示。

圖2 脫模劑補(bǔ)噴涂效果試驗(yàn)

通過試驗(yàn)可知：補(bǔ)噴涂后實(shí)現(xiàn)了3次有效的脫模。每次脫模的停機(jī)時(shí)間即清理、重新補(bǔ)噴涂的時(shí)間在1.5～2.0 min內(nèi)，時(shí)間較短。3次脫模保溫層外觀質(zhì)量好，脫模順暢，平均每次補(bǔ)噴涂的量在10～20 g，停機(jī)時(shí)間在1.5～2.0 min，低于刷黃油的停機(jī)時(shí)間(3～4 min)。

4 兩種脫模劑材料使用對比

傳統(tǒng)的脫模劑為鈣基潤滑脂，屬油脂系脫模劑。氟系脫模劑是有機(jī)樹脂化合物溶液，其脫模機(jī)理是在模具表面形成一層光滑惰性特氟龍薄膜。兩者的主要性能比較如表2所示。

表2 兩種脫模劑性能比較

通過性能比較，氟系脫模劑優(yōu)勢明顯，但是其單位成本較高。

考慮海底保溫管預(yù)制過程，其成本除脫模材料外，還包括清洗模具成本、停機(jī)成本等。在實(shí)際海底保溫管生產(chǎn)中，與鈣基潤滑脂成本對比，單根保溫管材料成本氟系高20%，但是人工成本少5～6倍，停機(jī)時(shí)間短，每根節(jié)省2 min，每班提高速度20%。綜合成本核算，氟系脫模劑更經(jīng)濟(jì)。

5 結(jié)語

氟系脫模劑替代鈣基潤滑脂，在以下幾個(gè)方面具有明顯的優(yōu)勢：脫模性能好，可實(shí)現(xiàn)一次涂抹多次脫模；減少了對車間環(huán)境的污染；工藝操作上更容易實(shí)現(xiàn)，1個(gè)人即可實(shí)現(xiàn)，節(jié)省了人力；氟系脫模劑的綜合使用成本明顯降低；氟系脫模劑的使用提高了生產(chǎn)速度。綜上所述，PTFE2040型號的氟系脫模劑比鈣基潤滑脂在成本、脫模性能和生產(chǎn)效率上均有明顯優(yōu)勢，目前已經(jīng)在多數(shù)海底雙層保溫管預(yù)制中推廣使用。