海底單層保溫管防水帽低溫剝離強度試驗研究

運濤，劉巖，李經緯

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450）

海底單層保溫管采用輻射交聯型熱縮防水帽對其管端進行防水密封，是目前常用的防水密封方法之一。海底管道外部由高密度聚乙烯（HDPE）夾克管套住，管內是聚氨酯泡沫塑料保溫層。單層保溫管兩端的環形立面上，聚氨酯泡沫塑料保溫層處于裸露狀態，在保溫管的存儲、運輸和使用過程中，水、水蒸氣或其他氣體若通過管端進入罐體保溫層中，則會造成保溫失效，甚至引起管道腐蝕，故需要選取使用性能良好的防水帽確保其防水密封效果，保證海底管道的安全運行。

為選取高質量的防水帽，本文在研究過程中選取國外和國內的兩大品牌防水帽分別在室溫約3～4℃和23℃環境下開展防水帽性能檢測試驗，獲取防水帽剪切強度和剝離強度在所檢測的溫度范圍內性能數據，進而從中選擇更適合項目的防水帽。

1 試件制作

（1）試件介紹：單層保溫管海底防水密封試驗所用試件，均選自海上項目生產時剩余的管段，非特制和定制管件，具有較好的代表性。（2）試驗件安裝：防水帽與夾克管和熔結環氧涂層FBE安裝圖和節點圖，如圖1、2所示。

2 防水帽性能檢測試驗

（1）防水帽在室溫（約3～4℃）和23℃下剝離試驗：試驗人員對安裝好的防水帽分別在夾克管和FBE上的防水帽進行剝離試驗，在室溫（約3～4℃）下進行剝離時發現防水帽與膠條之間沒有黏結性，剝離后膠條和防水帽表面光滑。技術人員認定防水帽在室溫下（3～4℃）剝離試驗不合格。

隨后按照檢驗試驗計劃要求剝離試驗溫度為23℃，檢驗人員從試驗管內壁加熱，使防水帽溫度達到22.7℃后進行剝離試驗，此時，剝離強度為125N/20mm，滿足技術文件要求。

圖1 安裝圖（從左到右：聚氨酯泡沫、HDPE夾克管、HSEC層、FBE層、不銹鋼管）

圖2 節點圖

相關廠家對以上兩種環境下的結果給出解釋：設計文件要求剝離試驗溫度為23℃，該設計公司解釋為：國際上并沒有防水端帽專門的標準，防水帽實際上也是熱縮帶的一種，防水端帽一側搭接到鋼管FBE上，一端搭接到PE管上。因此，防水端帽的剝離強度要求是參考節點熱縮帶的技術要求。同時，參考ISO21809-3的剝離強度和剪切強度測試都是在23℃環境下進行，并且其他測試基本都在23℃，因此可認為23℃環境是一個通用技術要求。技術人員割取部分防水帽和夾克管置于23℃恒溫箱內，一段時間后取出進行剝離試驗，實驗剝離試驗結果為60N/cm，滿足上述技術要求。

之后，監理和項目組代表詳細說明了防水帽剝離試驗發現的問題，涂覆公司技術人員、監理、項目組專業工程師對剝離試驗件進行重新驗證，發現在室溫環境下（3～4℃）防水帽剝離強度近乎為零，且剝離后膠條和防水帽表面光滑，驗證了在室溫下（3～4℃）剝離試驗不合格。

（2）防水帽在室溫7℃±3℃下剝離試驗：針對防水帽低溫剝離強度低的問題，本試驗組織項目相關涂敷公司、BV、監理公司及廠家召開了問題分析會。針對當前出現的防水帽低溫剝離強度低等問題，各方進行了分析和討論。涂敷公司開展7℃±3℃、0.36MPa（取1.2倍系數）條件下7天的靜水壓試驗，驗證海管鋪設就位至服役前環境溫度下防水帽防水密封性能。①低溫環境下的防水帽靜水壓試驗：進行低溫環境下的防水帽靜水壓試驗。試驗溫度6.5℃，試驗壓力0.36MPa，時間7天。該試驗旨在驗證防水帽、夾克管、防水帽與FBE的密封性。7天后，監理人員鑒證試驗結果，六組防水帽低溫靜水壓試驗合格，防水帽內部無進水跡象。為了驗證國產防水帽的質量情況，涂覆公司對國產防水帽進行了高低溫的靜水壓試驗以及高低溫下的剪切、剝離強度試驗。高溫靜水壓試驗顯示防水帽與基材黏結性非常強，而與FBE的粘結性較差，試驗顯示在高壓靜水壓環境下，與FBE層粘結的防水帽出現了滑移，膠層與FBE層出現分層，且保溫層進水，試驗不合格。②對國內外防水帽廠家材料進行試驗驗證。

（3）結論分析。經試驗對比，在同溫度下防水帽膠條剪切強度國內某廠家產品質量略高于國外同型號產品。在0℃環境下，國內防水帽產品的剝離強度大于50N/cm，明顯優于國外同型號產品質量，可有效規避了防水帽低溫時剝離強度低，容易開裂進水的風險。同時，在高低溫靜水壓試驗中，國內某廠家防水帽產品不合格，國外某廠家的防水帽滿足要求。

相關標準規范未給出低溫剝離試驗的檢驗依據，只要求23℃的常溫下試驗，剝離強度大于50N/cm。管道在鋪設階段經過彎曲、扭轉、旋轉力的作用下，防水端帽與FBE層和PE層容易出現開裂或者進水的風險較高，鑒于此種情況，結構專業工程師經討論一致認為，現有工藝下的防水帽不能夠繼續適用，不符合項目規格書中要求的即防水帽適用于0～79℃的工作環境的要求。

3 國內廠家技術革新后試驗進展

經過本試驗表明，現有工藝下的防水帽在常規溫度23℃下表現良好，但是無法滿足具體項目的0～79℃的工作環境。將試驗結果反饋給國內某防水帽廠家后，該廠家積極采用新的背材+高溫膠技術生產，安排人員至現場做技術指導，開展防水帽安裝的人員培訓及試驗安裝工作。

現場將單層保溫管試驗件放進常溫水壓試驗倉，驗壓力0.36MPa，時間7天。開始進行7天靜水壓試驗，第二天將單層保溫管試驗件放進高溫水壓試驗倉，開始進行7天靜水壓試驗。靜水壓試驗結束后，進行出倉檢驗。其中常溫靜水壓試驗結束，試驗件2個，其中1#件無滲水現象，對PE剝離強度為80N/cm，對FBE剝離強度為200N/cm；2#件防水帽進水，對PE剝離強度為120N/cm，對FBE剝離強度為200N/cm。

對于2#件試驗情況進行分析，2#試驗件從兩個位置進水，砂眼的位置和密封膠未充分黏接的位置，根本原因如下：（1）防水帽烤制過程中，溫度控制難度較大，密封膠軟化點把控的準確性不足，造成局部黏接性差；（2）烤制的時間和操作質量不穩定，造成防水帽容易烤制過火，形成局部碳化或者厚度超薄。

4 結語

本論文結合項目需求及國內某廠家的防水帽制造經驗，依據試驗過程中對防水帽（國外某廠家）低溫剝離強度低問題的研討，進一步開展水壓試驗進行數據對比。本試驗總共開展了3次國外某廠家的防水帽性能和國內某廠家的防水帽性能試驗測試，進行了大量的數據對比分析，最終的測試結果兩個廠家試驗件均無水滲漏，試驗合格。其中國內某廠家的防水帽剪切強度和剝離強度在所檢測的溫度范圍內性能數據優于國外某廠家的防水帽。

按照試驗結果，相關項目使用了國內某廠家防水帽的推薦方案，并組織相關專家審查會。經過數日的試驗研究和數據對比分析，專家優選國內廠某家防水帽，提高了項目防水帽材料的質量，降低項目后期海管鋪設階段和油田運營階段的質量安全風險。同時，采用國內廠家防水帽降低了大量的材料成本，降低了對國外同型產品的進口依賴，為其他海上項目選取合適的防水帽提供理論依據和實踐參照。