PP000 聚丙烯泡沫保溫技術(shù)

1、聚丙烯泡沫保溫技術(shù)王向農(nóng)（中國(guó)石油工程建設(shè)協(xié)會(huì)防腐保溫技術(shù)專委會(huì)）哈爾濱 2010年9月管道保溫層的重要性海洋油氣輸送的保證管道保溫層的作用是使油氣在管道里保持足夠的輸送溫度，防止管道停輸期間生成水合物和積蠟。 隨著世界各地近海油氣田所在海域水深的增加，出油管道和立管的保溫變得越來越重要了。只有可靠的海底管道才能保證比較經(jīng)濟(jì)地開采這些深水油氣田。出油管道結(jié)蠟問題 某近海油田有兩條長(zhǎng)7.6 km平行的8英寸出油管線發(fā)生結(jié)蠟堵塞。管匯位于水下270 m，海底管匯處海水溫度10，裸鋼管道無保溫層，投產(chǎn)初期未加注防蠟劑。原油含蠟量3.9%，析蠟溫度21（70 ）。海底出油管線的結(jié)蠟厚度分布海底出油管線

2、的溫度分布水合物堵塞管道 在一定的壓力溫度條件下，天然氣和水的混合物會(huì)生成水合物。水合物為固態(tài)，是水分子像冰一樣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，它們形成捕集氣體分子的骨架結(jié)構(gòu)。假如所必要的水合物預(yù)防處理措施未能及時(shí)發(fā)揮作用，海底管道內(nèi)會(huì)生成塊狀水合物。關(guān)井條件下流體處于水合物生成區(qū) 水合物堵塞管道 隨著近海油氣勘探向更深水域的發(fā)展，水合物阻塞輸氣管道的風(fēng)險(xiǎn)就增加了，而處理這樣的海底管道堵塞問題費(fèi)用是相當(dāng)高的。水合物生成曲線海水溫度梯度理想的海底管道防腐保溫材料海底油氣生產(chǎn)系統(tǒng)單根出油管線和立管需要保溫 傳統(tǒng)的防止水合物生成的方法包括掃線、熱油清管以及注入甲醇等。這些方法既費(fèi)力費(fèi)錢，又不可靠。并且，通常輸氣管道的走

3、向不是絕對(duì)水平的，總會(huì)存在某些高點(diǎn)和低點(diǎn)截留一些氣體形成水合物。 隨著海域水深的增加，單根出油管線和立管的機(jī)械載荷和保溫的要求也相應(yīng)增加。因此，淺水中用的傳統(tǒng)泡沫保溫技術(shù)以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法均不適合深水項(xiàng)目的應(yīng)用。 海洋油氣生產(chǎn)對(duì)保溫層要求海洋油氣生產(chǎn)對(duì)保溫層要求： 需要更低的U值（單位表面積的熱損失）； 需要適用于更深的水域； 需要適用于更長(zhǎng)距離的海底連接管道。目前在用的保溫材料： 保溫層厚度太厚； 靜水壓力限制； 海底保溫管道穩(wěn)定性問題； 保溫材料化學(xué)穩(wěn)定性問題。海洋靜水壓力梯度海底連接管道距離的影響聚丙烯泡沫材料性能優(yōu)良 優(yōu)良的耐熱性：發(fā)泡PS通常在80下使用，發(fā)泡PE也僅能耐70-

4、80，而發(fā)泡PP能耐120。發(fā)泡PP在120的溫度下放置22h，尺寸收縮小于2%，在相同條件下PE泡沫則約收縮40%。由此，發(fā)泡PP可用于使用溫度超過100的情況。 優(yōu)良的機(jī)械性能：以發(fā)泡倍率為30倍的PP發(fā)泡材料為例，其機(jī)械性能如拉伸強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度，處于塑料發(fā)泡材料的最高等級(jí)。其抗壓強(qiáng)度不及硬質(zhì)PU和發(fā)泡PS，卻比軟質(zhì)PU硬，即具有中等的抗壓強(qiáng)度。 與環(huán)境友好的聚合材料：在鋼管整個(gè)防腐保溫作業(yè)過程中，聚丙烯對(duì)環(huán)境的影響是很小的。 聚丙烯泡沫材料性能優(yōu)良 良好的絕熱性：發(fā)泡PP與發(fā)泡PE一樣是封閉式泡孔結(jié)構(gòu)，因此，其熱導(dǎo)率不會(huì)因受潮而受到影響。由于其熱導(dǎo)率比發(fā)泡PE低，具有良好的絕熱性，因此

5、可用作高級(jí)隔熱保溫材料。 加工性能好：發(fā)泡PP在室溫下具有300%的高伸長(zhǎng)率，在120時(shí)，其伸長(zhǎng)率可達(dá)1000%,是PE在二次加工溫度下伸長(zhǎng)率的三倍，因此發(fā)泡PP制件可在120溫度下進(jìn)行二次加工。 其他：高沖擊能量吸收能力和良好回彈性。 耐化學(xué)腐蝕性比其它發(fā)泡材料好。可回收再生。開發(fā)海底管道聚丙烯泡沫保溫材料 早在上世紀(jì)八十年代中期，挪威海德魯公司（Norsk Hydro）就嘗試用聚丙烯泡沫作為海底管道的保溫材料。后來此項(xiàng)開發(fā)工作是與芬蘭的Neste Oil公司合作完成的。 經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和中型裝置試驗(yàn)后，聚丙烯泡沫保溫系統(tǒng)在1989年推向市場(chǎng)。自那以后，聚丙烯泡沫保溫系統(tǒng)已經(jīng)成為北海和

6、墨西哥灣主要海上油田工程的保溫材料。理想的海底管道防腐保溫材料 在15 25年的油氣田正常生產(chǎn)期間，海底管道防腐保溫層要耐受很高的操作溫度和很大的靜水壓力，應(yīng)具有良好的長(zhǎng)期使用性能。 使用實(shí)踐已經(jīng)證實(shí)，用作海底管道的聚丙烯防腐保溫材料吸水率低，導(dǎo)熱系數(shù)低，抗沖擊，耐磨損，能夠耐受最高150的使用溫度，能夠在 -20至+150很寬的溫度范圍里使用。 聚丙烯防腐保溫材料抗蠕變，長(zhǎng)期性能好，具有一定的柔韌性，適合做成盤管在低于零度的寒冷氣候中用卷筒式鋪管駁船鋪管作業(yè)。聚丙烯泡沫保溫材料生產(chǎn)工藝聚丙烯復(fù)合泡沫保溫生產(chǎn)工藝 多層聚丙烯防腐保溫系統(tǒng)通常分兩步涂敷完成，以五層聚丙烯泡沫防腐保溫層為例： 第一

7、步在鋼管表面涂敷熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）。接著涂敷接枝聚丙烯基粘合劑，通過化學(xué)與物理粘結(jié)功能，在第一層熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）防腐層與第三層硬質(zhì)聚丙烯防護(hù)層之間起到粘合劑的作用。 第二步是在已經(jīng)成型的硬質(zhì)聚丙烯防護(hù)層上，擠出形成聚丙烯泡沫保溫層。最后擠出成型的是用于抗紫外線和機(jī)械損傷的最外層硬質(zhì)聚丙烯外防護(hù)層。 聚丙烯復(fù)合泡沫保溫生產(chǎn)工藝直角機(jī)頭擠出工藝 獨(dú)特的聚丙烯泡沫保溫系統(tǒng)材料采用直角機(jī)頭擠出工藝，這與側(cè)向包覆擠出工藝不同，特別適合多層擠出系統(tǒng)。1989年該保溫系統(tǒng)首次應(yīng)用在Oseberg油田。控制聚丙烯泡沫材料密度 在控制的和穩(wěn)定的工藝條件下，標(biāo)準(zhǔn)聚丙烯材料能夠用化學(xué)發(fā)泡劑發(fā)泡，使其密度從

8、900 kg/m3降到700 kg/m3。 這些密度值相當(dāng)于硬質(zhì)聚丙烯的保溫能力即導(dǎo)熱系數(shù)K值為0.22W/mK，密度700 kg/m3的聚丙烯泡沫的保溫能力即導(dǎo)熱系數(shù)K值為0.17W/mK。 早期四層聚丙烯防腐保溫系統(tǒng) 上世紀(jì)九十年代初，近海油田開始在相對(duì)較淺的水域使用聚丙烯基保溫材料，當(dāng)時(shí)采用的是四層防腐保溫系統(tǒng)，即熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）防腐底層、聚丙烯粘結(jié)劑層、聚丙烯泡沫保溫層和抗紫外線的聚丙烯外防護(hù)層。 例如，某油田海域水深 300 m，海水溫度10，油氣輸送最高設(shè)計(jì)溫度 70；采用總厚度約為26 mm的四層聚丙烯防腐保溫系統(tǒng)，保溫層的傳熱系數(shù)U值為8 W/m2K。 1 - 熔結(jié)環(huán)氧粉

9、末（FBE）防腐底層（0.3 mm） 2 - 聚丙烯粘結(jié)劑層（0.3 mm） 3 - 聚丙烯泡沫保溫層（22 mm） 4 - 聚丙烯外防護(hù)層（3 mm）Foinhaven油田采用四層聚丙烯防腐保溫 BP Foinhaven油田位于北海的Hebrides，離岸190 km，海域水深400 m 600 m，1997年投產(chǎn)，原油儲(chǔ)量3.8億桶，天然氣儲(chǔ)量2300億立方英尺。海底出油管道采用了四層聚丙烯防腐保溫系統(tǒng)。上世紀(jì)九十年代中期，該項(xiàng)目是唯一接近此保溫系統(tǒng)適用水深極限的項(xiàng)目。四層聚丙烯泡沫保溫系統(tǒng)與硬質(zhì)聚丙烯保溫系統(tǒng)的比較四層聚丙烯保溫系統(tǒng)硬質(zhì)聚丙烯保溫系統(tǒng)典型傳熱系數(shù)U值（總系統(tǒng)厚度）2.5

10、W/m2K（85 mm）4.0 W/m2K（85 mm）水深限制 800 m，海水溫度 5，油氣輸送最高設(shè)計(jì)溫度 85，選用了總厚度63 mm的七層聚丙烯復(fù)合泡沫防腐保溫系統(tǒng)。保溫層傳熱系數(shù)U 值為4 W/m2K。 墨西哥灣Thunder Horse油田2008年6月投產(chǎn)。水深2200 m，設(shè)計(jì)日產(chǎn)原油25萬桶，日產(chǎn)天然氣2億方，海底管線油氣輸送溫度132，選用了Thermotite公司七層聚丙烯復(fù)合泡沫保溫系統(tǒng)。開發(fā)新型聚丙烯復(fù)合泡沫保溫材料滿足海洋石油工業(yè)發(fā)展的需要 海洋石油工業(yè)的油氣勘探向更深水域的發(fā)展，對(duì)聚丙烯保溫提出了新的更加苛刻的要求。更深的水深意味著需要聚丙烯保溫層有更強(qiáng)的抗壓強(qiáng)

11、度，能夠承受更大的靜水壓力。這種發(fā)展趨勢(shì)推動(dòng)了剛性更強(qiáng)的聚丙烯保溫材料和改進(jìn)的聚丙烯保溫層結(jié)構(gòu)的開發(fā)。泡沫密度與抗壓強(qiáng)度 聚合物泡沫的機(jī)械性能和熱學(xué)性能是隨著泡沫密度而變化的。通常，密度越高意味著機(jī)械性能越強(qiáng)，而降低密度可以改善保溫能力。海底應(yīng)用的保溫泡沫也是如此，隨著水深的增加，靜水壓頭也增加了，這需要聚丙烯泡沫有更強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度和更好的抗蠕變性能。較高的抗壓強(qiáng)度也會(huì)改善抗蠕變性能，這些歸因于更高的聚合物剛性和最終的泡沫結(jié)構(gòu)。剛性聚丙烯嵌段共聚物 這種異相（heterophasic）聚丙烯是高度的結(jié)晶材料，并有良好分布的二元乙丙橡膠分散相。除了明顯增強(qiáng)的抗磨損和耐化學(xué)特性外，在很寬的溫度范圍都

12、展現(xiàn)良好的機(jī)械性能。顯著提高材料的剛性和抗沖擊強(qiáng)度，同時(shí)改善材料抗蠕變性能。 剛性聚丙烯與普通聚丙烯性能差別 特性 普通等級(jí)聚丙烯 新型等級(jí)聚丙烯 導(dǎo)熱系數(shù)（k值）（W/mK） 0.220.23拉伸屈服應(yīng)力（50 mm/min）MPa 2831拉伸屈服應(yīng)變（50 mm/min）% 68撓曲模量（2 mm/min）MPa 13001750高熔體強(qiáng)度聚丙烯聚合物（HMS-PP） 主要特征是高強(qiáng)度加上增強(qiáng)的聚合物熔體的延伸性。在聚丙烯聚合物里引入長(zhǎng)鏈支化結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生應(yīng)變-硬化特性，顯著增加了聚合物熔體的延伸性。 氣泡的發(fā)生過程受到控制，導(dǎo)致形成閉孔泡沫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的泡沫。用支化結(jié)構(gòu)的聚合物改善了泡沫擠出成

13、形的可加工性能，這項(xiàng)技術(shù)使聚合物熔體強(qiáng)行承受縱向應(yīng)力。 新型聚丙烯泡沫保溫材料 用剛性線性聚丙烯與高熔體強(qiáng)度聚丙烯聚合物（HMS-PP）的混配料擠出成型的新型聚丙烯泡沫保溫材料可以達(dá)到更低的泡沫密度，由此，與單純聚丙烯料發(fā)泡做成的聚丙烯泡沫相比，增加了保溫能力。 試驗(yàn)中僅僅加入10%的高熔體強(qiáng)度聚丙烯聚合物（HMS-PP），聚丙烯泡沫密度就從660 kg/m3明顯下降到550 kg/m3。試驗(yàn)中單純用高熔體強(qiáng)度聚丙烯聚合物（HMS-PP）發(fā)泡時(shí)，聚丙烯泡沫密度低達(dá)370 kg/m3。聚丙烯熔體強(qiáng)度與延伸性的關(guān)系曲線 Draw down velocity （mm/s）不同含量的高熔體強(qiáng)度聚丙烯聚

14、合物（HMS-PP）生產(chǎn)出的聚丙烯泡沫密度5%壓縮率時(shí)聚丙烯泡沫的抗壓強(qiáng)度 聚丙烯泡沫的抗壓強(qiáng)度與密度的關(guān)系 改性聚丙烯泡沫材料的密度 剛性聚丙烯和高熔體強(qiáng)度聚丙烯的混配料生產(chǎn)的改性聚丙烯泡沫材料（右）氣泡更小，分布更均勻。熔體伸長(zhǎng)率更高，泡沫更穩(wěn)定，可以在更靠近鋼管外表面的部位發(fā)泡。聚丙烯泡沫保溫材料的物理性能 性能 改性聚丙烯泡沫保溫材料 改性聚丙烯泡沫保溫材料 標(biāo)準(zhǔn)聚丙烯泡沫保溫材料 試驗(yàn)方法 密度 kg/m3 616 716740ASTM D792導(dǎo)熱系數(shù)k值 W/mK 0.147 0.170.17ASTM C177拉伸模量 MPa 730 1050900ISO 6259抗張強(qiáng)度 MP

15、a 101514ISO 6259斷裂伸長(zhǎng)率 % 152080ISO 6259壓縮5%時(shí)抗壓強(qiáng)度 MPa 152012ASTM D695改性聚丙烯泡沫保溫材料 由表可見，用剛性線性聚丙烯與高熔體強(qiáng)度聚丙烯聚合物（HMS-PP）的混配料擠出成型的改性管道聚丙烯泡沫保溫材料的泡沫密度大約為600 kg/m3，保溫能力即導(dǎo)熱系數(shù)k值為0.15 W/mK。 按照ASTM D695標(biāo)準(zhǔn)以5%單軸向壓縮測(cè)量的抗壓強(qiáng)度為15 MPa。如果泡沫密度增加100單位達(dá)到700 kg/m3，抗壓強(qiáng)度將提高33%。相當(dāng)于保溫能力即導(dǎo)熱系數(shù)k值為0.17 W/mK。 在相同泡沫密度條件下，改性管道聚丙烯泡沫保溫材料的抗壓

16、強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)聚丙烯保溫材料提高80%。機(jī)械強(qiáng)度的增強(qiáng)使得相同厚度的保溫層能夠用在更深的水域中，或者可以減薄所用保溫層的厚度而維持相同的保溫能力。 Ringhorne油田采用改性聚丙烯泡沫保溫 2001年，改性管道剛性聚丙烯泡沫保溫系統(tǒng)首次以工業(yè)規(guī)模安裝在北海Ringhorne 油田，順利投入使用。玻璃微珠填充聚丙烯 玻璃微珠填充聚丙烯（SPP）是用空心玻璃微珠作為填充料的復(fù)合泡沫保溫材料。主要特征是具有類似硬質(zhì)聚丙烯的抗壓強(qiáng)度和抗蠕變性能，而其k值比硬質(zhì)聚丙烯低，所以可以減薄厚度（一般比硬質(zhì)聚丙烯小22%）。 1995年殼牌公司選用這種材料用作海底鋼懸鏈立管（SCR）的保溫。近年，所有已實(shí)施項(xiàng)目

17、都采用了預(yù)制的玻璃微珠填充聚丙烯復(fù)合泡沫保溫。玻璃微珠填充聚丙烯生產(chǎn)工藝 造粒擠出工藝 聚丙烯與玻璃微珠 配料造粒 單螺桿擠 出機(jī) 玻璃微珠填充聚丙烯涂敷在管子上 直接擠出工藝聚丙烯化合物 熔融聚丙烯和玻璃微珠 玻璃微珠填充聚丙烯涂敷在管子上中空玻璃微珠良好的兼容性 中空玻璃微珠具有高強(qiáng)度和低導(dǎo)熱系數(shù)的特點(diǎn)，在20溫度下導(dǎo)熱系數(shù)k值為0.06 0.20 W/mK，使它成為管道和立管濕法保溫的理想添加劑。 這些惰性微珠與保溫系統(tǒng)里包括聚氨酯、聚丙烯、環(huán)氧樹脂在內(nèi)的所有其他組分是相容的。而且，中空玻璃微珠實(shí)質(zhì)上是不溶于水的，所以，在深水用途中有更好的應(yīng)用。玻璃微珠填充聚丙烯復(fù)合泡沫的加工參數(shù) 參數(shù)

18、玻璃微珠填充聚丙烯復(fù)合泡沫（SPP）普通聚丙烯閉孔泡沫熔體強(qiáng)度差好模具膨脹低高 模具壓力中等高 熔體粘度高 中等熔體溫度高 中等剪切敏感性高 中等強(qiáng)度 3M中空玻璃微珠牌號(hào) 玻璃微珠壓碎強(qiáng)度（磅/平方英寸） 玻璃微珠密度（g/cc）計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)（W/mK） 高S42XHS80000.420.166XLD600060000.300.143K4660000.460.173S38XHS55000.380.158S38HS55000.380.158S3840000.380.158XLD3000 30000.230.130S35 30000.350.152低S3220000.320.147不斷改進(jìn)的3

19、M中空玻璃微珠的抗壓碎強(qiáng)度不斷增加（黑線），輕質(zhì)高強(qiáng)材料促進(jìn)玻璃微珠技術(shù)迅速發(fā)展（藍(lán)線） 適用卷筒鋪管駁作業(yè) 雖然“管中管”具有最好的傳熱系數(shù)U值和更長(zhǎng)的降溫時(shí)間，但在3000 m或更深水域里，額外增加的重量和其結(jié)構(gòu)龐大的體積使管道鋪設(shè)更困難也更費(fèi)錢，特別是立管，因?yàn)樘兀谏钏锖茈y支撐。 采用中空玻璃微珠充填的復(fù)合泡沫保溫層的單管結(jié)構(gòu)的濕法保溫管道可以作為替代方案，其重量不到“管中管”的一半，使它更適合在更深水域和更長(zhǎng)管道上的應(yīng)用。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)減小了總體管徑，所以，每個(gè)卷筒能夠盤繞更多管道，需要的鋪管船可以少一點(diǎn)，也可以小一點(diǎn)，這樣，海底管道的安裝會(huì)更快、更容易、更經(jīng)濟(jì)。聚丙烯泡沫保溫材料

20、的試驗(yàn)聚丙烯復(fù)合泡沫試驗(yàn)項(xiàng)目 短期試驗(yàn)項(xiàng)目包括密度檢測(cè)、玻璃化溫度、靜水壓碎壓力、單軸向壓縮強(qiáng)度。長(zhǎng)期試驗(yàn)還要進(jìn)行單軸向壓縮蠕變?cè)囼?yàn)和在不同溫度和壓力條件下的加速水侵入試驗(yàn)。 所有樣品都有相同的結(jié)構(gòu)：用酸酐固化的環(huán)氧樹脂與玻璃微珠（平均直徑150m）填充的聚丙烯泡沫與玻璃纖維大珠（平均直徑10 mm），并且，外表面覆蓋一層厚度大約1.0 mm的玻璃纖維。導(dǎo)熱系數(shù) 導(dǎo)熱系數(shù)k值代表了泡沫保溫的一項(xiàng)關(guān)鍵性能。如果k值比較低，意味著改進(jìn)了保溫性能，減薄了保溫層厚度，降低了生產(chǎn)成本。 雖然改性聚丙烯的導(dǎo)熱系數(shù)0.23 W/mK略高于標(biāo)準(zhǔn)聚丙烯的導(dǎo)熱系數(shù)0.22 W/mK，但是，改性聚丙烯復(fù)合泡沫保溫系

21、統(tǒng)不僅改善了機(jī)械性能，而且改進(jìn)了其在深水中的保溫性能。 改性聚丙烯復(fù)合泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)k值與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系 長(zhǎng)期抗蠕變性能 耐用性也是一項(xiàng)重要特征。蠕變是控制長(zhǎng)期性能的主導(dǎo)機(jī)理。因?yàn)槿渥儠?huì)造成保溫性能隨著時(shí)間推移而發(fā)生改變。泡沫結(jié)構(gòu)中的蠕變會(huì)增加密度，從而增加保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)。 聚丙烯復(fù)合泡沫具有典型的粘彈特性，短期變形與泡沫的彈性特性有關(guān)（可恢復(fù)的變形），而長(zhǎng)期變形與粘滯特性有關(guān)（不可恢復(fù)的變形）。長(zhǎng)期抗蠕變性能試驗(yàn) 聚丙烯泡沫的徑向位移 了解使用過程中泡沫會(huì)經(jīng)歷的實(shí)際壓縮載荷特征是很重要的。在管子上，泡沫同時(shí)受到軸向和切線方向的支持的益處。因此，蠕變表現(xiàn)為聚丙烯泡沫的徑向位移。圖示一萬小時(shí)

22、試驗(yàn)結(jié)果。這樣的長(zhǎng)時(shí)間蠕變?cè)囼?yàn)?zāi)軌蚪沂救魏味位蛉稳渥兊嫩E象。 由圖可見，一般推薦用于深水（超過1000 m）的聚丙烯泡沫保溫材料，泡沫密度應(yīng)當(dāng)大于700 kg/m3。防止水侵入 必須防止水侵入到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口的鋼管表面。存在海水時(shí)會(huì)顯著降低管子鋼材的疲勞壽命（最大達(dá)到原有值的十分之一）。疲勞壽命與管道投產(chǎn)及停輸時(shí)產(chǎn)生的褶皺負(fù)荷緊密相關(guān)。為保證達(dá)到最大的疲勞壽命，最好鋼管表面具有完全密封的防水層。在此情況下，鋼管不允許留有腐蝕余量。假如項(xiàng)目沒有這樣的要求，那么應(yīng)采用在目標(biāo)水深和該管道最高輸送溫度下完全能夠防止水侵入的閉孔保溫系統(tǒng)。不同溫度下水的相對(duì)侵入量 不同老化條件下靜水壓碎強(qiáng)度的變化 不同老

23、化條件下單軸向壓縮強(qiáng)度的變化 在20的單軸向壓縮蠕變 防腐保溫層的溫度梯度 泡沫結(jié)構(gòu)中的蠕變與海域水深（靜水壓力）以及相關(guān)的溫度梯度有關(guān)。溫度梯度取決于防腐保溫層的厚度、每一層的導(dǎo)熱系數(shù)、管內(nèi)流體的溫度和管外的海水溫度。改性聚丙烯泡沫3712小時(shí)試驗(yàn)蠕變曲線 模擬使用試驗(yàn) 本項(xiàng)試驗(yàn)將一段有聚丙烯泡沫保溫層的 管段插進(jìn)高壓釜里，并且使系統(tǒng)升壓到工作水壓。然后，管內(nèi)流過熱油，而管外保持與海底相同的水溫和壓力。在保溫層上安裝傳感器，監(jiān)測(cè)熱通量和保溫層的壓縮狀況。 通過一系列這些試驗(yàn)，已經(jīng)建立起聚丙烯泡沫保溫層在2-3天內(nèi)保持穩(wěn)定狀態(tài)。 三軸向蠕變?cè)囼?yàn)裝置 在定性評(píng)價(jià)新產(chǎn)品以及耐用性基準(zhǔn)時(shí)，除了進(jìn)行標(biāo)

24、準(zhǔn)的單軸試驗(yàn)外，目前普遍的做法是進(jìn)行超過5000小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間三軸向壓縮和蠕變?cè)囼?yàn)。采用這樣的試驗(yàn)方法可以建立起逼真的幾何形態(tài)下的壓縮蠕變速率。 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)與靜態(tài)試驗(yàn)鋼懸鏈立管保溫層特殊要求 深水領(lǐng)域的油氣開采項(xiàng)目正在開發(fā)鋼懸鏈立管（SCR），與出油管線不同，在使用壽命期間它們會(huì)有大量的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，水深超過1500 m時(shí)，防腐保溫系統(tǒng)還要承受額外的應(yīng)力，鋼懸鏈立管系統(tǒng)必須維持必要的柔韌性。因此，防腐保溫層必須承受住立管的這種周期性載荷而不發(fā)生破裂或者使防腐保溫性能有任何減退。動(dòng)態(tài)彎曲試驗(yàn) 為確定聚丙烯泡沫對(duì)鋼懸鏈立管的適用性，進(jìn)行動(dòng)態(tài)周期性彎曲試驗(yàn)，以確定工廠預(yù)制的防腐保溫系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口能否承受海上

25、生產(chǎn)作業(yè)遇到的周期性載荷。 試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)是防腐保溫層不得出現(xiàn)不利的狀況，材料性能也不得有明顯的減退，在海上作業(yè)和使用期間，有防腐保溫層的剛性立管不得發(fā)生彎曲應(yīng)變。 J式鋪管靜態(tài)彎曲試驗(yàn) 十年前，大多數(shù)有保溫層的海底出油管道的管徑為8英寸至14英寸，管徑已經(jīng)增加到20英寸，而且有預(yù)制的保溫層. 為確定聚丙烯泡沫對(duì)卷筒鋪管駁作業(yè)的適用性，進(jìn)行了靜態(tài)周期性彎曲試驗(yàn)，以確定聚丙烯防腐保溫層和補(bǔ)口經(jīng)過限定的彎曲拉伸應(yīng)變后的極限曲率半徑。 試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)是防腐保溫層不得出現(xiàn)不利的狀況，材料性能也不得有明顯的減退。 驗(yàn)證試驗(yàn) 作為驗(yàn)證試驗(yàn)的一部分，一根管徑5英寸的有完整的七層聚丙烯泡沫防腐保溫系統(tǒng)的管子接受了

26、周期性彎曲試驗(yàn)和靜態(tài)彎曲試驗(yàn)。周期性彎曲試驗(yàn)?zāi)M了在動(dòng)態(tài)立管系統(tǒng)預(yù)期發(fā)生的應(yīng)變。靜態(tài)彎曲試驗(yàn)的目的是測(cè)試盤管鋪管船下管作業(yè)時(shí)，這樣的多層聚丙烯復(fù)合泡沫防腐保溫系統(tǒng)的適應(yīng)性。試驗(yàn)準(zhǔn)備 試驗(yàn)管段是長(zhǎng)12.5 m、外徑5.5625英寸、壁厚0.75英寸的碳鋼管，大約9.9 m長(zhǎng)度上有工廠預(yù)制好的七層聚丙烯復(fù)合泡沫保溫層，還有兩個(gè)長(zhǎng)度分別為355 mm和930 mm的現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口區(qū)。 還準(zhǔn)備了4 m長(zhǎng)的相同鋼管，在周期性動(dòng)態(tài)彎曲試驗(yàn)完成后，焊接到有泡沫保溫層的管段上，使管子全長(zhǎng)達(dá)到14-15 m以便進(jìn)行靜態(tài)彎曲試驗(yàn)。 周期性動(dòng)態(tài)彎曲試驗(yàn)裝置原理圖 周期性動(dòng)態(tài)彎曲試驗(yàn) 在此裝置上，兩個(gè)支撐點(diǎn)之間的這段試驗(yàn)管

27、段受到恒定的彎矩，但沒有剪切力。包括兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)澆注的補(bǔ)口區(qū)的這段試驗(yàn)管段完全處于這兩個(gè)支撐點(diǎn)之間。 試驗(yàn)管段受到全反向彎曲，與鋼管的外表面相反一側(cè)直徑方向上，產(chǎn)生的最大極限纖維應(yīng)變?yōu)?.0005。在整個(gè)試驗(yàn)期間，結(jié)合采用伺服液壓控制的萬用試驗(yàn)機(jī)和實(shí)驗(yàn)室的反應(yīng)地面，在試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行過程中有效控制了試驗(yàn)管段的位移。試驗(yàn)管段接受最少一萬次反向彎曲后才完成試驗(yàn)。 靜態(tài)彎曲試驗(yàn)裝置 不同曲率半徑彎曲試驗(yàn)結(jié)果 成形裝置曲率半徑 鋼管的極端彎曲纖維應(yīng)變 防腐保溫系統(tǒng)極端彎曲纖維應(yīng)變 55.84 m（183.2英尺） 0.13% 0.25% 40.2 m（131.9英尺） 0.18% 0.35% 31.1 m（1

28、02.0英尺） 0.23% 0.45% 22.86 m（75英尺） 0.31% 0.61% 典型事例Kristin油田篩選保溫材料程序Kristin油田的平面布置 Kristin油田出油管線設(shè)計(jì)參數(shù) 鋼材13%Cr管徑10英寸（254 mm）壁厚15 mm傳熱系數(shù)U值8 W/m2K入口設(shè)計(jì)溫度155（311 ）（初始溫度160）海域水深350 380 m出油管線總長(zhǎng)度38.5 km首選安裝方法卷筒鋪管駁出油管線的埋設(shè)30% 埋地，30% 下溝拖網(wǎng)板沖擊7.5 kJ下溝管段最高外部溫度120防止水合物對(duì)策直接電加熱（DEH）候選的保溫材料 聚砜（PSU）和聚醚砜（PES） 聚脲 五層聚丙烯泡沫保

29、溫系統(tǒng) 采用聚酰胺絕熱層的五層聚丙烯泡沫保溫系統(tǒng) 耐高溫橡膠系統(tǒng) 有外表纖維增強(qiáng)聚合材料（FRP）膜的復(fù)合酚醛泡沫 有聚氨酯泡沫外保溫層的復(fù)合環(huán)氧絕熱層出油管線入口溫度變化趨勢(shì) 水浸泡篩選試驗(yàn) 第一次篩選試驗(yàn)材料：聚酰胺6、聚醚砜（PES）、聚砜（PSU）、聚脲試驗(yàn)溫度：140、155、170環(huán)境：自來水和氧氣浸泡時(shí)間：一個(gè)月評(píng)價(jià)項(xiàng)目：重量變化和目測(cè)外觀壓力：由水蒸汽壓來確定水浸泡篩選試驗(yàn)第二次篩選試驗(yàn) 材料：復(fù)合酚醛泡沫、硬質(zhì)聚丙烯和熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）模壓成2 mm厚的試件試驗(yàn)溫度：140、150、160環(huán)境：自來水和氧氣浸泡時(shí)間：一個(gè)月壓力：由水蒸汽壓來確定 水浸泡試驗(yàn)結(jié)果 水里浸泡一

30、個(gè)月后，在155（甚至在170）的溫度下，保溫材料受到嚴(yán)重影響。原來玻璃般透明的聚砜（PSU）和聚醚砜（PES）的絕熱層樣品變成乳白色，并且發(fā)生了變形。表明這樣的材料不具備“熱濕”環(huán)境中需要的耐水侵性能。 有橡膠絕熱層的鋼管樣品準(zhǔn)備接受海水浴浸泡試驗(yàn) 聚脲和耐高溫橡膠材料 聚脲在低溫下具有良好的保溫性能。但在170的水里浸泡一個(gè)月后，聚脲保溫材料樣品完全溶解了。在140的水里，材料也受到水和高溫的嚴(yán)重影響。不符合出油管線要求的保溫層耐受“熱濕”條件。 有橡膠絕熱層的管子樣品顯示良好的耐“熱濕”條件的性能，所以，選擇了兩種候選耐高溫橡膠材料接受進(jìn)一步的試驗(yàn)。 小型彎曲試驗(yàn) 最佳的保溫系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠

31、用卷筒鋪管駁鋪設(shè)保溫管道。因此，需要驗(yàn)證一些候選保溫材料是否能夠用卷筒鋪管駁鋪設(shè)保溫管道。兩種材料組合接受了試驗(yàn)： 熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）和聚酰胺6表層組合。 酚醛底漆、酚醛泡沫和表層玻璃纖維增強(qiáng)的酚醛塑料膜。 小型彎曲試驗(yàn) 110 mm直徑鋼管用候選保溫材料包覆。管子末端用木籠形支架支撐。 然后，模擬鋼管作用在保溫層上的應(yīng)變，將管子朝心軸彎曲。心軸的形狀應(yīng)造成最大3%的外表面應(yīng)變。 有纖維增強(qiáng)聚合材料（FRP）膜的復(fù)合酚醛泡沫 復(fù)合酚醛泡沫起初吸收了大量的水。但在140、150、160的不同溫度下，水的吸收差別很小。表明此種材料能夠具有所必要的耐溫性能，但是，熱特性受水侵入的影響。 復(fù)合酚醛

32、泡沫抗壓強(qiáng)度差 復(fù)合酚醛泡沫材料不能夠耐受用卷筒鋪管駁鋪設(shè)保溫管道時(shí)作用在保溫材料上所必要的抗壓強(qiáng)度。在心軸壓縮泡沫的部位形成一個(gè)長(zhǎng)孔。因此，這樣的保溫材料不再予以考慮。 聚酰胺絕熱層 聚酰胺絕熱層作為五層聚丙烯泡沫保溫系統(tǒng)候選內(nèi)層材料。經(jīng)過開發(fā)研究，已經(jīng)使熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)層與外層聚丙烯材料達(dá)到可以接受的粘合力。小型彎曲試驗(yàn)表明，這樣的材料用卷筒鋪管駁鋪設(shè)是沒有問題的。 但是，從“熱濕”條件試驗(yàn)結(jié)果看，聚酰胺不適合作為這樣系統(tǒng)的絕熱層。 五層聚丙烯泡沫保溫系統(tǒng) 熔結(jié)環(huán)氧粉末與聚丙烯材料的吸水率都只有2-3%。溫度對(duì)水吸收率沒有明顯影響。 五層聚丙烯泡沫保溫系統(tǒng) 應(yīng)用頻率為1弧度/秒的Rheome

33、trics RSA-2固體分析儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析（DMTA），確定了剛性與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表明這些成分適合進(jìn)一步評(píng)價(jià)，以便在155溫度下使用。 聚丙烯泡沫保溫材料的質(zhì)量評(píng)定試驗(yàn) 試驗(yàn)項(xiàng)目要求熱傳導(dǎo)試驗(yàn)（模擬使用試驗(yàn)）最短1 m長(zhǎng)的管子最短一個(gè)月時(shí)間（管內(nèi)溫度155）老化試驗(yàn) 蠕變、水滲透率熱性能與機(jī)械性能減退程度可以接受 在-10溫度下的彎曲與校直試驗(yàn)無表面開裂延伸到鋼管表面，最大應(yīng)變2.3，累積應(yīng)變22% 陰極剝離試驗(yàn)（CD試驗(yàn)） 小于8 mm 在環(huán)境溫度與最高操作溫度下的剪切強(qiáng)度試驗(yàn) 在0.05 MPa和155操作溫度下安裝期間大于5 MPa 沖擊試驗(yàn)（拖網(wǎng)板試驗(yàn)）（DNV） 操作溫度下最小7.5 kJ - 無表面開裂延伸到鋼管表面五層聚丙烯泡沫保溫