賈 振

(中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452)

GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口自動(dòng)開合澆注模具的開發(fā)

賈 振

(中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452)

針對玻璃微珠復(fù)合聚氨酯(GSPU)保溫管的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和補(bǔ)口要求，設(shè)計(jì)了一套三瓣式氣壓自動(dòng)開合澆注模具，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化與完善，以提高節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口澆注質(zhì)量及模具實(shí)用性。基于本設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套模具設(shè)備并進(jìn)行了澆注補(bǔ)口應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果表明，該模具在確保GSPU濕式保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口施工效率的同時(shí)，一定程度上提升了節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口的質(zhì)量，減少了材料和人員投入，降低了節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口的綜合成本。

海底管道；保溫管；玻璃微珠復(fù)合聚氨酯(GSPU)；節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口；澆注模具

0 引 言

節(jié)點(diǎn)部位是海底管線中的薄弱環(huán)節(jié)。節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口質(zhì)量的好壞直接影響到整條海底輸油管線的使用壽命，對于直接承受深海高壓、低溫環(huán)境的深水保溫管道而言更是如此。隨著我國深海油田開發(fā)的不斷深入，深水保溫管道的潛在需求量越來越大，然而由于深水保溫管道與傳統(tǒng)保溫管道在結(jié)構(gòu)和材料方面存在較大差異，原有的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口工藝與相關(guān)設(shè)備均已無法適用[1-2]。

國外在深水管道領(lǐng)域的研究起步較早，目前已開發(fā)出多種產(chǎn)品并且在1 000 m以上水深均有成功應(yīng)用案例，如多層聚丙烯復(fù)合涂層保溫管道和不發(fā)泡聚氨酯復(fù)合涂層保溫管道[3]。為進(jìn)行節(jié)點(diǎn)施工，國外同時(shí)開發(fā)了配套的補(bǔ)口設(shè)備，如美國CRC-EVANS公司與加拿大Bredero Shaw公司開發(fā)的聚丙烯注塑模具，其結(jié)構(gòu)由三塊獨(dú)立弧形板構(gòu)成，通過可旋轉(zhuǎn)的外骨架控制開合，主要用于多層聚丙烯復(fù)合涂層保溫管道的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口。我國對深水濕式保溫管道也進(jìn)行了相應(yīng)的國產(chǎn)化研究，目前，玻璃微珠復(fù)合聚氨酯(GSPU)濕式保溫管的工廠加工與預(yù)制技術(shù)已趨于成熟。相對而言，濕式保溫管的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口因海上施工的特殊性和補(bǔ)口材料快速反應(yīng)成型的特點(diǎn)而受到工藝和設(shè)備的限制[4]。

對于深水GSPU濕式保溫管而言，節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口適宜選用聚氨酯彈性體常壓澆注技術(shù)，其中對施工質(zhì)量、施工效率和施工綜合成本影響最為關(guān)鍵的就是節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口澆注模具設(shè)備。目前我國尚未對該類設(shè)備展開系統(tǒng)性研究，而國外相關(guān)企業(yè)對此技術(shù)實(shí)行嚴(yán)格保密。為此，本文結(jié)合GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與聚氨酯澆注要求，開發(fā)了一套適用于GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口的澆注模具。

1 GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及補(bǔ)口要求

1.1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

GSPU保溫管的節(jié)點(diǎn)是對兩根GSPU保溫管端部經(jīng)焊接、防腐和保溫而形成的結(jié)構(gòu)，是管與管的連接部位，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

節(jié)點(diǎn)中部由內(nèi)而外依次為鋼質(zhì)管體、熔結(jié)環(huán)氧(FBE)防腐層、澆注型聚氨酯(CPU)保溫層；節(jié)點(diǎn)兩端由內(nèi)而外依次為鋼制管體、防腐層、GSPU保溫層。為方便管道間進(jìn)行焊接并考慮節(jié)點(diǎn)防腐和保溫，每根管均設(shè)置管端預(yù)留區(qū)域，而且GSPU保溫管預(yù)制時(shí)采用模具澆注工藝實(shí)現(xiàn)成型，管端保溫層形狀受到封堵器的約束而形成斜面，故最終在中間部位形成“倒梯形”空缺。本文所開發(fā)的澆注模具即安裝在該空缺部位，為節(jié)點(diǎn)澆注的聚氨酯彈性體材料提供快速成型固化的環(huán)境條件和外形束縛，最終形成圖1所示的完整節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

圖1 GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Field joint structure of GSPU thermal insulation pipe

1.2 節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口要求

深水GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口模具設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下要求：

(1) 受節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口工序時(shí)間的限制，要求澆注的CPU材料能夠在澆注模具中快速固化，即澆注原料能夠在模具內(nèi)及時(shí)、充分反應(yīng)，因此澆注模具需要采取相應(yīng)的加熱保溫措施。

(2) 為了在鋪設(shè)管道時(shí)確保管線順利通過張緊器，補(bǔ)口完成后的節(jié)點(diǎn)外徑尺寸應(yīng)該與管道外徑相符[5]。

(3) 節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口材料CPU在反應(yīng)固化之前為液態(tài)，應(yīng)避免施工時(shí)因模具密封不嚴(yán)而發(fā)生泄漏，以免造成浪費(fèi)并污染施工場所。

(4) 澆注模具的安裝與拆卸應(yīng)當(dāng)省時(shí)省力，以便節(jié)省操作時(shí)間，減輕施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度，高質(zhì)高效完成節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口澆注。

2 節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口澆注模具的設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

以鋼管直徑219 mm、壁厚12.5 mm、管端預(yù)留300 mm、保溫層厚度75 mm的GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行澆注模具設(shè)計(jì)。模具結(jié)構(gòu)由模具主體、氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)、加熱保溫系統(tǒng)和底座四部分組成。

為方便開合控制，模具主體設(shè)計(jì)為三瓣式合頁結(jié)構(gòu)，包括下部一塊半圓瓣(圓心角為180°)和上部對稱的兩塊1/4圓瓣(圓心角為90°)，每塊1/4圓瓣通過合頁結(jié)構(gòu)與半圓瓣相連，3塊圓瓣閉合時(shí)恰好形成圓形澆注空間。模具長度應(yīng)考慮保溫管管端預(yù)留長度、管端保溫層斜面長度及模具夾裝長度；模具內(nèi)徑尺寸應(yīng)考慮鋼管外徑、防腐層厚度、保溫層厚度及GSPU管外徑誤差，模具主體尺寸可按如下公式計(jì)算：

L=2(L預(yù)留+L斜面+L夾),

(1)

D=D鋼管+2(T防腐+T保溫)+δ,

(2)

式中：L表示模具長度；D表示模具內(nèi)徑；L預(yù)留和L斜面分別為GSPU保溫管管端預(yù)留長度和管端斜面軸向長度；L夾為便于模具夾裝在節(jié)點(diǎn)部位而多出的長度；D鋼管表示裸鋼管的外徑；T防腐和T保溫分別為鋼管表面防腐層與保溫層厚度；δ代表由各種因素導(dǎo)致的GSPU管外徑誤差。對本設(shè)計(jì)而言，防腐層厚度約為0.3 mm，夾裝長度取85 mm，將尺寸參數(shù)代入計(jì)算公式可得，模具長度為920 mm，模具內(nèi)徑為370 mm。

模具主體材質(zhì)采用45#鋼，各瓣厚度為2.5 mm，每瓣上設(shè)置5 mm厚加強(qiáng)肋板用以保證模具剛度，各瓣間通過錯(cuò)位密封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)配合與密封。半圓瓣固定于底座上，其中央位置開有Φ32 mm注料孔，并安裝澆注口用以連接外部注料管；上方的一對1/4圓瓣分別與兩組氣缸相連，由氣缸實(shí)現(xiàn)開合動(dòng)作，兩塊1/4圓瓣的上方各加工三個(gè)半徑為10 mm的半圓孔，可在模具閉合時(shí)形成排氣孔。

氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)包括兩組雙作用氣缸、空壓泵和氣路，氣缸一端鉸接于底座，另一端連接1/4圓瓣用以驅(qū)動(dòng)模具開合[6]。傳動(dòng)系統(tǒng)的加入大大提高了澆注模具的自動(dòng)化水平和自動(dòng)張開/閉合的精準(zhǔn)性，有利于施工效率的提升。加熱保溫系統(tǒng)主要包括伴熱帶、溫度傳感器和控制系統(tǒng)三部分，其中伴熱帶分別貼合在模具的三瓣式模具主體上，對模具按指定溫度進(jìn)行加熱并保溫。該模具經(jīng)初步設(shè)計(jì)后的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Mold structure schematic diagram

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

補(bǔ)口澆注為常壓澆注，澆注量由節(jié)點(diǎn)及模具尺寸決定，而在實(shí)際澆注完成后，CPU材料在固化成型過程中將發(fā)生收縮，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定其收縮率在一維方向上處于2%～2.5%之間。澆注材料發(fā)生收縮，一方面致使節(jié)點(diǎn)部位直徑變小，不能與主體保溫涂層保持一致，可能影響鋪設(shè)效果；另一方面又會(huì)在CPU與GSPU的粘接面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，致使補(bǔ)口處出現(xiàn)開裂傾向，影響節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口質(zhì)量，降低海底管線的保溫性能，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致海水沿界面縫隙滲入、侵蝕節(jié)點(diǎn)防腐層，危及整條管線的安全運(yùn)行。鑒于以上情況，通過大量模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，對澆注模具進(jìn)行部分結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，可在很大程度上解決這些問題，優(yōu)化方案如下。

(1) 適當(dāng)加大模具內(nèi)徑，由Φ370 mm增加至Φ380 mm，但是內(nèi)徑增加量要以節(jié)點(diǎn)能夠順利通過張緊器為前提。

(2) 三瓣結(jié)構(gòu)兩端堆焊“端部板條”，板條厚度為5 mm，使模具端部內(nèi)徑由380 mm縮小為370 mm，在模具內(nèi)壁形成倒錐形，以便與原管道緊密配合，“端部板條”通過斜面平滑過渡至模具內(nèi)壁。優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示；圖3(b)為應(yīng)用優(yōu)化之后模具進(jìn)行節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口的預(yù)期效果，其中箭頭所指為CPU材料固化時(shí)的收縮方向。

這種節(jié)點(diǎn)形式相比優(yōu)化前，不僅能夠補(bǔ)償因CPU收縮而導(dǎo)致的外徑尺寸縮小，而且可以充分利用CPU的收縮性，在兩端的徑向產(chǎn)生“壓緊力”，提升粘接面的粘接強(qiáng)度，降低粘接面處開裂概率，從而提高節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口質(zhì)量。

圖3 優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)及補(bǔ)口效果示意圖Fig.3 Optimized mold structure and corresponding effect for field joint installation

2.3 氣缸規(guī)格的確定

每塊1/4圓瓣的重量可根據(jù)鋼材用量計(jì)算，包括2.5 mm厚模具壁、5 mm厚肋板及10 mm厚各瓣間連接處的端板，共約10 kg?？紤]到配套空壓泵可提供0.2 MPa的空氣工作壓力，故所用氣缸缸徑應(yīng)當(dāng)不小于Φ80 mm。依據(jù)模具尺寸和模具張開角度要求對氣缸行程進(jìn)行估算。為確保模具張開時(shí)能夠順利夾裝到節(jié)點(diǎn)部位，要求最大張開角度如圖4所示，兩側(cè)均需偏移垂直方向15°。經(jīng)計(jì)算可得氣缸實(shí)際動(dòng)作長度在160～180 mm之間。為防止活塞與缸蓋碰撞，氣缸最大行程應(yīng)比實(shí)際動(dòng)作長度長10～20 mm，因此應(yīng)選用行程為200 mm的氣缸[7]。綜上所述，可選擇SC系列標(biāo)準(zhǔn)氣缸SC125×200S作為該模具的驅(qū)動(dòng)氣缸，以滿足推力與行程的要求。

圖4 模具張開角度示意圖Fig.4 Mold opening angle schematic diagram

2.4 澆注口設(shè)計(jì)

使用該模具進(jìn)行補(bǔ)口澆注時(shí)澆注方向?yàn)樽韵露?，注入的CPU材料由底部的澆注口向上充滿澆注空間。該種澆注工藝可以最大限度地排除包夾氣泡的問題，確保澆注材料的密實(shí)度。但澆注完成后，澆注口處不可避免地會(huì)殘存CPU材料，若其與澆注口內(nèi)壁接觸過緊，便會(huì)增大脫模難度，影響施工效率。為避免此類情況的發(fā)生，澆注口應(yīng)設(shè)計(jì)為上粗下細(xì)的錐形結(jié)構(gòu)，且內(nèi)壁需打磨光滑，如圖5所示。脫模時(shí)模具向下移動(dòng)，在這種結(jié)構(gòu)的澆注口處不會(huì)產(chǎn)生阻力，可有效解決脫模困難的問題。

2.5 錯(cuò)位密封結(jié)構(gòu)

CPU材料反應(yīng)固化之前為液態(tài)，如果澆注時(shí)模具密封不嚴(yán)或是模具與節(jié)點(diǎn)配合處存有縫隙，澆注料便會(huì)經(jīng)由這些縫隙流出，既浪費(fèi)、污染施工場地又會(huì)加大模具清理難度，因此必須對澆注時(shí)的密封問題加以考慮。模具與節(jié)點(diǎn)配合處的縫隙可通過粘貼密封膠的方式得到解決，而模具各瓣間的密封則可通過設(shè)計(jì)錯(cuò)位密封結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，必要時(shí)還可在臺階處嵌入密封條來提高密封效果，如圖6所示。

圖5 澆注口結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of sprue gate

圖6 錯(cuò)位密封結(jié)構(gòu)Fig.6 Dislocation seal structure

3 模具試制及工藝試驗(yàn)

基于以上設(shè)計(jì)思路，開發(fā)試制了一套內(nèi)徑380 mm、長920 mm的自動(dòng)開合澆注模具，并結(jié)合相關(guān)配套澆注設(shè)備，按照深水GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口工藝進(jìn)行模擬補(bǔ)口澆注工藝試驗(yàn)，以驗(yàn)證模具的實(shí)際使用性能。所用澆注材料為BASF公司提供的澆注型聚氨酯彈性體雙組份原料(白料Elastoshore 10061R/黑料 Elastoshore 10002T)。圖7所示為試制的澆注模具及使用該模具進(jìn)行的補(bǔ)口澆注試驗(yàn)。表1所示為節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口澆注試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)。表2所示為彈性體雙組份原料的物理性能及反應(yīng)特性。表3所示為反應(yīng)固化后的聚氨酯彈性體性能參數(shù)。

圖7 試制模具及澆注試驗(yàn)Fig.7 Trial-produced mold and pouring test using the mold

表1 節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口澆注試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Pouring test parameters for field joint installation

表2 雙組份原料物理性能及反應(yīng)特性Table 2 Physical properties and reactivity of liquid components

試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，補(bǔ)口完后的節(jié)點(diǎn)內(nèi)部和表面無氣泡、氣孔、裂紋等缺陷，表面光滑平整；長時(shí)間冷卻固化后，節(jié)點(diǎn)處外徑略大于管道外徑，連接處過度平滑；CPU與GSPU之間牢固壓緊，粘接強(qiáng)度較高。試驗(yàn)結(jié)果表明，該套模具具有較好的實(shí)用性能，可以高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口。

表3 聚氨酯彈性體性能參數(shù)Table 3 Typical properties of polyurethane elastomer

圖8 澆注試驗(yàn)結(jié)果照片F(xiàn)ig.8 Picture of pouring test result

工藝試驗(yàn)同時(shí)表明，新開發(fā)的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口澆注模具可預(yù)先加熱并保持在設(shè)定溫度，節(jié)省澆注材料固化、熟化時(shí)間，并且能夠快速自動(dòng)開、合，減去安裝、拆卸模具的工序，縮短節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口澆注施工的整體用時(shí)，有利于陸上保溫管接長預(yù)制及海上鋪設(shè)效率的提高，使鋪管船上寶貴的時(shí)間資源得到充分利用，降低綜合施工成本。表4所示為該模具與傳統(tǒng)模具的使用對比。

表4 澆注模具使用對比Table 4 Comparison of different pouring molds

4 結(jié) 語

節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口澆注模具是實(shí)施深水GSPU保溫管道節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口的關(guān)鍵設(shè)備。本文依據(jù)GSPU保溫管的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及補(bǔ)口要求，提出了一種采用三瓣式結(jié)構(gòu)、自動(dòng)開合方式的模具設(shè)計(jì)思路，并對其具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化與完善。在此基礎(chǔ)上，依照本文設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)開發(fā)了一套節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口自動(dòng)開合澆注模具，利用該套模具進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口澆注工藝試驗(yàn)，施工過程及補(bǔ)口澆注效果表明該模具不僅實(shí)用性好、補(bǔ)口質(zhì)量高，而且能夠節(jié)省管道節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口施工時(shí)間和人員投入，降低綜合施工成本。結(jié)合深水濕式保溫管節(jié)點(diǎn)工程項(xiàng)目的實(shí)際需要，通過進(jìn)一步優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)，該設(shè)備有望在深水GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口中得到推廣應(yīng)用。

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DevelopmentofanAutoOn-OffPouringMoldUsedinFieldJointInstallationofGSPUThermalInsulationPipe

JIA Zhen

(CNOOCEnergyTechnology&ServicePipeEngineeringCo.,Tianjin300452,China)

In view of the field joint structure and construction requirements of glass microsphere syntactic polyurethane (GSPU) deepwater insulation pipes,a set of 3-valve type pouring mold that can open and close automatically driven by pneumatic cylinders is designed.In order to improve the quality of field joint installation as well as mold practicability,the structure is improved and optimized correspondingly.Based on this designing scheme,a physical mold is manufactured and then the pouring test is carried out using the mold.The results show that this pouring mold,to some extent,is able to improve the field joint installation quality while guaranteeing the construction efficiency of field joint installation.Besides,the material and personnel investment is reduced,lowering the composite cost for field joint installation.

subsea pipeline; thermal insulation pipe; glass microsphere syntactic polyurethane (GSPU); field joint installation; pouring mold

2015-12-04

賈振(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事海管防腐、保溫、配重研發(fā)及產(chǎn)品質(zhì)量控制工作。

TE973

A

2095-7297(2016)01-0052-06