蔣林林，韓文禮，2，張紅磊，2，張彥軍，2

1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.CNPC 石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—涂層材料與保溫結(jié)構(gòu)研究室，天津 300451

海底管道鋪設(shè)工程大都采用高密度開孔聚氨酯對混凝土配重層接口進(jìn)行填充[1-4]。在單層海底管道施工中，當(dāng)海底管道的管徑較大、配重層的厚度較大時(shí)，填充的開孔聚氨酯泡沫的熟化上強(qiáng)度時(shí)間較長，影響海上施工效率，增加施工成本。Q/SY 17321—2014[5]規(guī)定高密度開孔聚氨酯泡沫的抗壓強(qiáng)度不小于1.76 MPa。海底管道鋪設(shè)施工不可能給現(xiàn)場填充的高密度開孔聚氨酯泡沫提供室內(nèi)試驗(yàn)樣品的處理?xiàng)l件，填充部位通過滾輪下水時(shí)，高密度開孔聚氨酯泡沫的抗壓強(qiáng)度可能達(dá)不到不小于1.76 MPa 的要求。在深港海底管道施工中發(fā)現(xiàn)，配重層補(bǔ)口填充工位需要的停留時(shí)間不小于30 min，是制約施工效率的主要環(huán)節(jié)之一。為保證海底管道混凝土接頭部位可以順利通過輥輪，提高施工效率，本文從影響開孔聚氨酯泡沫熟化時(shí)間的因素出發(fā)，研究了不同配重層補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)、不同施工工藝、不同熟化時(shí)間對補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)抗壓性能的影響，采用不同的補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)配合施工工藝可有效縮短泡沫熟化時(shí)間，提高施工效率。該項(xiàng)研究成果目前已獲得國家授權(quán)發(fā)明專利，專利號分別為ZL 201510028184.7[6]和 ZL 201510556779.X[7]。

1 泡沫熟化時(shí)間影響因素分析

聚氨酯泡沫由異氰酸酯與組合聚醚反應(yīng)生成：

該反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)。從化學(xué)反應(yīng)的角度來講，反應(yīng)物的濃度、反應(yīng)的溫度、催化劑是影響化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素[9]。提高化學(xué)反應(yīng)速率，可以縮短反應(yīng)時(shí)間，減少聚氨酯泡沫塑料熟化時(shí)間，快速提高泡沫強(qiáng)度。采用催化劑或是調(diào)整反應(yīng)物的參數(shù)可以提高反應(yīng)速率。但該反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，反應(yīng)速率提高，反應(yīng)熱增加，溫度的升高會進(jìn)一步提高反應(yīng)速率，產(chǎn)生大量的熱量，不利于反應(yīng)的正向進(jìn)行。當(dāng)管徑較大、配重層厚度較大時(shí)，填充所需的聚氨酯泡沫的量就會增加，反應(yīng)物的質(zhì)量越大，產(chǎn)生的熱量就越大，而填充厚度大不利于散熱降溫，加之防腐補(bǔ)口作業(yè)導(dǎo)致的管體高溫，多方面的作用導(dǎo)致整個(gè)反應(yīng)程度低，泡沫熟化時(shí)間長，強(qiáng)度增加速率緩慢。減少反應(yīng)物的質(zhì)量、強(qiáng)化散熱降溫有助于反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。

從以上分析可知單從調(diào)節(jié)原料參數(shù)加快反應(yīng)速率出發(fā)，在填充工況不變的情況下很難縮短聚氨酯泡沫的熟化時(shí)間，使其強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)快速提高。

2 補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從泡沫熟化時(shí)間影響因素分析可知，散熱是影響高密度開孔聚氨酯泡沫強(qiáng)度提高的主要因素，從化學(xué)反應(yīng)的角度來講，減少反應(yīng)物的質(zhì)量可減少反應(yīng)的生成熱，熱量減少，散熱相對就快，高密度開孔聚氨酯泡沫強(qiáng)度提高的速率就快；從現(xiàn)場補(bǔ)口填充的工況來講，采取適當(dāng)?shù)慕禍卮胧?，如水噴淋降溫、風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對流降溫等，可有效加快散熱，快速提高高密度開孔聚氨酯泡沫的強(qiáng)度。基于以上兩方面的分析，設(shè)計(jì)了以下研究思路：

（1） 高密度開孔聚氨酯泡沫注料填充。深港海底管道配重層補(bǔ)口填充采用此種方式，本設(shè)計(jì)中采用高密度開孔聚氨酯泡沫注料填充時(shí)，施工工藝采用水噴淋降溫，在反應(yīng)物質(zhì)量不變的情況下，通過改變施工工藝來加速反應(yīng)生成熱散失，達(dá)到降低聚氨酯泡沫溫度，提高聚氨酯泡沫強(qiáng)度的目的。

（2） 高密度開孔聚氨酯泡沫瓦塊 + 注料填充。該種結(jié)構(gòu)從減少現(xiàn)場補(bǔ)口填充反應(yīng)物的角度出發(fā)，采用預(yù)先預(yù)制好的高密度開孔聚氨酯泡沫瓦塊來減少現(xiàn)場補(bǔ)口泡沫料的填充空間，達(dá)到減少反應(yīng)物質(zhì)量，進(jìn)而減少反應(yīng)生成熱量的目的。

3 性能測試

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置示意如圖1 所示，包括QYL 8 t 千斤頂、上海天賀自動(dòng)化儀表有限公司的MIC-1BS4-A多通道數(shù)字顯示控制儀、LCS-C2B-5t 應(yīng)變式負(fù)荷傳感器、模擬滾輪頂具（外徑325 mm、弦長180 mm、長500 mm、厚7 mm 的鋼管片，下端焊接鋼板進(jìn)行加固）。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

3.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)原料為天津愛德化工有限公司的高密度開孔聚氨酯泡沫料（型號AD-200K），起發(fā)時(shí)間：36 ～40 s，凝膠時(shí)間：110 ～120 s，不粘手時(shí)間：140 ～150 s，填充量：30 ～35 kg（黑料：異氰酸酯，白料：組合聚醚）。

試驗(yàn)管段管徑813 mm，長1.8 m，模擬配重層厚度80 mm，填充長度800 mm。

發(fā)泡機(jī)注料速率：2.1 ～2.3 kg/s。

環(huán)境溫度：20.4 ℃。

原料溫度：黑料25 ℃、白料28 ℃。

冷卻水溫度：18 ℃。

冷卻水流量：30 ～35 L/min。

3.3 試驗(yàn)步驟

（1） 將試驗(yàn)管段固定到測試支架上。

（2） 模擬海底管道配重層補(bǔ)口填充工況，對試驗(yàn)管段進(jìn)行配重層補(bǔ)口填充。

（3） 采用千斤頂和測力裝置測試不同補(bǔ)口結(jié)構(gòu)、不同施工工藝時(shí)補(bǔ)口填充部位的抗壓性能。

3.4 試驗(yàn)內(nèi)容

模擬海底管道配重層補(bǔ)口填充施工，補(bǔ)口填充工位停留時(shí)間為30 min。對3 種不同的補(bǔ)口結(jié)構(gòu)形式（見表1） 進(jìn)行不同時(shí)間（從開始補(bǔ)口計(jì)時(shí)）、不同施工工藝時(shí)的抗壓性能測試。

（1） 對于BK1 補(bǔ)口結(jié)構(gòu)，從安裝鍍鋅鐵皮進(jìn)行補(bǔ)口開始計(jì)時(shí)，測試13、17、21、30 min 時(shí)補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)的抗壓性能；另外采用冷卻水噴淋工藝，測試不同噴淋時(shí)間對其抗壓性能的影響，即從補(bǔ)口開始計(jì)時(shí)到17 min 時(shí)，測試噴淋5、7、10 min時(shí)的抗壓性能。

表1 配重層補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)形式

（2） 對于BK2 補(bǔ)口結(jié)構(gòu)，從安裝鍍鋅鐵皮進(jìn)行補(bǔ)口開始計(jì)時(shí)，測試13、17、21 min 時(shí)的抗壓性能。

（3） 對于BK3 補(bǔ)口結(jié)構(gòu)，高密度開孔聚氨酯瓦塊安裝在補(bǔ)口區(qū)域下表面，填充的高密度開孔聚氨酯泡沫起輔助固定作用，僅觀察其填充效果。

4 數(shù)據(jù)分析與討論

采用千斤頂和測力裝置對補(bǔ)口填充部位進(jìn)行加載試驗(yàn)的過程中，數(shù)控儀表記錄了加載時(shí)間和載荷大小，包覆在測力裝置表面的復(fù)寫紙和白紙記錄了接觸面積。通過數(shù)控表記錄的載荷和復(fù)寫紙記錄的接觸面積，大概估算得到補(bǔ)口結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度。

4.1 BK1補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)的抗壓性能

BK1 補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)在補(bǔ)口開始計(jì)時(shí)不同時(shí)間不同測試位置的抗壓強(qiáng)度見表2。

表2 BK1 補(bǔ)口結(jié)構(gòu)不同時(shí)間不同測試位置的抗壓強(qiáng)度

從表2 數(shù)據(jù)可以看出，隨著時(shí)間的延長，泡沫熟化時(shí)間延長，BK1 補(bǔ)口結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。從測試結(jié)果來看，補(bǔ)口填充部位在補(bǔ)口開始計(jì)時(shí)到13 min 時(shí)，補(bǔ)口部位的抗壓強(qiáng)度均值為0.22 MPa；計(jì)時(shí)到17 min 時(shí)，補(bǔ)口部位的抗壓強(qiáng)度均值為0.25 MPa；計(jì)時(shí)到21 min 時(shí)，補(bǔ)口部位的抗壓強(qiáng)度均值為0.26 MPa，計(jì)時(shí)到30 min 時(shí)，補(bǔ)口部位的抗壓強(qiáng)度均值為0.28 MPa。近似認(rèn)為高密度開孔聚氨酯泡沫配重層填充部位順利通過輥輪需要的抗壓強(qiáng)度為0.28 MPa。

BK1 補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)采用冷卻水噴淋不同時(shí)間，在補(bǔ)口開始計(jì)時(shí)到17 min 時(shí)的抗壓強(qiáng)度見表3。

表3 BK1 補(bǔ)口結(jié)構(gòu)冷卻水噴淋不同時(shí)間不同測試位置的抗壓強(qiáng)度

從表3 數(shù)據(jù)可以看出：噴淋5 min 時(shí)的補(bǔ)口結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度均值為0.34 MPa，噴淋7 min 時(shí)的抗壓強(qiáng)度均值為0.43 MPa，噴淋10 min 時(shí)的抗壓強(qiáng)度均值為0.32 MPa。噴淋10 min 時(shí)的抗壓強(qiáng)度小于噴淋5 min 和7 min 時(shí)的抗壓強(qiáng)度是由于水壓波動(dòng)的影響。隨著噴淋時(shí)間的增長，不同測點(diǎn)的抗壓強(qiáng)度也存在差異，這與補(bǔ)口填充空間聚氨酯泡沫反應(yīng)的程度、噴淋的均勻性有關(guān)。與未采用噴淋水冷卻工藝的同種結(jié)構(gòu)相比采用噴淋水冷卻工藝之后整體抗壓強(qiáng)度變大。

4.2 BK2補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)的抗壓性能

BK2 補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)在補(bǔ)口開始計(jì)時(shí)不同時(shí)間不同測試位置的抗壓強(qiáng)度見表4。

表4 BK2 補(bǔ)口結(jié)構(gòu)不同時(shí)間不同測試位置的抗壓強(qiáng)度

從表4 數(shù)據(jù)可以看出，隨著時(shí)間的延長，泡沫熟化時(shí)間延長，BK2 補(bǔ)口結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。從測試結(jié)果來看，補(bǔ)口填充部位在補(bǔ)口開始計(jì)時(shí)到13 min 時(shí)，補(bǔ)口部位的抗壓強(qiáng)度均值為0.28 MPa；到17 min 時(shí)，補(bǔ)口部位的抗壓強(qiáng)度為0.32 MPa；到21 min 時(shí)，補(bǔ)口部位的抗壓強(qiáng)度均值為0.37 MPa。在補(bǔ)口開始計(jì)時(shí)經(jīng)相同時(shí)間，BK2補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)的抗壓性能均大于BK1 補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)的抗壓性能，可見，減少聚氨酯泡沫原料的質(zhì)量可以有效縮短聚氨酯泡沫的熟化時(shí)間，加速聚氨酯泡沫強(qiáng)度的提高。BK2 補(bǔ)口結(jié)構(gòu)開始計(jì)時(shí)到13 min時(shí)的抗壓性能已經(jīng)達(dá)到BK1 補(bǔ)口結(jié)構(gòu)到30 min 的抗壓性能。但與采用噴淋設(shè)施的BK1 補(bǔ)口結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度相比，BK2 補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度略小。

4.3 BK3補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)的抗壓性能

BK3 補(bǔ)口結(jié)構(gòu)，高密度開孔聚氨酯注料填充情況良好，可以起到固定高密度開孔聚氨酯泡沫瓦塊的作用。半周80 mm 厚高密度開孔聚氨酯泡沫瓦塊為預(yù)制結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度符合Q/SY 17321—2014 規(guī)定，不小于1.76 MPa，安裝于補(bǔ)口位置下表面，可使補(bǔ)口結(jié)構(gòu)順利通過輥輪。該結(jié)構(gòu)可以忽略現(xiàn)場澆注聚氨酯泡沫強(qiáng)度對海底管道施工的影響，提高施工效率。

5 結(jié)論

BK1 補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)結(jié)合冷卻水噴淋工藝對泡沫強(qiáng)度的提高效果優(yōu)于未采用冷卻水噴淋工藝的同種結(jié)構(gòu)以及BK2 補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)。

BK2 補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)從補(bǔ)口開始計(jì)時(shí)到13 min時(shí)的抗壓性能達(dá)到BK1 補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)到30 min 時(shí)的抗壓強(qiáng)度。

BK3 補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)可以忽略現(xiàn)場澆注聚氨酯泡沫強(qiáng)度對鋪管施工的影響，提高施工效率。

綜上所述，三種補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)結(jié)合相應(yīng)的施工工藝，達(dá)到深港海底管道配重層補(bǔ)口填充結(jié)構(gòu)要求的抗壓性能所需的時(shí)間均大幅減少，減少配重層填充工位用時(shí)，可以提高海上施工效率。