焦振峰 楊加棟 王洪洲 趙 利 胡建飛

(1.海油發(fā)展珠海管道工程有限公司 廣東珠海 519050)

(2.中海油能源發(fā)展清潔能源管道技術分公司 天津 300452)

海底管道尤其是海洋平臺立管、水下井口管匯及跨接管等受到海洋洋流的影響，會出現(xiàn)海流渦激振動(VIV)。而減少海流渦激振動的方式之一是在海底管道外部安裝渦激振動抑制裝置，常用的渦激振動抑制裝置為螺旋列板。螺旋列板可改變沿管縱向的海流分離角，從而擾亂旋渦的空間關聯(lián)性，使旋渦分散，進而削弱旋渦的強度，降低升力[1]。它提高了水下導流效率，可避免海洋平臺立管服役期間疲勞失效。聚醚型聚氨酯彈性體具有較強的耐海水、耐磨、耐撕裂、耐沖擊和高回彈等特性，是制造螺旋列板的優(yōu)良材料[2]。

聚氨酯螺旋列板制品通常由聚氧化丙烯多元醇、擴鏈劑等原料配制的P料和改性多異氰酸酯(I料)聚合而成。根據(jù)水深的變化和項目要求，P料中可用部分聚四氫呋喃二醇替代聚氧化丙烯多元醇。P料和I料通過澆注機混合、澆注、高溫模具成型，最后經過高溫后熟化、常溫后熟化及檢驗等工序，最終完成VIV抑制聚氨酯螺旋列板的生產。

聚氨酯螺旋列板常見的澆注缺陷，包括但不限于產品外觀缺陷(輪廓問題、制品氣孔內嵌和局部裂紋等)、尺寸缺陷、硬度缺陷、拉伸強度不合格及脆化易撕裂等。

本研究根據(jù)作者經驗，介紹VIV抑制聚氨酯螺旋列板現(xiàn)場澆注生產中的常見缺陷及解決方法，為聚氨酯螺旋列板現(xiàn)場生產提供工藝和質量保障。

1 VIV抑制聚氨酯螺旋列板產品性能

因實際使用中海底管道鋪設傳動時，由于滾輪導管架撞擊和摩擦等因素，高性能VIV抑制螺旋列板產品需要較好的機械性能。實測的VIV抑制聚氨酯螺旋列板主要的產品性能指標見表1。

表1 高性能VIV抑制螺旋列板產品性能指標

由表1可知，VIV抑制聚氨酯螺旋列板實測性能滿足作為高性能VIV抑制螺旋列板的各項要求。

2 料比和預熱溫度導致的產品缺陷和解決方法

原料配比是影響海底管道VIV抑制聚氨酯螺旋列板產品質量的主要因素，雖然雙組分聚氨酯組合料廠家會提供原料配比說明，但在實際生產及工藝適用性試驗期間發(fā)現(xiàn)，不同廠家、不同原料體系及不同生產批次組合料的固化反應行為和澆注固化效果都略有不同。因配比不當導致的聚氨酯螺旋列板硬度低、易撕裂等缺陷屢見不鮮，應不定期進行現(xiàn)場定量配比小試。比較簡單的方法是將少量的P料和I料在透明杯子中混合，待凝膠及固化后，用木棍或鐵絲戳搗，簡單觀察凝膠和固化效果，不同固化時間硬度與料比數(shù)據(jù)匹配，根據(jù)現(xiàn)場試驗情況對料比進行微調。這種小試、原料配比應用和現(xiàn)場澆注微調匹配的方法，是配比系統(tǒng)調整完善的3個步驟。

P料和I料的預熱溫度也是一個重要參數(shù)，一般設定在30～60℃之間。需注意因聚四氫呋喃二醇體系P料低溫下可能出現(xiàn)局部結晶現(xiàn)象，最終會影響澆注體系均勻性及產品品質，所以P料的預熱溫度應控制在40℃以上。為保證P料和I料的混合效果，防止較高溫度下因凝膠快而來不及操作，澆注時采用接近下限的低料溫以保證充足的混合時間。但低料溫顯然不利于進行澆注成型的化學反應，所以預熱溫度的最佳臨界點需要現(xiàn)場不斷摸索。若是手工多次間歇澆注，混合料加入模具后應盡快開始化學反應，待材料凝膠有一定強度后立即將模具移動至烘箱中，避免模具溫度下降太快引起反應速度、制品均一性偏差。手工間歇澆注推薦采用低料溫混合、高模溫反應、長固化時間的生產工藝。

3 凝膠強度導致產品局部開裂缺陷及解決方法

為了方便澆注及排氣，一般在模具上方設置澆注口。VIV抑制聚氨酯螺旋列板采用間歇多次的澆注方法制備。澆注過程中，不透明模具內凝膠效果和可移動強度不容易掌控，若移動過早，極易導致產品定位槽、鰭部位置局部開裂；停留時間過長，模具溫度驟降，不利于材料反應和固化進行。因固化反應過程中反應熱傳遞到模具，現(xiàn)場澆注時可通過模具溫度變化來預判凝膠效果和可移動時間。模具溫度-時間曲線見圖1。

由圖1可知，當模具從烘箱中取出，隨著模具在空氣中暴露時間的增加，溫度開始下降；當澆注開始時，由于反應為放熱反應，熱量傳遞到模具，模具溫度也逐漸升高；當澆注完成后，因凝膠固化過程還未完結，溫度會持續(xù)升高一段時間；當聚氨酯彈性體凝膠基本完成時，溫度再次開始下降，之后再移動模具，是保證制品不開裂的關鍵環(huán)節(jié)。將其與澆注口處制品是否不粘的簡單判斷相結合，效果更佳。

圖1 澆注模具時間溫度曲線

另一個容易被現(xiàn)場忽視的情況是到規(guī)定的凝膠時間后，制品是否達到可移動的強度。一般情況下應在凝膠完成后繼續(xù)固化1～2 min，確保制品強度可滿足移動要求。

產品局部開裂非常容易發(fā)生在定位槽、鰭部和異形等局部應力較大的位置，解決辦法就是溫度和時間的合理匹配。

4 固化、后熟化的缺陷及解決方法

VIV抑制聚氨酯螺旋列板產品澆注工藝主要包括固化、高溫后熟化和常溫后熟化3個主要階段[3]。

VIV抑制聚氨酯螺旋列板成型固化的參數(shù)取決于原料種類和殼鰭厚度。產品脫模時間的掌控要注意保證產品長久不變形，并具有一定的回彈性。對于有異形、突出、收縮或厚度不均一的產品，因產品局部應力較大，為保證產品質量，需提高固化溫度和延長固化時間。但若為提高生產效率單純地提高固化溫度、縮短固化脫模時間，也可能造成制品動態(tài)力學性能下降。一般情況下，控制固化溫度60～100℃、固化時間45～60 min為宜。另外，使用紅外測溫儀對模具直接測溫操作若不夠規(guī)范，會因為金屬模具表面顏色、狀態(tài)引起反射偏差，導致測溫不準確，這也是常見的固化溫度超高的原因之一。某些原料的體系若固化溫度超高，固化過程發(fā)生熱分解，會導致產品脆裂、易撕裂?？墒褂脤Ｓ玫慕佑|式測溫儀取代通用的紅外測溫儀進行測溫，確保溫度準確性。

制品在模具中固化后，經驗豐富的現(xiàn)場負責人可以通過對修邊余料進行非標撕扯和180°折疊難易程度，來判斷此時聚氨酯螺旋列板制品的大致力學性能，進而通過調整固化溫度來縮短固化時間，提高生產效率。但這樣操作也埋下了隱患，若修邊取樣余料未進行高溫后熟化和常溫后熟化就進行非標撕扯和180°折疊，會增加制品脆裂、撕裂風險。解決隱患的方法是對修邊待檢余料也進行高溫后熟化、常溫后熟化，再直接進行非標撕扯和180°折疊檢測，上述僅僅作為澆注過程經驗判定。

除制品本身的強度缺陷外，高溫后熟化和常溫后熟化時間的不足也是制品拉伸強度、斷裂伸長率不合格的原因之一。高溫后熟化一般在80～100℃、12 h以上，充足的高溫后熟化時間可減小不同批次澆注、固化產生的差異。而常溫后熟化時間以超過3 d，甚至1周為佳，在達到規(guī)定常溫后熟化時間后，制品物理結構和特性才能達到最佳狀態(tài)。要注意用于成品檢測的樣品也要經歷完整的高溫后熟化、常溫后熟化過程。

5 結語

聚氨酯澆注彈性體具有優(yōu)異的耐海水、耐磨、耐沖擊和高回彈性能，可用于生產海洋管線VIV抑制螺旋列板，避免服役期海底管道疲勞失效。

VIV抑制聚氨酯螺旋列板的產品質量與現(xiàn)場澆注工藝密切相關，不同批次原料配比、預混反應溫度、凝膠強度、模具移動、固化、后熟化工藝的設置不當均可能造成制品撕裂、脆化、局部開裂、強度不合格及外觀缺陷?？茖W、嚴格的澆注工藝和現(xiàn)場經驗的有機結合，是提高聚氨酯澆注彈性體質量的關鍵。

(1)原料配比應嚴格按原料說明執(zhí)行，現(xiàn)場應不定期進行定量小試，并以小試結果指導澆注生產。

(2)原料預熱溫度的最佳臨界點需要現(xiàn)場不斷摸索，手工間歇澆注推薦低料溫混合、高模溫反應及長固化時間的生產工藝。

(3)通過澆注模具的溫度時間曲線，在固化過程中，對凝膠強度和可移動時間進行預判，解決VIV抑制聚氨酯螺旋列板局部應力開裂難題。

(4)高溫后熟化、常溫后熟化工藝對成品性能影響十分重要。生產工藝評定測試片、修邊余料測試樣條也需進行高溫和常溫后熟化，完成后再進行拉伸、斷裂、撕裂等性能檢測。

隨著海洋油氣開采的深度增加和設計壽命增長，服役期間可能更多的海洋微生物附著在螺旋列板上，會降低渦激振動的抑制效率[4]?？赏ㄟ^在螺旋列板表面噴涂或刷涂防微生物涂層來解決，防微生物涂層的附著力和耐海水浸泡脫落效果，是VIV抑制聚氨酯螺旋列板重點關注的方向之一。