焦振峰 杨加栋 王洪洲 赵 利 胡建飞

(1.海油发展珠海管道工程有限公司 广东珠海 519050)

(2.中海油能源发展清洁能源管道技术分公司 天津 300452)

海底管道尤其是海洋平台立管、水下井口管汇及跨接管等受到海洋洋流的影响，会出现海流涡激振动(VIV)。而减少海流涡激振动的方式之一是在海底管道外部安装涡激振动抑制装置，常用的涡激振动抑制装置为螺旋列板。螺旋列板可改变沿管纵向的海流分离角，从而扰乱旋涡的空间关联性，使旋涡分散，进而削弱旋涡的强度，降低升力[1]。它提高了水下导流效率，可避免海洋平台立管服役期间疲劳失效。聚醚型聚氨酯弹性体具有较强的耐海水、耐磨、耐撕裂、耐冲击和高回弹等特性，是制造螺旋列板的优良材料[2]。

聚氨酯螺旋列板制品通常由聚氧化丙烯多元醇、扩链剂等原料配制的P料和改性多异氰酸酯(I料)聚合而成。根据水深的变化和项目要求，P料中可用部分聚四氢呋喃二醇替代聚氧化丙烯多元醇。P料和I料通过浇注机混合、浇注、高温模具成型，最后经过高温后熟化、常温后熟化及检验等工序，最终完成VIV抑制聚氨酯螺旋列板的生产。

聚氨酯螺旋列板常见的浇注缺陷，包括但不限于产品外观缺陷(轮廓问题、制品气孔内嵌和局部裂纹等)、尺寸缺陷、硬度缺陷、拉伸强度不合格及脆化易撕裂等。

本研究根据作者经验，介绍VIV抑制聚氨酯螺旋列板现场浇注生产中的常见缺陷及解决方法，为聚氨酯螺旋列板现场生产提供工艺和质量保障。

因实际使用中海底管道铺设传动时，由于滚轮导管架撞击和摩擦等因素，高性能VIV抑制螺旋列板产品需要较好的机械性能。实测的VIV抑制聚氨酯螺旋列板主要的产品性能指标见表1。

表1 高性能VIV抑制螺旋列板产品性能指标

由表1可知，VIV抑制聚氨酯螺旋列板实测性能满足作为高性能VIV抑制螺旋列板的各项要求。

原料配比是影响海底管道VIV抑制聚氨酯螺旋列板产品质量的主要因素，虽然双组分聚氨酯组合料厂家会提供原料配比说明，但在实际生产及工艺适用性试验期间发现，不同厂家、不同原料体系及不同生产批次组合料的固化反应行为和浇注固化效果都略有不同。因配比不当导致的聚氨酯螺旋列板硬度低、易撕裂等缺陷屡见不鲜，应不定期进行现场定量配比小试。比较简单的方法是将少量的P料和I料在透明杯子中混合，待凝胶及固化后，用木棍或铁丝戳捣，简单观察凝胶和固化效果，不同固化时间硬度与料比数据匹配，根据现场试验情况对料比进行微调。这种小试、原料配比应用和现场浇注微调匹配的方法，是配比系统调整完善的3个步骤。

P料和I料的预热温度也是一个重要参数，一般设定在30～60℃之间。需注意因聚四氢呋喃二醇体系P料低温下可能出现局部结晶现象，最终会影响浇注体系均匀性及产品品质，所以P料的预热温度应控制在40℃以上。为保证P料和I料的混合效果，防止较高温度下因凝胶快而来不及操作，浇注时采用接近下限的低料温以保证充足的混合时间。但低料温显然不利于进行浇注成型的化学反应，所以预热温度的最佳临界点需要现场不断摸索。若是手工多次间歇浇注，混合料加入模具后应尽快开始化学反应，待材料凝胶有一定强度后立即将模具移动至烘箱中，避免模具温度下降太快引起反应速度、制品均一性偏差。手工间歇浇注推荐采用低料温混合、高模温反应、长固化时间的生产工艺。

为了方便浇注及排气，一般在模具上方设置浇注口。VIV抑制聚氨酯螺旋列板采用间歇多次的浇注方法制备。浇注过程中，不透明模具内凝胶效果和可移动强度不容易掌控，若移动过早，极易导致产品定位槽、鳍部位置局部开裂；
停留时间过长，模具温度骤降，不利于材料反应和固化进行。因固化反应过程中反应热传递到模具，现场浇注时可通过模具温度变化来预判凝胶效果和可移动时间。模具温度-时间曲线见图1。

由图1可知，当模具从烘箱中取出，随着模具在空气中暴露时间的增加，温度开始下降；
当浇注开始时，由于反应为放热反应，热量传递到模具，模具温度也逐渐升高；
当浇注完成后，因凝胶固化过程还未完结，温度会持续升高一段时间；
当聚氨酯弹性体凝胶基本完成时，温度再次开始下降，之后再移动模具，是保证制品不开裂的关键环节。将其与浇注口处制品是否不粘的简单判断相结合，效果更佳。

图1 浇注模具时间温度曲线

另一个容易被现场忽视的情况是到规定的凝胶时间后，制品是否达到可移动的强度。一般情况下应在凝胶完成后继续固化1～2 min，确保制品强度可满足移动要求。

产品局部开裂非常容易发生在定位槽、鳍部和异形等局部应力较大的位置，解决办法就是温度和时间的合理匹配。

VIV抑制聚氨酯螺旋列板产品浇注工艺主要包括固化、高温后熟化和常温后熟化3个主要阶段[3]。

VIV抑制聚氨酯螺旋列板成型固化的参数取决于原料种类和壳鳍厚度。产品脱模时间的掌控要注意保证产品长久不变形，并具有一定的回弹性。对于有异形、突出、收缩或厚度不均一的产品，因产品局部应力较大，为保证产品质量，需提高固化温度和延长固化时间。但若为提高生产效率单纯地提高固化温度、缩短固化脱模时间，也可能造成制品动态力学性能下降。一般情况下，控制固化温度60～100℃、固化时间45～60 min为宜。另外，使用红外测温仪对模具直接测温操作若不够规范，会因为金属模具表面颜色、状态引起反射偏差，导致测温不准确，这也是常见的固化温度超高的原因之一。某些原料的体系若固化温度超高，固化过程发生热分解，会导致产品脆裂、易撕裂。可使用专用的接触式测温仪取代通用的红外测温仪进行测温，确保温度准确性。

制品在模具中固化后，经验丰富的现场负责人可以通过对修边余料进行非标撕扯和180°折叠难易程度，来判断此时聚氨酯螺旋列板制品的大致力学性能，进而通过调整固化温度来缩短固化时间，提高生产效率。但这样操作也埋下了隐患，若修边取样余料未进行高温后熟化和常温后熟化就进行非标撕扯和180°折叠，会增加制品脆裂、撕裂风险。解决隐患的方法是对修边待检余料也进行高温后熟化、常温后熟化，再直接进行非标撕扯和180°折叠检测，上述仅仅作为浇注过程经验判定。

除制品本身的强度缺陷外，高温后熟化和常温后熟化时间的不足也是制品拉伸强度、断裂伸长率不合格的原因之一。高温后熟化一般在80～100℃、12 h以上，充足的高温后熟化时间可减小不同批次浇注、固化产生的差异。而常温后熟化时间以超过3 d，甚至1周为佳，在达到规定常温后熟化时间后，制品物理结构和特性才能达到最佳状态。要注意用于成品检测的样品也要经历完整的高温后熟化、常温后熟化过程。

聚氨酯浇注弹性体具有优异的耐海水、耐磨、耐冲击和高回弹性能，可用于生产海洋管线VIV抑制螺旋列板，避免服役期海底管道疲劳失效。

VIV抑制聚氨酯螺旋列板的产品质量与现场浇注工艺密切相关，不同批次原料配比、预混反应温度、凝胶强度、模具移动、固化、后熟化工艺的设置不当均可能造成制品撕裂、脆化、局部开裂、强度不合格及外观缺陷。科学、严格的浇注工艺和现场经验的有机结合，是提高聚氨酯浇注弹性体质量的关键。

(1)原料配比应严格按原料说明执行，现场应不定期进行定量小试，并以小试结果指导浇注生产。

(2)原料预热温度的最佳临界点需要现场不断摸索，手工间歇浇注推荐低料温混合、高模温反应及长固化时间的生产工艺。

(3)通过浇注模具的温度时间曲线，在固化过程中，对凝胶强度和可移动时间进行预判，解决VIV抑制聚氨酯螺旋列板局部应力开裂难题。

(4)高温后熟化、常温后熟化工艺对成品性能影响十分重要。生产工艺评定测试片、修边余料测试样条也需进行高温和常温后熟化，完成后再进行拉伸、断裂、撕裂等性能检测。

随着海洋油气开采的深度增加和设计寿命增长，服役期间可能更多的海洋微生物附着在螺旋列板上，会降低涡激振动的抑制效率[4]。可通过在螺旋列板表面喷涂或刷涂防微生物涂层来解决，防微生物涂层的附着力和耐海水浸泡脱落效果，是VIV抑制聚氨酯螺旋列板重点关注的方向之一。

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