近海管道聚丙烯防腐保温系统

1、近海管道聚丙烯防腐保温体系C. Rydin瑞典Boreals AB14th International Conference on Pipeline Protection, Oct. 2001摘要：过去的十五年里，管道多层聚丙烯防腐保温技术已经有了很大发展，并且已经在近海石油工业海底管道上有效用作外防护层。现在人们正在寻求将此项技术应用到水深超过1000米的深水海底管道上。墨西哥湾以及西非和巴西的近海一些新发现的油气田正在开发和应用这项新技术。由于深水水域的油气开发已经成为全球海洋石油工业的发展趋势，其推动了能够满足这样的要求的新材料的发展。因此，聚丙烯（PP）在此领域的最新发展目标对准了这个

2、新的环境需求。本文探讨了专门用于海底管道保温的新型聚丙烯材料的特性和应用效果。1. 引言过去十年里，近海油田的出油管道和立管的保温变得越来越重要了。管道保温层的作用是使出油管道里油气保持足够的输送温度，防止管道停输期间形成水合物和积蜡。随着世界各地近海油气田所在海域水深的增加，只有可靠的海底管道才能保证比较经济地开采这些深水油气田。采用多层防腐保温体系的聚丙烯泡沫保温层是安全、经济、环境友好地将油气从海底油气井输送到海洋生产平台的重要保证。过去十年里，人们已经开展了大量的研究开发工作，目的是为市场提供适合不同用途的改性聚丙烯聚合物。技术的进步造就了新一代聚丙烯材料，如刚性聚丙烯异相嵌段共聚物和

3、高熔体强度聚丙烯聚合物。本文的目的是介绍聚丙烯防腐保温体系和所用的材料，以及在海底管道保温的成功应用。2. 防腐保温材料的要求作为海底管道的防腐保温材料，聚丙烯必须耐高温、抗损伤，具有良好的长期使用性能。在15 25年的油气田正常生产期间，防腐保温层要耐受操作温度和静水压力。已经证实，用作海底管道的聚丙烯防腐保温材料能够耐受最高140的使用温度。这种防腐保温材料具有一定的柔韧性，适合做成盘管在低于零度的寒冷气候中使用。这表明管道聚丙烯防腐保温材料能够在-20至+140很宽的温度范围里使用。采用有二元乙丙橡胶分散相的嵌段共聚单体，甚至在低于0的温度下，管道聚丙烯防腐保温材料依然有很强的抗冲击强度

4、。为使钢管受到防腐保护，防腐材料必须容易熔融。采用多层防腐保温体系时，不同的聚合物层之间以及防护层与钢管之间保持很高的粘接强度是非常重要的。为确保整条出油管道的有效防腐保温，补口的防腐保温材料与主管道防腐保温材料的熔为一体也是非常重要的。预制管段运输中，要求管道聚丙烯防腐保温材料抗冲击，耐磨损。3. 用聚丙烯作为保温材料作为管道防腐材料，已经公认聚丙烯是确保海底钢质管道长期防腐性能的最佳技术和经济方案。由于聚丙烯具有下列特性，所以，聚丙烯也适合作为保温材料：l 耐高温，适用温度范围宽从-20至140；l 柔韧性；l 吸水率低；l 导热系数；l 抗冲击；l 耐磨损；l 抗蠕变，长期性能；l 容易

5、和稳定加工；l 相当适合焊接；l 环境友好。过去十五年里，海底管道的聚丙烯防腐保温体系已经展示优越的性能。聚丙烯保温材料的众多优点，如低吸水率、低导热系数使之具有优越的保温性能、良好的抗压强度等，促成在北海水深超过400米的水域多个保温工程采用了聚丙烯保温材料。事实上，这样的保温管性能可靠，方便安装，所以必定很成功。另一个成功的要素是聚丙烯的加工技术是成熟的，稳定的。这样稳定的生产工艺好掌握，能够确保始终如一的产品质量，使预制防腐保温层达到理想的机械性能，确保整条管道有个完美的防腐保温体系。就职业安全和健康而言，用聚丙烯作为管道防腐保温体系的原料是安全可靠的。聚丙烯属于与环境友好的聚合材料。在

6、钢管的整个防腐保温作业过程中，聚丙烯对环境的影响是很小的。4. 多层防腐保温体系的说明管道的多层聚丙烯防腐保温体系通常由五层构成，其分两步操作完成（见图1）。图1多层聚丙烯防腐保温体系在近海管道上的应用（图中文字）Outer layer 硬质聚丙烯外防护层PP Foam Insulation 聚丙烯泡沫保温层Solid PP 硬质聚丙烯防护层PP Adhesive 聚丙烯粘合剂层Epoxy 熔结环氧粉末防腐层Steel 钢管第一层涂敷在钢管表面的是熔结环氧粉末（FBE）防腐层。第二层是聚丙烯基粘合剂。这是接枝聚丙烯，其通过化学与物理粘结功能，在第一层熔结环氧粉末（FBE）防腐层与第三层硬质聚丙

7、烯防护层之间起到粘合剂的作用。第二步是在已经成型的3LPP聚丙烯防腐层上，挤出形成聚丙烯泡沫层。其起到保温作用。最后是最外层的硬质聚丙烯外防护层，其用于抗紫外线和机械损伤。现场补口是整个管道系统不可忽略的一部分。现场补口包括防腐和保温，全管道长度构成完整的聚丙烯防腐保温体系。5. 应用事例从1989年首次应用以来，在北海水深400米的海域的多项海底管道工程上，已经成功地应用聚丙烯防腐保温体系。在此期间，已经出现了勘探更高温度的油气田的趋势。聚丙烯基粘合剂和聚丙烯基树脂的成功开发，使得将聚丙烯防腐保温体系的耐受温度从110提高到140成为可能。采用聚丙烯保温的主要项目如下表所列。项目年代操作温度

8、海域水深OSEBERG199095120 mGULLFAKS199790140 mÅSGARD1997/1998140400 mHEIDRUN199875350 mSYGNA200090320 mÅSGARD II2000130350 m图2北海Åsgard近海油田项目6. 聚丙烯在深水中的应用海洋石油工业的油气勘探向更深水域的发展，对聚丙烯保温提出了新的更加苛刻的要求。更深的水深意味着需要聚丙烯保温层有更强的抗压强度，能够承受更大的静水压力。这种发展趋势推动了刚性更强的聚丙烯保温材料和改进的聚丙烯保温层结构的开发。6.1 刚性聚丙烯嵌段共聚物开发了刚性更强的聚丙

9、烯聚合物材料，主要目的是显著提高材料的刚性和抗冲击强度，同时改善材料抗蠕变性能。这种异相（heterophasic）聚丙烯是高度的结晶材料，并有良好分布的二元乙丙橡胶分散相。除了明显增强的抗磨损和耐化学特性外，在很宽的温度范围都展现良好的机械性能。6.2 高熔体强度聚丙烯聚合物（HMS-PP）高熔体强度聚丙烯聚合物（HMS-PP）的主要特征是高强度加上增强的聚合物熔体的延伸性。在聚丙烯聚合物里引入长链支化结构，其对发泡有积极的影响。如图3所示，支化结构产生应变-硬化特性，显著增加了聚合物熔体的延伸性。已经用单轴张力试验机，即Rheotens试验机测定了聚合物熔体这种改变的特性。由于高熔体强度聚

10、丙烯聚合物（HMS-PP）的改性，能够观察到气泡的发生是受到控制的，导致形成闭孔泡沫结构稳定的泡沫。用支化结构的聚合物改善了泡沫挤出成形的可加工性能，这项技术使聚合物熔体强行承受纵向应力。图3聚烯烃熔体强度与延伸性的关系曲线（图中文字）Melt strength 熔体强度 Draw down velocity拉伸速度7. 海底管道的聚丙烯泡沫保温现有工业系统生产经验表明，在控制的和稳定的工艺条件下，标准聚丙烯材料能够用化学发泡剂发泡，使其密度从900 kg/cm3降到700 kg/cm3。这些密度值相当于硬质聚丙烯的保温能力（K值）为0.22W/mK，密度700 kg/cm3的聚丙烯泡沫的保温

11、能力（K值）为0.17W/mK。用刚性线性聚丙烯与高熔体强度聚丙烯聚合物（HMS-PP）的混配料挤出成型的泡沫可以达到更低的泡沫密度，由此，与单纯聚丙烯料发泡做成的聚丙烯泡沫相比，增加了保温能力。在一系列研究中，在实验室挤出机上，用化学发泡剂分别使刚性聚丙烯、高熔体强度聚丙烯聚合物（HMS-PP），以及两者的混配料进行发泡成型。试验中用的材料是Borealis公司开发的WB130HMS高熔体强度聚丙烯聚合物（HMS-PP）和BA212E刚性聚丙烯嵌段共聚物。仅仅加入10%的高熔体强度聚丙烯聚合物（HMS-PP），聚丙烯泡沫密度就从660 kg/cm3明显下降到550 kg/cm3。试验中单纯用

12、高熔体强度聚丙烯聚合物（HMS-PP）发泡时，聚丙烯泡沫密度低达370 kg/cm3（见图4）。图4用不同含量的高熔体强度聚丙烯聚合物（HMS-PP）生产出的聚丙烯泡沫密度把刚性线性共聚聚丙烯和高熔体强度聚丙烯聚合物（HMS-PP）的高熔体强度与高熔体伸长率的优点结合在一起，生产出质量极佳的聚丙烯泡沫，管道保温层具有气泡分布均匀和闭孔气泡结构的特点。这样的管道保温层具有更高的抗压强度和更强的抗蠕变强度。对试验结果的评价表明，用刚性聚丙烯和高熔体强度聚丙烯聚合物（HMS-PP）发混配料生产出的保温层的抗压强度比单纯聚丙烯发泡的保温材料的抗压强度高80%（见图5）。图55%压缩率时的抗压强度（图中

13、文字）Reference PP BA202E 标准聚丙烯Stiff-PP BA212E刚性聚丙烯Blend of BA212E-HMS-PP 刚性聚丙烯与高熔体强度聚丙烯混配料Density密度图6分别显示了标准聚丙烯、刚性聚丙烯和刚性聚丙烯与高熔体强度聚丙烯混配料生产的泡沫保温材料的的抗压强度与密度的关系曲线，此图进一步说明了混配料泡沫保温的突出优点。图6管道保温层的抗压强度与密度的对应关系高熔体强度聚丙烯的主要特征是熔体特性，如高延伸性和高强度，从气泡在管道保温层里的分布状况，不难看出这些对泡沫稳定性和泡沫结构都有积极的影响。图8展示了管道保温层横断切片的电子扫描显微镜照片，说明了标准聚丙

14、烯生产的泡沫结构与刚性聚丙烯和高熔体强度聚丙烯的混配料生产的泡沫结构的不同。刚性聚丙烯和高熔体强度聚丙烯的混配料生产的泡沫材料的特点是气泡更小，分布更均匀。由于熔体伸长率更高，所以泡沫更稳定，可以在更靠近钢管外表面的部位发泡。电子扫描显微镜照片的左下角就相当于钢管的外表面。图8a标准聚丙烯生产的泡沫材料图8b刚性聚丙烯与高熔体强度聚丙烯混配料生产的泡沫材料可以根据钢管的实际状况，选择不同浓度配比的刚性聚丙烯和高熔体强度聚丙烯的混配料，生产出特定的管道保温材料。设计海底管道保温层时要兼顾材料密度与抗压强度两者的平衡，满足特定项目水深条件和保温能力（K值）的要求。8. 物理特性表1归纳了新开发的管

15、道聚丙烯保温材料与标准聚丙烯保温材料物理性能的比较。由表可见，新开发的管道聚丙烯保温材料的泡沫密度大约为600 kg/cm3，保温能力（K值）为0.15 W/mK。按照ASTM D695标准以5%单轴向压缩测量的抗压强度为15 MPa。如果泡沫密度增加100单位达到700 kg/cm3，抗压强度将提高33%。相当于保温能力（K值）为0.17 W/mK。在相同泡沫密度条件下，新开发的管道聚丙烯保温材料的抗压强度比标准聚丙烯保温材料提高80%。管道保温层机械强度的增强使得相同厚度的保温层能够用在更深的水域中，或者可以减薄所用保温层的厚度而维持相同的保温能力。表1聚丙烯泡沫保温材料的物理性能性能新型

16、聚丙烯泡沫保温材料新型聚丙烯泡沫保温材料标准聚丙烯泡沫保温材料试验方法密度，kg/cm3616716740ASTM D792K值，W/mK0.1470.170.17ASTM C177拉伸模量，MPa7301050900ISO 6259抗张强度，MPa101514ISO 6259断裂伸长率，%152080ISO 6259压缩5%时抗压强度，MPa152012ASTM D695为评价新型管道聚丙烯防腐保温体系，进行了实物弯曲试验，其模拟用铺管船把预制的防腐保温盘管下入水中的作业。弯曲反复进行四次，模拟卷曲盘管、拉直、卷曲盘管、打开盘管的作业过程。2000年3月在英国爱丁堡的赫利特-瓦特大学的实物试验中，新型管道聚丙烯防腐保温体系成功通过了弯曲试验。9. 新开发的聚丙烯泡沫保温材料的首次应用新开发的管道刚性聚丙烯保温体系首次以工业规模安装在北海Ringhorne油田，2001年第三季度顺利投入使用。10. 结论聚丙烯保温材料的发展趋势是开发刚性更强的聚丙烯。新一代刚性聚丙烯共聚物材料的研发已取得重大进展，并且已经在海底管道多层防腐保温体系中用作保温层。除了刚性聚丙