CN107735244A

CN107735244A - 浮力模块

Info

Publication number: CN107735244A
Application number: CN201680034269.9A
Authority: CN
Inventors: 吴永康; 西格蒙德·帕帕; 安德鲁·J·彼得森
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2018-02-23
Anticipated expiration: 2036-06-10
Also published as: CN107735244B; US20180169977A1; MX2017016275A; AU2016274974B2; CA2989130A1; WO2016201285A1; US10611100B2; KR20180017092A; JP2018520313A; EP3307978A1; RU2017143416A3; AU2016274974A1; AU2016274974B9; RU2017143416A; EP3307978B1

Abstract

本发明公开了一种浮力模块(200)，其由泡沫组合物制成，该泡沫组合物包含以提供具有低密度和高程度的抗压强度两者的硬化的复合泡沫的方式加热的热熔性粉末和玻璃微球的组合。外部阻挡件(220)可封装浮力模块。

Description

浮力模块

技术领域

提供浮力模块及其制备方法。更特别地，所提供的浮力模块包括含有复合泡沫材料的海底浮力模块。

背景技术

各种海底应用需要使用柔性管道，诸如立管、集成管和线缆。在许多情况下，这些管道在海底结构和水面船舶或平台之间延伸并且使这些主体之间能够通信。为了维持管道的完整性和其相关联的结构，管道大体需要保持在松弛和轻轻弯曲的构造中。这使得能够进行合理范围的移动，而不会使管道处于显著张力下。

分布式浮力模块提供了通过向管道的选定部分施加上举力来引起这些海底“波”构造的方式。这些模块通常具有两个主部件：漂浮单元和用于将漂浮单元耦接到管道的紧固机构。浮力模块广泛地用于近海石油和天然气勘探以及海底远程操作的运载工具。当与海底钻探立管一起使用时，这些浮力模块可降低钻探设备的顶部张力。

随着现代近海石油和天然气钻机逐渐向更深的水域移动，浮力模块的技术要求变得更加严格。期望提供用于较深水域应用的高程度的流体静力压力抗性连同低密度，以使模块能够有一致物理尺寸。因为这些特性经常逆相关，所以同时实现两者可以是巨大的工程设计挑战。

发明内容

在现有的浮力模块中，漂浮单元由含有中空填料的环氧树脂复合泡沫制成。一些制造商已经开发了使用由直径在10-100毫米范围内的复合材料大球制成的泡沫的浮力模块。虽然此类泡沫能够提供低密度，但是因为大球具有相对差的压碎强度，所以它们趋于具有差的流体静力压力抗性。

其他人已使用中空玻璃微球作为混入液体环氧树脂中的轻填料来制造浮力模块。与大球相比，这些较小尺寸的填料具有更高的压碎强度，但是它们的使用可导致制造问题。混入这些玻璃泡中增加了液体树脂混合物的粘度，这可限制在保持足够低的粘度以便易于处理时填料的量。虽然可通过共混在反应性稀释剂中来缓解该问题，但是观察到这些稀释剂在经固化的环氧树脂中产生脆性和大体较差的机械性能。液体环氧树脂的另外的缺点为一旦与固化剂混合，就限制这些材料的工作寿命。

所提供的浮力模块使用以提供具有低密度和高程度的抗压强度两者的硬化的复合泡沫的方式加热的热熔性粉末和玻璃微球的组合来制备。

在第一方面，提供制备浮力模块的方法。方法包括：通过共混下面的组分来获取混合物：35至60体积百分比的热熔性粉末；和40至65体积百分比的玻璃微球，每种量基于混合物的总体积；使混合物成形；以及在真空下加热热熔性粉末以提供硬化的复合泡沫，真空足以移除硬化的复合泡沫中基本上所有嵌埋的空隙，从而排除与玻璃微球相关联的空隙。

在第二方面，提供制备浮力模块的方法，包括：通过共混下面的组分来获取混合物：15至60体积百分比的热熔性粉末；和40至95体积百分比的玻璃微球，每种量基于混合物的总体积；使混合物成形；在真空下加热热熔性粉末以提供硬化的复合泡沫；以及在硬化的复合泡沫的至少一部分上施加阻挡层。

在第三方面，提供浮力模块，包括：硬化的复合泡沫，该硬化的复合泡沫包含：35至60体积百分比的热熔性粉末；和40至65体积百分比的玻璃微球，每种量基于硬化的复合泡沫的总体积，其中硬化的复合泡沫基本上不含嵌埋的空隙，从而排除与玻璃微球相关联的空隙。

在第四方面，提供浮力模块，该浮力模块包括：硬化的复合泡沫，该硬化的复合泡沫包含：15至60体积百分比的热熔性粉末；和

40至85体积百分比的玻璃微球，每种量基于硬化的复合泡沫的总体积；以及设置在硬化的复合泡沫的至少一部分上的阻挡层。

附图说明

图1是根据一个示例性实施方案的耦接到柔性管道的浮力模块的透视图。

图2是示出处于三种不同的装配阶段的图1的浮力模块的透视图。

图3是根据另一个示例性实施方案的局部拆开的浮力模块的透视图。

在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开的相同或类似的特征结构或元件。应当理解，本领域的技术人员可以设计出落入本公开原理范围和实质内的许多其它修改和实施方案。附图可不按比例绘制。

定义

如本文所用：

“粒径”意指给定粒子的最长尺寸。

“基本上不含”意指相对于给定组合物的总重量具有小于2体积百分比。

具体实施方式

本文所述的是能够在深海应用中使用的浮力模块的结构方面和组成方面。本说明书将论述各式各样的浮力模块构造、泡沫组合物、阻挡层组合物，以及它们的制备和组装的方法。

浮力模块构造

根据一个示例性实施方案的浮力模块在图1示出并且在此由数字100指代。在该视图中，浮力模块100在完全装配时具有大体圆柱形形状，并且以可释放的方式耦接到管道102。管道102大体是柔性的，并且可将一个端部连接到水面上的平台或其它结构并将其相对端部连接到海底装置，但此类连接在此未示出。

浮力模块100包括以环绕关系接合管道102的主体104和外接主体104并有助于将主体104固定到管道102的一对带106。可使用相应的闩锁108来固定和释放带106，闩锁108将带106的端部互相耦接到彼此，其目的类似于在衣服中使用的带扣的目的。

图2示出当浮力模块100正耦接到管道102时它们将呈现的浮力模块100的内部元件。

如图2的右手侧所示，示出了完全装配的浮力模块100。如图所示，主体104由以环绕关系围绕管道102的配合的蛤壳构造合在一起的两个对称部分110(在这种情况下，两等份)构成。部分110易于分开以允许移除浮力模块100或沿管道102纵向调整其位置。另选地，主体104可分成三个或更多个区段。

为了将浮力模块100附接到管道102的长度，操作者可使用连结的卷曲机构112(也在图2中示出)，其可牢固地夹住管道102以限制沿管道102的纵向滑动。如图中另外所示，主体104的每个部分110具有带有互补凹槽114的通道113，当装配浮力模块100时卷曲机构112驻留在互补凹槽114中。因此，卷曲机构112提供在主体104内的过盈配合，该过盈配合允许模块100既牢固地保持在适当的位置又同时在需要时由操作者容易地移除或调整。

图3示出示例性管道202上的另选的浮力模块200。该实施方案共享前述浮力模块100的特征结构，诸如直接耦接到管道202的卷曲机构212和分离成互补部分210的主体204。

某些差异也是显而易见的。例如，主体204的每个部分210具有一个或多个配准特征结构216，该配准特征结构216被成形用于与相对部分210(图3中未示出)上的互补特征结构配合以防止当将他们彼此紧固时邻接部分210之间的相对滑动。

如图3另外所示，主体204的每个部分210包括内部核心构件218和外部阻挡层220。在一个优选的实施方案中，内部核心构件218由本文公开的泡沫组合物制成。泡沫组合物主要负责模块200的浮力。虽然没有具体限制，但是外部阻挡层220可有利地由比核心构件218更坚韧、更耐用和/或更防水的材料制成。

泡沫组合物

所提供的泡沫组合物包括由包封在聚合物基体材料中的中空玻璃微球(有时也称为玻璃泡或微气球)制成的复合泡沫组合物。聚合物基体材料得自热熔性粉末。泡沫组合物的优选实施方案不含任何反应性稀释剂，该反应性稀释剂趋于使泡沫的物理特性劣化。

在优选的组合物中，玻璃微球具有低密度和高强度的组合—即，这些微球应提供高程度的浮力，同时在弯曲或压缩时同时抵抗破裂。已发现特别合适的玻璃微球具有至少10微米、至少12微米或至少15微米的中值直径。关于上端，合适的玻璃微球可具有至多70微米、至多45微米或至多35微米的中值直径。

玻璃微球还可具有各种粒径分布，其影响它们在连续基体材料内的堆积密度。虽然不需要特别限制尺寸分布，但是使用为至少5、至少7或至少10的D₈₀-D₂₀直径比(第80百分位粒径和第20百分位粒径之间的商)可实现玻璃微球的良好堆积。在同一或另选的实施方案中，D₈₀-D₂₀直径比可以是至多20、至多30或至多50。

基于泡沫组合物的总体积，玻璃微球组分可以至少40体积百分比、至少45体积百分比、至少50体积百分比、至少55体积百分比或至少60体积百分比的量存在。在可用的实施方案中，基于泡沫组合物的总体积，玻璃微球可以至多85体积百分比、至多80体积百分比、至多75体积百分比、至多70体积百分比或至多65体积百分比的量存在。

热熔性粉末可包含一种或多种热塑性材料。合适的热塑性材料可包括例如超高分子量聚乙烯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺和聚醚酮酮，连同它们的共聚物和混合物。

另选的或组合地，热熔性粉末还可包含热固性材料或可交联材料。特别可用的热固性材料包括单组分可交联环氧树脂、酚醛树脂、环氧树脂、改性聚酯、聚氨基甲酸酯丙烯酸类树脂、聚氨基甲酸酯聚酯、环氧官能化丙烯酸类树脂、甲基丙烯酸缩水甘油酯丙烯酸类树脂、聚酯三缩水甘油基异氰脲酸脂以及它们的共聚物和混合物。

热熔性粉末应以提供足够的连续性以允许硬化的泡沫组合物在正常安装和操作条件下内聚地粘结在一起的量存在。基于混合物的总体积，示例性实施方案具有至少15体积百分比、至少20体积百分比、至少25体积百分比、至少30体积百分比或至少35体积百分比。基于混合物的总体积，此类实施方案可具有至多60体积百分比、至多55体积百分比、至多50体积百分比、至多45体积百分比或至多40体积百分比。

热熔性粉末优选地具有足够大以允许与玻璃微球有效混合又足够小使得当加热和/或固化混合物时树脂组分可容易地分散并且填充玻璃微球周围的间隙空间的粒径。任选地，热熔性粉末具有至少1微米、至少5微米或至少10微米的中值粒径。任选地，热熔性粉末具有至多200微米、至多100微米或至多40微米的中值粒径。

热熔性粉末的粒径的期望范围部分取决于玻璃微球的粗度。两种颗粒组分之间的显著差距可显著地复杂化或削弱混合效率。在优选的实施方案中，热熔性粉末和玻璃微球具有至少0.5:1、至少0.75:1或至少0.85:1的中值粒径比。在优选的实施方案中，热熔性粉末和玻璃微球具有至多1.25:1、至多1.15:1或至多1.05:1的中值粒径比。

阻挡层组合物

阻挡层用于保护泡沫组合物免受由于磨蚀和与海底物体或管道自身撞击造成的损害。阻挡层还可提供对来自可随时间推移降解某些聚合物并且致使某些聚合物易碎的光线诸如紫外光的损害的阻挡。最终，阻挡层防止液体诸如水、油或甚至溶剂浸润到泡沫中将是有利的。

优选地，阻挡层由坚韧的硬质材料制成。在一些实施方案中，阻挡层由聚合物构成。合适的聚合物包括硅氧烷、聚氨酯、环氧树脂、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚酯、含氟聚合物、聚氯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯。

阻挡材料还可包含金属材料，诸如铝、钢及其合金。

为了另外提供增强的强度，阻挡层还可包含一种或多种补强添加剂，诸如纤维添加剂。离散纤维添加剂可被配混到聚合物中或在聚合物内形成为一个或多个离散层。用于该目的的纤维材料包括例如玻璃、碳、聚合物、陶瓷、矿物和金属。

硬化的复合泡沫的总强度应足够高，以抵抗高流体静力压力下的破碎以及由浮力模块和海上的其它物体之间的轻微碰撞引起的下陷。在优选的实施方案中，硬化的复合泡沫显示出至少30MPa、至少50MPa或至少60MPa的流体静力强度。在优选的实施方案中，硬化的复合泡沫显示出最高达170MPa、最高达140MPa或最高达100MPa的流体静力强度。

硬化的复合泡沫的浮力通过其密度来反映。较低密度提供较大浮力，并且可通过增加玻璃微球的负载来实现。该密度可以是至少0.45g/cm³、至少0.50g/cm³或至少0.55g/cm³。硬化的合成泡沫的密度可以是至多0.80g/cm³、至多0.70g/cm³或至多0.66g/cm³。

制备方法

所提供的浮力模块可通过混合可熔性树脂粉末、玻璃微球连同任何其它任选的添加剂，将混合的复合材料模塑成期望的形状，并且然后施加热以形成模塑的复合泡沫材料来制备。如果存在外部阻挡层，则可将外部阻挡层设置到泡沫上。就聚合物阻挡层而言，这可通过层合、从聚合物溶液浸渍或涂覆、热成形或其它已知方法来完成。在阻挡层由金属制成的情况下，其可被预形成为可密封的封装件，泡沫接收在该封装件中，并且随后密封该封装件。

优选地，使用该方法，在保持充分混合时，与基体材料混合的中空微球的数量可在非常宽的范围内变化。这使得能够制造显示出高强度和低密度两者的复合泡沫。

相比之下，液体环氧树脂基系统由于复合材料混合物的粘度增加以及不完美的配混这样的混合物的能力而难以在较高微球负载下制备。甚至在此类配混是可能的情况下，高粘度可妨碍微球的分散混合并且阻碍脱气过程，这可导致最终泡沫材料中的空隙。虽然可容忍小程度的空隙，但因为它们趋于不利地影响泡沫强度并且允许水渗透到泡沫中从而降低浮力，所以空隙一般是不期望的。

然后模塑未经固化的复合材料粉末混合物，或以其它方式使其形成为期望的形状。在模塑过程期间施加热量，使得热熔性粉末围绕玻璃微球，从而产生复合泡沫。前提条件是粉末混合物被充分分散和分布，因为位于混合物的间隙中的空隙填充有此时可流动的树脂，所以空隙可基本上消失。

在优选的实施方案中，粉末混合物的加热在减小的压力或真空下进行。有利地，在真空下加热和模塑粉末混合物可另外有助于随着其硬化或固化从泡沫中移除夹带的空隙。由此得到的硬化的复合泡沫可被制成基本上不含任何嵌埋的空隙(排除与玻璃微球相关联的那些空隙)。任选地，硬化的泡沫具有至多1.5体积百分比、至多1体积百分比或至多0.5体积百分比的此类嵌埋的空隙。

任选地，基于树脂制造商所推荐的固化方案，还可使用在各种温度和各种时间段下的多个加热阶段以便于泡沫的均匀固化。这些可另外适于实现复合泡沫的期望特性。在优选的实施方案中，对于固化环氧树脂粉末所推荐的温度在100℃至170℃的范围内。

所提供的浮力模块及制备方法可通过下面的非穷尽实施方案来另外举例说明：

1.一种制备浮力模块的方法，包括：通过共混下面的组分来获取混合物：35至60体积百分比的热熔性粉末；和40至65体积百分比的玻璃微球，每种量基于混合物的总体积；使混合物成形；以及在真空下加热热熔性粉末以提供硬化的复合泡沫，真空足以移除硬化的复合泡沫中基本上所有嵌埋的空隙，从而排除与玻璃微球相关联的空隙。

2.根据实施方案1所述的方法，还包括将阻挡层设置在硬化的复合泡沫的至少一部分上。

3.一种制备浮力模块的方法，包括：通过共混下面的组分来获取混合物：15至60体积百分比的热熔性粉末；和40至95体积百分比的玻璃微球，每种量基于混合物的总体积；使混合物成形；在真空下加热热熔性粉末以提供硬化的复合泡沫；以及在硬化的复合泡沫的至少一部分上施加阻挡层。

4.根据实施方案1至3中任一项的所述方法，其中硬化的复合泡沫基本上不含嵌埋的空隙，从而排除与玻璃微球相关联的空隙。

5.根据实施方案2至4中任一项所述的方法，其中阻挡层包含选自硅氧烷、聚氨酯、聚酰胺、环氧树脂、酚醛树脂、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚酯、含氟聚合物、聚氯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯的聚合物。

6.根据实施方案5所述的方法，其中阻挡层还包含纤维添加剂。

7.根据实施方案6所述的方法，其中纤维添加剂包括玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、陶瓷纤维、矿物纤维和金属纤维中的一种或多种。

8.根据实施方案2至4中任一项所述的方法，其中阻挡层包含金属材料，该金属材料包括铝、钢或其合金。

9.根据实施方案1至8中任一项所述的方法，其中热熔性粉末包含选自超高分子量聚乙烯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚酮酮以及它们的共聚物和混合物的热塑性塑料。

10.根据实施方案1至8中任一项所述的方法，其中热熔性粉末包含选自如下的热固性材料：单组分可交联环氧树脂、酚醛树脂、环氧改性聚酯、聚氨基甲酸酯丙烯酸类树脂、聚氨基甲酸酯聚酯、环氧官能化丙烯酸类树脂、甲基丙烯酸缩水甘油酯丙烯酸类树脂、聚酯三缩水甘油基异氰尿酸树脂以及它们的共聚物和混合物。

11.根据实施方案1至10中任一项所述的方法，其中基于混合物的总体积，玻璃微球以在50体积百分比至65体积百分比范围内的量存在。

12.根据实施方案11所述的方法，其中基于混合物的总体积，玻璃微球以在55体积百分比至65体积百分比范围内的量存在。

13.根据实施方案1至12中任一项所述的方法，其中玻璃微球具有在10微米至70微米范围内的中值直径D₅₀。

14.根据实施方案13所述的方法，其中玻璃微球具有在15微米至45微米范围内的中值直径D₅₀。

15.根据实施方案14所述的方法，其中玻璃微球具有在15微米至35微米范围内的中值直径D₅₀。

16.根据实施方案1至15中任一项所述的方法，其中玻璃微球具有在5微米至50微米范围内的D₈₀-D₂₀直径比。

17.根据实施方案16所述的方法，其中玻璃微球具有在10至30范围内的D₈₀-D₂₀直径比。

18.根据实施方案17所述的方法，其中玻璃微球具有在10至20范围内的D₈₀-D₂₀直径比。

19.根据实施方案1至18中任一项所述的方法，其中热熔性粉末具有在1微米至200微米范围内的中值粒径。

20.根据实施方案19所述的方法，其中热熔性粉末具有在5微米至100微米范围内的中值粒径。

21.根据实施方案20所述的方法，其中热熔性粉末具有在10微米至40微米范围内的中值粒径。

22.根据实施方案1至21中任一项所述的方法，其中热熔性粉末和玻璃微球具有在0.5:1至1.25:1范围内的中值粒径比。

23.根据实施方案22所述的方法，其中热熔性粉末和玻璃微球具有在0.75:1至1.15:1范围内的中值粒径比。

24.根据实施方案22所述的方法，其中热熔性粉末和玻璃微球具有在0.85:1至1.05:1范围内的中值粒径比。

25.根据实施方案1至24中任一项所述的方法，其中混合物基本上不含任何反应性稀释剂。

26.根据实施方案1至25中任一项所述的方法，其中使混合物成形包括将混合物注入到模具中。

27.根据实施方案1至26中任一项所述的方法，其中成形混合物限定容纳海底管道的至少一部分的凹槽或开孔。

28.根据实施方案1至27中任一项所述的方法，其中成形混合物包括具有适于以与海底管道成环绕关系可释放地耦接到彼此的构造的两个或更多个离散部分。

29.使用根据实施方案1至28中任一项所述的方法制备的浮力模块。

30.根据实施方案29所述的浮力模块，其中硬化的复合泡沫显示出在30MPa至170MPa范围内的流体静力强度。

31.根据实施方案30所述的浮力模块，其中硬化的复合泡沫显示出在50MPa至140MPa范围内的流体静力强度。

32.根据实施方案31所述的浮力模块，其中硬化的复合泡沫显示出在60MPa至100MPa范围内的流体静力强度。

33.根据实施方案29至32中任一项所述的浮力模块，其中硬化的复合泡沫具有在0.45g/cm3至0.80g/cm3范围内的密度。

34.根据实施方案33所述的浮力模块，其中硬化的复合泡沫具有在0.50g/cm3至0.70g/cm3范围内的密度。

35.根据实施方案34所述的浮力模块，其中硬化的复合泡沫具有在0.55g/cm3至0.66g/cm3范围内的密度。

36.一种浮力模块，包括：硬化的复合泡沫，该硬化的复合泡沫包含：35至60体积百分比热熔性粉末；和40至65体积百分比的玻璃微球，每种量基于硬化的复合泡沫的总体积，其中硬化的复合泡沫基本上不含嵌埋的空隙，从而排除与玻璃微球相关联的空隙。

37.根据实施方案36所述的浮力模块，还包括设置在硬化的复合泡沫的至少一部分上的阻挡层。

38.一种浮力模块，包括：硬化的复合泡沫，该硬化的复合泡沫包含：15至60体积百分比的热熔性粉末；和40至85体积百分比的玻璃微球，每种量基于硬化的复合泡沫的总体积；以及设置在硬化的复合泡沫的至少一部分上的阻挡层。

39.根据实施方案38所述的浮力模块，其中硬化的复合泡沫基本上不含嵌埋的空隙，从而排除与玻璃微球相关联的空隙。。

40.根据实施方案36至39中任一项所述的浮力模块，其中热熔性粉末包含选自超高分子量聚乙烯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚酮酮以及它们的共聚物和混合物的热塑性塑料。

41.根据实施方案36至39中任一项所述的浮力模块，其中热熔性粉末包含单组分可交联环氧树脂。

42.根据实施方案37至41中任一项所述的浮力模块，其中阻挡层包含选自硅氧烷、聚氨酯、环氧树脂、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚酯、含氟聚合物、聚氯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯以及它们的共聚物和混合物的聚合物。

43.根据实施方案37至41中任一项所述的浮力模块，其中阻挡层包含金属材料，该金属材料包括铝、钢或其合金。

44.根据实施方案36至43中任一项所述的浮力模块，其中硬化的复合泡沫具有适于容纳海底管道的至少一部分的凹槽或开孔。

45.根据实施方案29至44中任一项所述的浮力模块，还包括用于将硬化的复合泡沫以可释放的方式耦接到海底管道的闩锁。

虽然通过以下非限制性实施例，另外说明了本公开的目的和优点，但是以下实施例中列举的具体材料及其量以及其它条件和细节不应视为对本公开的不当限制。

实施例：

如所指出的，在这些实施例中，可以重量份或体积份表示量。缩写包括：HGM＝中空玻璃微球，eq＝当量，g＝克，hrs＝小时，rpm＝每分钟转数，wt＝重量，P＝泊，以及psi＝磅每平方英寸。

材料列表

HGM/粉末状环氧树脂的制备

将不同等级的3M HGM和未经固化的粉末状环氧树脂加入到8oz.(237毫升)的玻璃广口瓶。使用设定在60％强度和60Hz的Resodyne震动混合器混合该混合物1分钟。下表1示出了制备的一系列样品以及它们的理论密度，该理论密度是基于粉末状环氧树脂的密度1.16g/cc计算的。

表1.粉末混合物的组成

HGM/粉末状环氧树脂粉末的固化

将上面制备的2-4克的“HGM/粉末状环氧树脂粉末”加入到直径为1英寸(2.54cm)的不锈钢模具中。将模具放置到320℉下的真空烘箱中。对模具施加15psi(103kPa)的顶部负载压力并且保持28psi(193kPa)真空压力90分钟。然后从烘箱中移除模具组件并且允许其冷却至20℃，之后取出经固化的部分。

单轴压缩测试

根据ASTM D695-10执行单轴压缩测试。称重圆柱形塞并且测量其物理尺寸，并将其放置在平行板之间在这些板的中心处。然后将试样置于轻微的接触压力下并且以2mm/min的速率开始压缩测试直到试样屈服为止，同时记录测试负载。在该点处，停止测试。

流体静力压缩测试

使用液压式测试室执行流体静力压缩测试，该液压式测试室能够使用油作为液压液体产生最高达30,000psi(207MPa)的压力。测试工序类似于ASTM D3102-78的测试工序，不同的是将经固化的复合形式样品直接放置到液压测试室中。

在测试中，活塞泵将精确体积的液压液体递送到测试室中，同时连续记录压力直到达到指定压力为止。通过减去液体自身的压缩率来计算压力下塌缩的体积的百分比。测量经固化的复合泡沫部分的重量和尺寸。将该部分放置到强度测试仪的室中并且浸没到液压液体中。然后记录体积保留随压力的变化。流体静力压力抗性被定义为测量到90％体积保留时的压力。

水浸压力测试

制备在最高达75体积％的各种玻璃微球负载下的复合泡沫的样品，并且将其浸没在20℃下压力为5500psi的水中4周。基于所测量的复合泡沫样品的初始重量和尺寸以及最终重量和尺寸，水吸收被测量为初始重量的百分比，以及测量密度变化。

比较例A和比较例B

根据将HGM2的量调整为59体积％以实现约0.6g/cc的固化密度的配方用液体环氧树脂制备两个比较例。该配方提供于下表2中。

表2.液体环氧树脂基配方

组分	重量份	密度(g/cc)	体积(％)
				液体环氧树脂	45	1.162	24
乙二醇二缩水甘油醚	6	1.118	3
				HGM 2	22	0.23	59
甲基四氢邻苯二甲酸酐	27	1.21	14
				N,N-二甲基苯胺	0.1	0.956	0.03

将液体树脂组分加入到混合杯中并且使用Flacktek速度混合器以3000rpm预混合1分钟。然后加入HGM2并且以相同的混合速度再继续混合1分钟。然后将样品放置在70℃下的真空烘箱中脱气15至30分钟，并且如上再次混合而不需要再次脱气。然后将经脱气的样品转移到不锈钢圆柱形模具。将模具放置到真空烘箱中，并且在模具的顶部施加15psi(103kPa)的恒载压力。然后将样品在真空下在110℃下固化2小时，在140℃下固化4小时，并且最终在160℃下固化4小时。在样品冷却至室温后将其从模具移除。

比较例A和比较例B是复制品并且分别用于获取单轴压缩测试数据和流体静力压缩测试数据。

实施例1和实施例2

基于下表3中提供的量，通过将HGM2与粉末状环氧树脂混合来制备实施例1和实施例2。将HGM的量调整为59体积％以实现约0.6g/cc的固化密度。

表3.粉末状环氧树脂基配方

组分	重量份	密度(g/cc)	体积(％)
				粉末状环氧树脂	100	1.16	41
HGM 2	28.5	0.23	59

使用Resodyne声混合器(Resodyne acoustic mixer)以53％强度将两种粉末组分混合1分钟。将粉末混合物转移到圆柱形不锈钢模具，然后放置到真空烘箱中。在模具的顶部布置15psi(103kPa)恒载压力，并且将样品在真空下在160℃下固化4小时。在样品冷却至室温后将其从模具移除样品。

比较例A和比较例B是复制品并且分别用于获取单轴压缩测试数据和流体静力压缩测试数据。下表4中提供了实施例和比较例在单轴压缩和流体静力压缩下的综合测试数据。

表4.单轴压缩测试数据和流体静力压缩测试数据

实施例3至14

实施例3至5使用用于制备实施例1和实施例2的相同方法来制备，不同的是使用了下表5中提供的玻璃微球组成。同一表示出了来自不同玻璃泡的流体静力压力抗性随复合泡沫密度的变化。

表5各种复合泡沫的流体静力压力抗性

比较例C和实施例15至18

为了确定在不引起空隙形成的情况下密度可降低到的程度，进行了附加的一系列测量，其中随着泡沫中HGM2玻璃微球的体积％增加，测量了湿气吸收。在该数据中，显著的湿气吸收指示水渗透和浮力减小。结果报告于下表6中。

表6.各种复合泡沫的湿气吸收

以上获得专利证书的申请中所有引用的参考文献、专利和专利申请以一致的方式全文以引用方式并入本文中。在结合的参考文献与本专利申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以本专利申请中的信息为准。为了使本领域的普通技术人员能够实践受权利要求书保护的本公开而给出的前述说明不应理解为是对本公开范围的限制，本公开的范围由权利要求书及其所有等同形式限定。

Claims

1.一种制备浮力模块的方法，包括：

通过共混下面的组分来获取混合物：

35至60体积百分比的热熔性粉末；和

40至65体积百分比的玻璃微球，每种量基于所述混合物的总体积；

使所述混合物成形；以及

在真空下加热所述热熔性粉末以提供硬化的复合泡沫，所述真空足以移除所述硬化的复合泡沫中基本上所有嵌埋的空隙，从而排除与所述玻璃微球相关联的空隙。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括将阻挡层设置在所述硬化的复合泡沫的至少一部分上。

3.一种制备浮力模块的方法，包括：

通过共混下面的组分来获取混合物：

15至60体积百分比的热熔性粉末；和

40至95体积百分比的玻璃微球，每种量基于所述混合物的总体积；

使所述混合物成形；

在真空下加热所述热熔性粉末以提供硬化的复合泡沫；以及

在所述硬化的复合泡沫的至少一部分上施加阻挡层。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述硬化的复合泡沫基本上不含嵌埋的空隙，从而排除与所述玻璃微球相关联的空隙。

5.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述热熔性粉末包含选自如下的热固性材料：单组分可交联环氧树脂、酚醛树脂、环氧改性聚酯、聚氨基甲酸酯丙烯酸类树脂、聚氨基甲酸酯聚酯、环氧官能化丙烯酸类树脂、甲基丙烯酸缩水甘油酯丙烯酸类树脂、聚酯三缩水甘油异氰尿酸树脂以及它们的共聚物和混合物。

6.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述玻璃微球具有10微米至70微米的中值直径D₅₀。

7.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述玻璃微球具有5微米至50微米的D₈₀-D₂₀直径比。

8.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述热熔性粉末具有10微米至100微米范围内的中值粒径。

9.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述热熔性粉末和玻璃微球具有在0.5:1至1.25:1范围内的中值粒径比。

10.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所成形的混合物限定容纳海底管道的至少一部分的凹槽或开孔。

11.使用根据权利要求1或2中任一项所述的方法制备的浮力模块。

12.一种浮力模块，包括：

硬化的复合泡沫，所述硬化的复合泡沫包含：

35至60体积百分比的热熔性粉末；和

40至65体积百分比的玻璃微球，每种量基于所述硬化的复合泡沫的总体积，其中所述硬化的复合泡沫基本上不含嵌埋的空隙，从而排除与所述玻璃微球相关联的空隙。

13.根据权利要求12所述的浮力模块，还包括设置在所述硬化的复合泡沫的至少一部分上的阻挡层。

14.一种浮力模块，包括：

硬化的复合泡沫，所述硬化的复合泡沫包含：

15至60体积百分比的热熔性粉末；和

40至85体积百分比的玻璃微球，每种量基于所述硬化的复合泡沫的总体积；以及

设置在所述硬化的复合泡沫的至少一部分上的阻挡层。

15.根据权利要求14所述的浮力模块，其中所述硬化的复合泡沫基本上不含嵌埋的空隙，从而排除与所述玻璃微球相关联的空隙。