海底管道混凝土加重技術(shù)現(xiàn)狀分析
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摘要: 文章綜述了海底管道混凝土加重技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀， 從混凝土涂層密度、吸水率、強(qiáng)度、抗彎能力、抗沖擊能力和抗剪切強(qiáng)度等方面論述了混凝土加重涂層的技術(shù)要求及解決方案； 詳細(xì)介紹了噴射沖擊法、擠壓纏繞法、滑模法和離心灌漿法4 種混凝土涂層加重涂敷技術(shù)的設(shè)備組成、原理及施工方法， 其中離心灌漿法為中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院2005 年研究開發(fā)的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的混凝土加重層涂敷新技術(shù)。
關(guān)鍵詞: 海底管道； 混凝土加重層； 離心灌漿法； 性能； 涂敷技術(shù)
中圖分類號(hào): TE973.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
引言
自1954年美國(guó)Brown & Root公司在墨西哥灣氣田鋪設(shè)了世界上第一條長(zhǎng)距離( 長(zhǎng)16 km) 海底管道以來(lái)，迄今為止在墨西哥灣、北海、地中海、澳大利亞、西非拉海域累計(jì)鋪設(shè)了超過(guò)10萬(wàn)km 的海底管道， 鋪設(shè)水深已達(dá)2000 m，管徑已達(dá)1066.8mm。我國(guó)的海底管道是在近20年發(fā)展起來(lái)的，已先后在渤海、東海以及南海累計(jì)鋪設(shè)了約2000km的海底管道。
海底輸油保溫管道一般采用兩種結(jié)構(gòu)形式: 管中管的雙層鋼管結(jié)構(gòu)( 見圖1) 和混凝土加重的單層鋼管結(jié)構(gòu)( 見圖2) 。
圖1－2
雙層鋼管結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)內(nèi)管用于輸送油、氣等介質(zhì)，鋼質(zhì)外管對(duì)保溫層提供可靠的保護(hù)和加重作用， 鋼質(zhì)內(nèi)外管之間有防腐層和聚氨酯泡沫保溫材料層?；炷良又氐膯螌愉摴芙Y(jié)構(gòu)則由內(nèi)及外分別為鋼管、防腐層、聚氨酯泡沫保溫層、聚乙烯防護(hù)層和混凝土加重層，采用這種單層鋼管結(jié)構(gòu)，用混凝土加重層代替雙層管結(jié)構(gòu)的外套鋼管，不僅可以節(jié)約2/3的鋼材，減少鋪管焊接工作量， 也不存在外套管的腐蝕和防腐問(wèn)題，從而提高鋪管效率，降低管道造價(jià)。因此，在淺水海域，混凝土加重的單層鋼管結(jié)構(gòu)形式具有很好的發(fā)展應(yīng)用前景。
1 海底管道混凝土加重涂層的功能及技術(shù)要求
在海底管道上施加混凝土涂層，主要是對(duì)管道提供負(fù)浮力，以保持管道在海底位置穩(wěn)定( 故稱加重層) ；其次是對(duì)管道的外防腐層和鋼管提供機(jī)械保護(hù)，以防止防腐涂層和鋼管在吊裝、運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行期間被損傷?；炷镣繉舆€能增加管道的熱絕緣度， 增加管道對(duì)屈曲穩(wěn)定的抵抗能力。海底管道混凝土涂層的功能決定了混凝土涂層應(yīng)具備的技術(shù)性能，主要有以下幾項(xiàng)技術(shù)要求: 較高的密度、抗壓強(qiáng)度、抗彎能力、抗沖擊能力以及足夠的界面抗剪強(qiáng)度等。
1.1 混凝土加重涂層的密度
在海底危及管道橫向位置穩(wěn)定性的浪、流、水動(dòng)力， 一般是隨管徑的增大而增加的。若采用低密度混凝土涂層，要滿足穩(wěn)定要求，就得增加混凝土涂層厚度。而增加厚度則導(dǎo)致管道外徑加粗，使作用在管道上的水動(dòng)力隨之增加，這樣又需要更大的水下重量才能保持管道穩(wěn)定。如此惡性循環(huán) 所需混凝土涂層厚度就越來(lái)越厚。若采用高密度混凝土涂層，可使涂層厚度減薄，方便施工， 也使管道安裝容易?；炷林饕伤唷⑸?、石、水和外加劑組成，水泥的密度一般為3.1 g/cm3，砂、石的密度一般為2.6 g/cm3，水的密度為1.0 g/cm3，這些材料組成的混凝土密度一般約為2400 kg/m3為了使混凝土獲得較高密度 一般是通過(guò)摻加重骨料( 如鐵礦石) 、降低水灰比、適當(dāng)提高水泥用量等措施來(lái)達(dá)到。目前混凝土能達(dá)到的密度約3500kg/m3?；炷了枰拿芏热Q于實(shí)際工程要求的海底管道水下重量。
1.2 混凝土加重涂層的吸水率
混凝土涂層的吸水率，也是影響海底管道水下重量的不容忽視的因素。吸水率越高，增加的水下重量越大，給鋪管施工對(duì)海底管道的控制帶來(lái)不利。因此在設(shè)計(jì)中要對(duì)吸水率提出明確的規(guī)定，一般要求重量吸水率小于5%。《OFFSHORE STANDARDDNV-OS- F101 SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS2000 》中要求體積吸水率小于8%。通過(guò)降低混凝土的孔隙率、減小連通孔的大小和數(shù)量，可以降低混凝土加重涂層的吸水率，最終增加混凝土的密實(shí)度。
1.3 混凝土加重涂層的抗壓強(qiáng)度
當(dāng)海底管道用鋪管船鋪設(shè)時(shí)，管段在鋪管船甲板上經(jīng)過(guò)焊接站連成較長(zhǎng)的管道，然后通過(guò)張緊器和船尾托管架下水。混凝土加重涂層在通過(guò)張緊器時(shí)，局部長(zhǎng)度的圓周方向被擠壓，靠此壓力摩擦在管道上形成幾十至上百噸的軸向張力，以抵抗管道水下部分因重力等作用產(chǎn)生的下滑， 因此要求混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度。挪威海底管道系統(tǒng)規(guī)范《OFFSHORE STANDARD DNV- OS- F101 SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS 2000 》中要求混凝土涂層最小軸心圓柱體抗壓強(qiáng)度為40 MPa，換算成國(guó)內(nèi)常用的立方體抗壓強(qiáng)度還要更高。提高混凝土涂層的抗壓強(qiáng)度最主要的措施是摻加高效減水劑， 降低混凝土水灰比( 或水膠比) ，或適當(dāng)提高水泥等膠結(jié)料用量等。
1.4 混凝土加重涂層的抗彎能力
采用S 型鋪管船鋪管時(shí)， 管道從鋪管船下放到海床的形態(tài)可以分為拱彎區(qū)和垂彎區(qū)( 如圖3 所示) ， 這樣的狀態(tài)要求混凝土加重層具有較高的抗彎能力， 否則混凝土層會(huì)發(fā)生彎曲破壞而脫落，以至于不能起到加重和保護(hù)的作用； 而在灘海地區(qū)采用拖管法鋪設(shè)管道時(shí)，在管道下沉、棄管和從海底起吊連管作業(yè)時(shí)都有較大的彎曲應(yīng)力，這些都要求加重層混凝土具有較高的抗彎能力。
 增強(qiáng)混凝土加重涂層的抗彎能力， 可以通過(guò)提高混凝土材料本身的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度等措施，但是由于混凝土材料本身的特性導(dǎo)致抗彎能力提高幅度有限。在混凝土中配置縱向和環(huán)向鋼筋籠或鋼絲網(wǎng)是提高混凝土涂層抗彎能力較好的手段之一。另外，還可以在混凝土中摻加纖維增強(qiáng)材料，提高混凝土的抗裂能力和抗彎能力。在鋪設(shè)海底管道的實(shí)際工程中，可以通過(guò)制定施工工藝控制管道的彎曲半徑，來(lái)保證混凝土加重層不發(fā)生破壞甚至脫落。
1.5 混凝土加重涂層的抗沖擊能力
混凝土加重涂層除了為管道提供負(fù)浮力，還有一個(gè)作用就是保護(hù)管道在受到外來(lái)物體沖擊時(shí)不遭到破壞。管道受到外部沖擊主要包括以下幾方面:
( 1) 當(dāng)海況惡劣時(shí)，在鋪管過(guò)程中，波浪力交替地使管道升沉，可能與托管架上的滾輪發(fā)生劇烈的撞擊。
( 2) 若鋪管船在波浪中升沉，而且海底是巖石，剛剛著地的管道隨之升沉與海底巖石碰撞也可能引起進(jìn)一步損傷。
( 3) 海底管道還可能經(jīng)受漁網(wǎng)拖板和投錨沖擊的作用。
( 4) 對(duì)于后挖溝管道，挖溝設(shè)備也有可能損傷管道。
對(duì)于混凝土加重管的抗沖擊性能沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求， 比較流行的做法是采用一定重量的沖擊錘，以一定的沖擊能量對(duì)管道同一點(diǎn)進(jìn)行撞擊試驗(yàn)，要求在一定的沖擊次數(shù)內(nèi)，混凝土的損壞程度應(yīng)不使防腐涂層暴露出來(lái)。
如2002 年?yáng)|方1- 1 氣田113 km 海底輸氣管道混凝土加重層的抗沖擊強(qiáng)度要求是: 以10 kJ 的沖擊能量在管道同一點(diǎn)沖擊5 次，不得露出防腐涂層；美國(guó)擠壓涂層公司( Compression Coat Inc.) 抗沖擊要求: 錘重2.68 t，落錘速度為3.6 m/s ( 沖擊能17.4 kJ) ， 與管軸垂直撞擊到混凝土加重層上， 沖擊5 次后要求錘擊點(diǎn)左右兩側(cè)不得出現(xiàn)300 mm 長(zhǎng)的裂縫；英國(guó)石油有限公司的極限要求: 混凝土加重層承受1 t 重錘以2 m/s 速度撞擊( 沖擊能2 kJ) ， 分別與管軸成90°撞擊60 次和與管軸成60°撞擊20次后， 外表面損壞長(zhǎng)度不得超過(guò)0.9m。
1.6 混凝土加重涂層的界面抗剪切強(qiáng)度
采用鋪管船鋪管時(shí)，一般要通過(guò)張緊器對(duì)管道施加幾十噸的軸向張力。這種軸向張力要經(jīng)過(guò)混凝土與防腐蝕涂層或保溫防護(hù)層界面的抗剪能力來(lái)傳遞。抗剪強(qiáng)度不足時(shí)會(huì)導(dǎo)致混凝土加重層與聚乙烯套管間滑脫，從而造成嚴(yán)重后果。采用拖管法鋪管，在管道下沉、棄管和從海底起吊連管作業(yè)時(shí)也會(huì)遇到管道層間的剪切強(qiáng)度問(wèn)題，特別是在采用底拖法施工時(shí)，混凝土加重層與海底之間的摩擦阻力也要靠混凝土加重層與防腐蝕涂層或保溫防護(hù)層的界面抗剪能力來(lái)傳遞。
因此，混凝土加重層與鋼管外防腐蝕涂層或保溫防護(hù)層界面之間要有足夠的抗剪強(qiáng)度，以保證鋪設(shè)過(guò)程中這兩者之間不發(fā)生滑脫。提高混凝土加重層的界面抗剪切強(qiáng)度可以采取界面增阻措施。不同類型的界面所采取的增阻措施是不同的。據(jù)國(guó)外資料介紹，石油瀝青防腐層和煤焦油瓷漆防腐層與混凝土間有較好的相容性，采用這2 種防腐層時(shí)，混凝土加重層不需要采取增阻措施，但由于這2 種防腐層對(duì)環(huán)境危害較大，目前已基本淘汰。環(huán)氧粉末防腐層、聚乙烯防腐層和聚乙烯夾克層與混凝土間的摩擦阻力較小，混凝土加重層則需要采取增阻措施。增阻措施有以下5 種:
( 1) 打砂法。采用拋丸法， 用打砂機(jī)將聚乙烯防腐層或聚乙烯夾克表面打毛， 該法處理速度快，但費(fèi)用較高， 而且需要將防腐層的厚度余量增加約150 μm。
( 2) 電動(dòng)鋼絲刷打毛法。用電動(dòng)鋼絲刷將聚乙烯表面打毛。這種方法較常用， 處理速度快， 設(shè)備費(fèi)用低， 且操作簡(jiǎn)便易行， 應(yīng)注意的是防止在聚乙烯表面產(chǎn)生較深的劃痕。
( 3) 起脊法。在聚乙烯防腐層的涂敷過(guò)程中，利用噴涂設(shè)備硅膠壓輥上的環(huán)狀凹槽， 在聚乙烯表面形成1 ～2 mm 高的螺旋狀棱條， 以便防滑。
( 4) 電暈法。利用高壓電離的原理， 使聚乙烯防腐層表面粗化。該方法設(shè)備投資較大。
( 5) 熔渣法。在表面包敷聚乙烯的鋼管進(jìn)入水冷區(qū)之前， 將膠性的粉末撒在聚乙烯表面， 形成螺旋狀的粗糙帶， 但目前國(guó)內(nèi)不生產(chǎn)這種增阻用膠性粉末。通過(guò)界面增阻處理， 目前混凝土加重涂層界面的抗剪強(qiáng)度能達(dá)到0.2 MPa 左右， 基本能滿足淺海鋪管施工的要求。
2 海底管道混凝土加重涂層涂敷技術(shù)
目前國(guó)內(nèi)外主要有4 種不同的混凝土加重涂層涂敷方法:
( 1) 采用拋射原理的噴射沖擊法；
( 2) 擠壓纏繞法；
( 3) 滑模法；
( 4) 離心灌漿法。
2.1 噴射沖擊法
噴射沖擊法主要由送料皮帶、一對(duì)鼓輪、步進(jìn)電機(jī)、鋼絲網(wǎng)支架和刮刀組成。工作原理: 由上料傳輸皮帶將混凝土傳輸?shù)剿土掀?，送料皮帶再以一定的速度送入由步進(jìn)電機(jī)控制的高速旋轉(zhuǎn)的一對(duì)鼓輪間隙中，混凝土以較快的速度( 大于25m/s)噴射到已做好防腐的鋼管表面，同時(shí)纏繞加固用的鋼絲網(wǎng)，形成滿足技術(shù)要求的混凝土加重層，最后由刮刀修整噴涂表面，如圖4 所示。
混凝土加重層的厚度與上料皮帶送料的速度有關(guān)，速度越快，送入鼓輪中的混凝土量越多， 噴涂到管體上的厚度也就越大。鼓輪的轉(zhuǎn)速直接影響管道表面混凝土的致密性和附著力。混凝土噴射用于建筑行業(yè)被稱為壓力噴漿或噴射混凝土。噴漿最初用于混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)，噴漿的區(qū)域通常不是結(jié)構(gòu)的最牢固的部位。噴射法生產(chǎn)的混凝土涂層含有大量的氣孔，這導(dǎo)致約5%重量的吸水率。此外，加強(qiáng)筋的不利影響引起抗壓強(qiáng)度的大幅波動(dòng)。還有，噴射法產(chǎn)生的沖擊力對(duì)防腐層有一定的損傷，需要涂敷更厚的防腐涂層。同時(shí)為了獲得好的粘結(jié)和工作性能，需要的水泥多，約為500 ～600 kg/m3。然而， 噴射沖擊法在大量的管道工程中成功使用幾十年，并且對(duì)于它的世界范圍的廣泛應(yīng)用至今沒(méi)有嚴(yán)重的異議。但是， 需要從以下幾方面對(duì)這個(gè)傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)或替代:
( 1) 減少水泥和鐵礦石用量；
( 2) 增加混凝土密度；
( 3) 改善混凝土加重涂層的重量控制。
盡管減少水泥用量還有環(huán)境方面因素的考慮，但水泥等原材料的節(jié)省主要是經(jīng)濟(jì)利益方面的考慮。增加混凝土的密度在管道設(shè)計(jì)方面具有深遠(yuǎn)意義，因?yàn)榛炷梁穸葴p薄將降低水動(dòng)力等對(duì)海底管道穩(wěn)定性的影響，甚至可因此減少挖溝的需要。改善重量控制將便于管道的鋪設(shè)安裝，并且降低對(duì)鋪管船上張緊器能力的要求。
2.2 擠壓纏繞法
擠壓纏繞法主要由上料斗、送料皮帶、纏繞皮帶、步進(jìn)電機(jī)、加固網(wǎng)支架構(gòu)成。工作原理: 由上料斗將混凝土送到送料皮帶上，經(jīng)送料皮帶將混凝土堆積到鋼管表面， 再被纏繞聚乙烯帶施加壓力，混凝土被擠壓到已做好防腐的鋼管表面，同時(shí)放置在混凝土被擠壓層適當(dāng)位置的加固網(wǎng)也和混凝土一起被纏繞擠壓到鋼管表面。通過(guò)調(diào)節(jié)送料皮帶上混凝土的量來(lái)確定涂敷混凝土的厚度。纏繞聚乙烯帶的松緊程度可影響鋼管表面混凝土的致密性 如圖5 所示。
擠壓纏繞法自1973 年以來(lái)，已用于穿河管道、墨西哥灣和智利近海管道中。如美國(guó)田納西天然氣公司在水深85 m、直徑660 mm 的South Pass 管道工程中，就采用擠壓纏繞法涂敷混凝土加重層。擠壓纏繞法應(yīng)用較廣，半自動(dòng)化。涂敷的混凝土加重
層厚度均勻，外觀平滑，端頭可立即加工切齊。該方法涂敷厚度范圍是25 ～80 mm，不適于涂敷太厚的混凝土涂層。
2.3 滑模法
滑模法由計(jì)量場(chǎng)地、涂敷塔和連接兩者的混凝土傳送帶組成， 如圖6 所示。涂敷塔主要由4 根交錯(cuò)能旋轉(zhuǎn)的芯棒、帶有振動(dòng)器的圓柱體滑模、管道頂端定位頂桿和提升滑模的升降機(jī)等組成。工作原理: 先將要涂敷的工作管套在芯棒上， 通過(guò)芯棒旋轉(zhuǎn)到豎直位置，升降機(jī)將滑模套在工作管底端上，用定位頂桿將工作管定位固定，然后將攪拌好的混凝土材料通過(guò)傳送帶倒入滑模和工作管之間的環(huán)形空隙中，滑模邊振動(dòng)邊旋轉(zhuǎn)以一定的速度提升，這樣混凝土就涂敷在工作管上了。
 滑模法涂敷的混凝土涂層厚度均勻，外管平滑，端頭也可立即加工切齊，是近期發(fā)展的一種混凝土涂敷新方法。
2.4 離心灌漿法
上述3 種涂敷方法都是國(guó)外開發(fā)的技術(shù)， 我國(guó)在混凝土加重的海底管道研究應(yīng)用方面起步較晚，近幾年在我國(guó)海域雖有應(yīng)用單層鋼管混凝土加重海底管道的工程案例， 但都是由外國(guó)公司制造、施工或者是由中國(guó)公司引進(jìn)外國(guó)技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)的，成本較高，我國(guó)在這方面還沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院2005 年研究開發(fā)了一種擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的混凝土加重層涂敷新技術(shù)———離心灌漿法。
離心灌漿法引入預(yù)應(yīng)力概念， 將研發(fā)的混凝土加重材料采用離心成型工藝先預(yù)制好海底管道混凝土加重層， 然后將工作管( 做好外防腐的鋼管或保溫管) 穿進(jìn)預(yù)制好的混凝土加重層內(nèi)， 通過(guò)微膨脹灌漿技術(shù)把預(yù)制好的混凝土加重層和工作管粘結(jié)起來(lái)， 形成整體。該技術(shù)與噴射法相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
( 1) 采用離心成型工藝， 混凝土原始水灰比相同時(shí)，由于離心脫水的作用，剩余水灰比減小，離心成型的混凝土強(qiáng)度比振實(shí)成型混凝土的強(qiáng)度高，能提高20% ～30%。因此， 配制相同強(qiáng)度混凝土，可降低水泥用量； 離心成型的混凝土由于離心力的作用，材料顆粒之間結(jié)合得更緊密，能提高混凝土密度( 有資料顯示能增加8%左右) ，有利于配制高密度加重混凝土，獲得相同密度的混凝土所需的鐵礦石用量減少；離心成型的混凝土密實(shí)度高，剩余水灰比低，所以硬化后的孔隙尺寸、連通孔數(shù)量和吸水率較小，可以獲得較低的吸水率，改善加重層混凝土抗?jié)B性和抗凍性等； 成型的混凝土加重層外觀尺寸均勻，重量分布也均勻， 使得加重層的尺寸和重量得到較精確控制。
( 2) 由于配筋對(duì)混凝土加重層施加了預(yù)壓應(yīng)力， 混凝土加重層受到荷載作用時(shí)， 由鋼筋施加的預(yù)壓應(yīng)力部分或全部抵消掉外荷載引起的拉應(yīng)力，從而延緩了混凝土裂縫的出現(xiàn)，減小了裂縫寬度，提高了混凝土加重層的抗裂性。
( 3) 加重層與鋼管之間是通過(guò)具有一定微膨脹性能的灌漿材料來(lái)粘結(jié)的，使得加重層與鋼管之間的附著力較強(qiáng)，能較好地避免海底管道在鋪管施工過(guò)程中加重層與鋼管之間發(fā)生滑脫的現(xiàn)象。
3 結(jié)束語(yǔ)
目前， 國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范對(duì)混凝土加重涂層的技術(shù)要求還是比較簡(jiǎn)單， 僅作出初步的、原則性的規(guī)定。我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)SY/T 10037- 2002 《海底管道系統(tǒng)規(guī)范》( 代替SY/T 4804- 1992) ，也只是等同采用挪威船級(jí)社DNV 的1996 年版《Rules for SubmarinePipeline System》，還應(yīng)該針對(duì)海底管道混凝土加重涂層制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以便對(duì)海底管道混凝土加重涂層技術(shù)質(zhì)量進(jìn)行明確的檢驗(yàn)評(píng)價(jià)。 |
| 原作者： 丁新龍， 韓雪艷， 張長(zhǎng)民， 陳國(guó)祥等 |
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