| 摘要: 文章综述了海底管道混凝土加重技术发展现状， 从混凝土涂层密度、吸水率、强度、抗弯能力、抗冲击能力和抗剪切强度等方面论述了混凝土加重涂层的技术要求及解决方案； 详细介绍了喷射冲击法、挤压缠绕法、滑模法和离心灌浆法4 种混凝土涂层加重涂敷技术的设备组成、原理及施工方法， 其中离心灌浆法为中国石油集团工程技术研究院2005 年研究开发的拥有自主知识产权的混凝土加重层涂敷新技术。 关键词: 海底管道； 混凝土加重层； 离心灌浆法； 性能； 涂敷技术 中图分类号: TE973.92 文献标识码: A 引言 自1954年美国Brown & Root公司在墨西哥湾气田铺设了世界上第一条长距离( 长16 km) 海底管道以来，迄今为止在墨西哥湾、北海、地中海、澳大利亚、西非拉海域累计铺设了超过10万km 的海底管道， 铺设水深已达2000 m，管径已达1066.8mm。我国的海底管道是在近20年发展起来的，已先后在渤海、东海以及南海累计铺设了约2000km的海底管道。 海底输油保温管道一般采用两种结构形式: 管中管的双层钢管结构( 见图1) 和混凝土加重的单层钢管结构( 见图2) 。 图1－2 双层钢管结构的钢质内管用于输送油、气等介质，钢质外管对保温层提供可靠的保护和加重作用， 钢质内外管之间有防腐层和聚氨酯泡沫保温材料层。混凝土加重的单层钢管结构则由内及外分别为钢管、防腐层、聚氨酯泡沫保温层、聚乙烯防护层和混凝土加重层，采用这种单层钢管结构，用混凝土加重层代替双层管结构的外套钢管，不仅可以节约2/3的钢材，减少铺管焊接工作量， 也不存在外套管的腐蚀和防腐问题，从而提高铺管效率，降低管道造价。因此，在浅水海域，混凝土加重的单层钢管结构形式具有很好的发展应用前景。 1 海底管道混凝土加重涂层的功能及技术要求 在海底管道上施加混凝土涂层，主要是对管道提供负浮力，以保持管道在海底位置稳定( 故称加重层) ；其次是对管道的外防腐层和钢管提供机械保护，以防止防腐涂层和钢管在吊装、运输、安装和运行期间被损伤。混凝土涂层还能增加管道的热绝缘度， 增加管道对屈曲稳定的抵抗能力。海底管道混凝土涂层的功能决定了混凝土涂层应具备的技术性能，主要有以下几项技术要求: 较高的密度、抗压强度、抗弯能力、抗冲击能力以及足够的界面抗剪强度等。 1.1 混凝土加重涂层的密度 在海底危及管道横向位置稳定性的浪、流、水动力， 一般是随管径的增大而增加的。若采用低密度混凝土涂层，要满足稳定要求，就得增加混凝土涂层厚度。而增加厚度则导致管道外径加粗，使作用在管道上的水动力随之增加，这样又需要更大的水下重量才能保持管道稳定。如此恶性循环 所需混凝土涂层厚度就越来越厚。若采用高密度混凝土涂层，可使涂层厚度减薄，方便施工， 也使管道安装容易。混凝土主要由水泥、砂、石、水和外加剂组成，水泥的密度一般为3.1 g/cm3，砂、石的密度一般为2.6 g/cm3，水的密度为1.0 g/cm3，这些材料组成的混凝土密度一般约为2400 kg/m3为了使混凝土获得较高密度 一般是通过掺加重骨料( 如铁矿石) 、降低水灰比、适当提高水泥用量等措施来达到。目前混凝土能达到的密度约3500kg/m3。混凝土所需要的密度取决于实际工程要求的海底管道水下重量。 1.2 混凝土加重涂层的吸水率 混凝土涂层的吸水率，也是影响海底管道水下重量的不容忽视的因素。吸水率越高，增加的水下重量越大，给铺管施工对海底管道的控制带来不利。因此在设计中要对吸水率提出明确的规定，一般要求重量吸水率小于5%。《OFFSHORE STANDARDDNV-OS- F101 SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS2000 》中要求体积吸水率小于8%。通过降低混凝土的孔隙率、减小连通孔的大小和数量，可以降低混凝土加重涂层的吸水率，最终增加混凝土的密实度。 1.3 混凝土加重涂层的抗压强度 当海底管道用铺管船铺设时，管段在铺管船甲板上经过焊接站连成较长的管道，然后通过张紧器和船尾托管架下水。混凝土加重涂层在通过张紧器时，局部长度的圆周方向被挤压，靠此压力摩擦在管道上形成几十至上百吨的轴向张力，以抵抗管道水下部分因重力等作用产生的下滑， 因此要求混凝土具有较高的抗压强度。挪威海底管道系统规范《OFFSHORE STANDARD DNV- OS- F101 SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS 2000 》中要求混凝土涂层最小轴心圆柱体抗压强度为40 MPa，换算成国内常用的立方体抗压强度还要更高。提高混凝土涂层的抗压强度最主要的措施是掺加高效减水剂， 降低混凝土水灰比( 或水胶比) ，或适当提高水泥等胶结料用量等。 1.4 混凝土加重涂层的抗弯能力 采用S 型铺管船铺管时， 管道从铺管船下放到海床的形态可以分为拱弯区和垂弯区( 如图3 所示) ， 这样的状态要求混凝土加重层具有较高的抗弯能力， 否则混凝土层会发生弯曲破坏而脱落，以至于不能起到加重和保护的作用； 而在滩海地区采用拖管法铺设管道时，在管道下沉、弃管和从海底起吊连管作业时都有较大的弯曲应力，这些都要求加重层混凝土具有较高的抗弯能力。 增强混凝土加重涂层的抗弯能力， 可以通过提高混凝土材料本身的抗拉强度和抗弯强度等措施，但是由于混凝土材料本身的特性导致抗弯能力提高幅度有限。在混凝土中配置纵向和环向钢筋笼或钢丝网是提高混凝土涂层抗弯能力较好的手段之一。另外，还可以在混凝土中掺加纤维增强材料，提高混凝土的抗裂能力和抗弯能力。在铺设海底管道的实际工程中，可以通过制定施工工艺控制管道的弯曲半径，来保证混凝土加重层不发生破坏甚至脱落。 1.5 混凝土加重涂层的抗冲击能力 混凝土加重涂层除了为管道提供负浮力，还有一个作用就是保护管道在受到外来物体冲击时不遭到破坏。管道受到外部冲击主要包括以下几方面: ( 1) 当海况恶劣时，在铺管过程中，波浪力交替地使管道升沉，可能与托管架上的滚轮发生剧烈的撞击。 ( 2) 若铺管船在波浪中升沉，而且海底是岩石，刚刚着地的管道随之升沉与海底岩石碰撞也可能引起进一步损伤。 ( 3) 海底管道还可能经受渔网拖板和投锚冲击的作用。 ( 4) 对于后挖沟管道，挖沟设备也有可能损伤管道。 对于混凝土加重管的抗冲击性能没有统一的标准要求， 比较流行的做法是采用一定重量的冲击锤，以一定的冲击能量对管道同一点进行撞击试验，要求在一定的冲击次数内，混凝土的损坏程度应不使防腐涂层暴露出来。 如2002 年东方1- 1 气田113 km 海底输气管道混凝土加重层的抗冲击强度要求是: 以10 kJ 的冲击能量在管道同一点冲击5 次，不得露出防腐涂层；美国挤压涂层公司( Compression Coat Inc.) 抗冲击要求: 锤重2.68 t，落锤速度为3.6 m/s ( 冲击能17.4 kJ) ， 与管轴垂直撞击到混凝土加重层上， 冲击5 次后要求锤击点左右两侧不得出现300 mm 长的裂缝；英国石油有限公司的极限要求: 混凝土加重层承受1 t 重锤以2 m/s 速度撞击( 冲击能2 kJ) ， 分别与管轴成90°撞击60 次和与管轴成60°撞击20次后， 外表面损坏长度不得超过0.9m。 1.6 混凝土加重涂层的界面抗剪切强度 采用铺管船铺管时，一般要通过张紧器对管道施加几十吨的轴向张力。这种轴向张力要经过混凝土与防腐蚀涂层或保温防护层界面的抗剪能力来传递。抗剪强度不足时会导致混凝土加重层与聚乙烯套管间滑脱，从而造成严重后果。采用拖管法铺管，在管道下沉、弃管和从海底起吊连管作业时也会遇到管道层间的剪切强度问题，特别是在采用底拖法施工时，混凝土加重层与海底之间的摩擦阻力也要靠混凝土加重层与防腐蚀涂层或保温防护层的界面抗剪能力来传递。 因此，混凝土加重层与钢管外防腐蚀涂层或保温防护层界面之间要有足够的抗剪强度，以保证铺设过程中这两者之间不发生滑脱。提高混凝土加重层的界面抗剪切强度可以采取界面增阻措施。不同类型的界面所采取的增阻措施是不同的。据国外资料介绍，石油沥青防腐层和煤焦油瓷漆防腐层与混凝土间有较好的相容性，采用这2 种防腐层时，混凝土加重层不需要采取增阻措施，但由于这2 种防腐层对环境危害较大，目前已基本淘汰。环氧粉末防腐层、聚乙烯防腐层和聚乙烯夹克层与混凝土间的摩擦阻力较小，混凝土加重层则需要采取增阻措施。增阻措施有以下5 种: ( 1) 打砂法。采用抛丸法， 用打砂机将聚乙烯防腐层或聚乙烯夹克表面打毛， 该法处理速度快，但费用较高， 而且需要将防腐层的厚度余量增加约150 μm。 ( 2) 电动钢丝刷打毛法。用电动钢丝刷将聚乙烯表面打毛。这种方法较常用， 处理速度快， 设备费用低， 且操作简便易行， 应注意的是防止在聚乙烯表面产生较深的划痕。 ( 3) 起脊法。在聚乙烯防腐层的涂敷过程中，利用喷涂设备硅胶压辊上的环状凹槽， 在聚乙烯表面形成1 ～2 mm 高的螺旋状棱条， 以便防滑。 ( 4) 电晕法。利用高压电离的原理， 使聚乙烯防腐层表面粗化。该方法设备投资较大。 ( 5) 熔渣法。在表面包敷聚乙烯的钢管进入水冷区之前， 将胶性的粉末撒在聚乙烯表面， 形成螺旋状的粗糙带， 但目前国内不生产这种增阻用胶性粉末。通过界面增阻处理， 目前混凝土加重涂层界面的抗剪强度能达到0.2 MPa 左右， 基本能满足浅海铺管施工的要求。 2 海底管道混凝土加重涂层涂敷技术 目前国内外主要有4 种不同的混凝土加重涂层涂敷方法: ( 1) 采用抛射原理的喷射冲击法； ( 2) 挤压缠绕法； ( 3) 滑模法； ( 4) 离心灌浆法。 2.1 喷射冲击法 喷射冲击法主要由送料皮带、一对鼓轮、步进电机、钢丝网支架和刮刀组成。工作原理: 由上料传输皮带将混凝土传输到送料皮带上，送料皮带再以一定的速度送入由步进电机控制的高速旋转的一对鼓轮间隙中，混凝土以较快的速度( 大于25m/s)喷射到已做好防腐的钢管表面，同时缠绕加固用的钢丝网，形成满足技术要求的混凝土加重层，最后由刮刀修整喷涂表面，如图4 所示。 混凝土加重层的厚度与上料皮带送料的速度有关，速度越快，送入鼓轮中的混凝土量越多， 喷涂到管体上的厚度也就越大。鼓轮的转速直接影响管道表面混凝土的致密性和附着力。混凝土喷射用于建筑行业被称为压力喷浆或喷射混凝土。喷浆最初用于混凝土结构修补，喷浆的区域通常不是结构的最牢固的部位。喷射法生产的混凝土涂层含有大量的气孔，这导致约5%重量的吸水率。此外，加强筋的不利影响引起抗压强度的大幅波动。还有，喷射法产生的冲击力对防腐层有一定的损伤，需要涂敷更厚的防腐涂层。同时为了获得好的粘结和工作性能，需要的水泥多，约为500 ～600 kg/m3。然而， 喷射冲击法在大量的管道工程中成功使用几十年，并且对于它的世界范围的广泛应用至今没有严重的异议。但是， 需要从以下几方面对这个传统方法进行改进或替代: ( 1) 减少水泥和铁矿石用量； ( 2) 增加混凝土密度； ( 3) 改善混凝土加重涂层的重量控制。 尽管减少水泥用量还有环境方面因素的考虑，但水泥等原材料的节省主要是经济利益方面的考虑。增加混凝土的密度在管道设计方面具有深远意义，因为混凝土厚度减薄将降低水动力等对海底管道稳定性的影响，甚至可因此减少挖沟的需要。改善重量控制将便于管道的铺设安装，并且降低对铺管船上张紧器能力的要求。 2.2 挤压缠绕法 挤压缠绕法主要由上料斗、送料皮带、缠绕皮带、步进电机、加固网支架构成。工作原理: 由上料斗将混凝土送到送料皮带上，经送料皮带将混凝土堆积到钢管表面， 再被缠绕聚乙烯带施加压力，混凝土被挤压到已做好防腐的钢管表面，同时放置在混凝土被挤压层适当位置的加固网也和混凝土一起被缠绕挤压到钢管表面。通过调节送料皮带上混凝土的量来确定涂敷混凝土的厚度。缠绕聚乙烯带的松紧程度可影响钢管表面混凝土的致密性 如图5 所示。 挤压缠绕法自1973 年以来，已用于穿河管道、墨西哥湾和智利近海管道中。如美国田纳西天然气公司在水深85 m、直径660 mm 的South Pass 管道工程中，就采用挤压缠绕法涂敷混凝土加重层。挤压缠绕法应用较广，半自动化。涂敷的混凝土加重 层厚度均匀，外观平滑，端头可立即加工切齐。该方法涂敷厚度范围是25 ～80 mm，不适于涂敷太厚的混凝土涂层。 2.3 滑模法 滑模法由计量场地、涂敷塔和连接两者的混凝土传送带组成， 如图6 所示。涂敷塔主要由4 根交错能旋转的芯棒、带有振动器的圆柱体滑模、管道顶端定位顶杆和提升滑模的升降机等组成。工作原理: 先将要涂敷的工作管套在芯棒上， 通过芯棒旋转到竖直位置，升降机将滑模套在工作管底端上，用定位顶杆将工作管定位固定，然后将搅拌好的混凝土材料通过传送带倒入滑模和工作管之间的环形空隙中，滑模边振动边旋转以一定的速度提升，这样混凝土就涂敷在工作管上了。 滑模法涂敷的混凝土涂层厚度均匀，外管平滑，端头也可立即加工切齐，是近期发展的一种混凝土涂敷新方法。 2.4 离心灌浆法 上述3 种涂敷方法都是国外开发的技术， 我国在混凝土加重的海底管道研究应用方面起步较晚，近几年在我国海域虽有应用单层钢管混凝土加重海底管道的工程案例， 但都是由外国公司制造、施工或者是由中国公司引进外国技术和设备生产的，成本较高，我国在这方面还没有自主知识产权。中国石油集团工程技术研究院2005 年研究开发了一种拥有自主知识产权的混凝土加重层涂敷新技术———离心灌浆法。 离心灌浆法引入预应力概念， 将研发的混凝土加重材料采用离心成型工艺先预制好海底管道混凝土加重层， 然后将工作管( 做好外防腐的钢管或保温管) 穿进预制好的混凝土加重层内， 通过微膨胀灌浆技术把预制好的混凝土加重层和工作管粘结起来， 形成整体。该技术与喷射法相比具有如下优点: ( 1) 采用离心成型工艺， 混凝土原始水灰比相同时，由于离心脱水的作用，剩余水灰比减小，离心成型的混凝土强度比振实成型混凝土的强度高，能提高20% ～30%。因此， 配制相同强度混凝土，可降低水泥用量； 离心成型的混凝土由于离心力的作用，材料颗粒之间结合得更紧密，能提高混凝土密度( 有资料显示能增加8%左右) ，有利于配制高密度加重混凝土，获得相同密度的混凝土所需的铁矿石用量减少；离心成型的混凝土密实度高，剩余水灰比低，所以硬化后的孔隙尺寸、连通孔数量和吸水率较小，可以获得较低的吸水率，改善加重层混凝土抗渗性和抗冻性等； 成型的混凝土加重层外观尺寸均匀，重量分布也均匀， 使得加重层的尺寸和重量得到较精确控制。 ( 2) 由于配筋对混凝土加重层施加了预压应力， 混凝土加重层受到荷载作用时， 由钢筋施加的预压应力部分或全部抵消掉外荷载引起的拉应力，从而延缓了混凝土裂缝的出现，减小了裂缝宽度，提高了混凝土加重层的抗裂性。 ( 3) 加重层与钢管之间是通过具有一定微膨胀性能的灌浆材料来粘结的，使得加重层与钢管之间的附着力较强，能较好地避免海底管道在铺管施工过程中加重层与钢管之间发生滑脱的现象。 3 结束语 目前， 国内外相关规范对混凝土加重涂层的技术要求还是比较简单， 仅作出初步的、原则性的规定。我国现行标准SY/T 10037- 2002 《海底管道系统规范》( 代替SY/T 4804- 1992) ，也只是等同采用挪威船级社DNV 的1996 年版《Rules for SubmarinePipeline System》，还应该针对海底管道混凝土加重涂层制定相应的标准规范，以便对海底管道混凝土加重涂层技术质量进行明确的检验评价。 |
| 原作者： 丁新龙， 韩雪艳， 张长民， 陈国祥等 |
< 完 >
