單層保溫配重管鐲式陽極安裝及填充工藝研究

焦振峰 武占文 胡建飛

摘 ? 要：海底管道普遍采用犧牲陽極作為陰極保護(hù)的主要工藝，對(duì)于單層保溫配重管涂層系統(tǒng)，陽極安裝設(shè)計(jì)和填充工藝涉及多種方式，本文從國(guó)內(nèi)外陽極安裝設(shè)計(jì)現(xiàn)狀、趨勢(shì)分析，并綜合對(duì)比陽極安裝填充材料，結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，研究靠近鋼管管端位置的陽極安裝工藝和單層保溫配重管陽極填充形式，保證海底管道整體性。

關(guān)鍵詞：陽極安裝 ?填充 ?單層保溫配重管 ?鋪管

中圖分類號(hào)：TH17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（a）-0119-02

海底油氣管線普遍采用犧牲陽極作為陰極保護(hù)的主要方式，經(jīng)過多年工程實(shí)踐和不斷的工藝完善，業(yè)內(nèi)公司已形成了較為成熟的鐲式陽極安裝工藝，不同于“鋼套鋼”保溫配重管，單層保溫配重管涂層系統(tǒng)由FBE防腐層、聚氨酯保溫層、高密度聚乙烯夾克層和混凝土配重層組成，多層結(jié)構(gòu)的涂層系統(tǒng)不但需要防腐和保溫具有較好的兼容性和完整性，同時(shí)也對(duì)陽極的安裝工藝提出了更高的要求。

單層夾克保溫配重管，由于涂層結(jié)構(gòu)和工藝較為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外在該類型海管的鐲式陽極安裝工藝上還存在著一定差異。開展單層保溫配重管鐲式陽極安裝工藝研究、陽極填充材料篩選及施工工藝研究、陽極安裝工藝及填充工藝評(píng)價(jià)等，從而掌握單層保溫配重管鐲式陽極安裝技術(shù)及配套陽極填充工藝。

1 ?單層保溫配重管鐲式陽極安裝工藝現(xiàn)狀及趨勢(shì)

雖然單層保溫配重管具有成本低、鋪設(shè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于其涂層結(jié)構(gòu)和施工工藝較為復(fù)雜，常規(guī)的陽極安裝工藝（陽極安裝在管道中間）已很難滿足海管涂層完整性的要求。在以往項(xiàng)目中，根據(jù)DNV相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算和試驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)管線較短（如小于6km）時(shí)，單層保溫配重管可無需安裝陽極，利用導(dǎo)管架上陽極即可為整條管線提供管線的陰極保護(hù)電壓。但當(dāng)管線較長(zhǎng)時(shí)，單層保溫配重管線仍需要安裝犧牲陽極進(jìn)行陰極保護(hù)。此時(shí)，考慮到管道涂層完整性、陽極與管道尺寸匹配性及現(xiàn)場(chǎng)施工適用性等方面，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)公司開發(fā)出了不同的單層保溫配重管的鐲式陽極安裝工藝。

針對(duì)單層保溫配重管，為避免降低管道涂層完整性，提高陽極安裝質(zhì)量和效率，國(guó)內(nèi)外海管設(shè)計(jì)公司對(duì)單層保溫配重管的鐲式陽極安裝工藝進(jìn)行了大量研究，并設(shè)計(jì)實(shí)施多種管線陽極安裝工藝。根據(jù)國(guó)外設(shè)計(jì)公司技術(shù)規(guī)格書和以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)對(duì)單層保溫配重管鐲式陽極安裝工藝進(jìn)行分析和總結(jié)。

1.1 國(guó)外鐲式陽極安裝工藝

（1）Logstor公司陽極安裝。

為確保單層保溫配重管涂層的完整性，Logstor公司設(shè)計(jì)開發(fā)出了將鐲式陽極安裝在管道一端的施工工藝。該工藝施工時(shí)，首先預(yù)制出單層保溫配重管，然后將鐲式陽極組對(duì)安裝在管端的PE夾克層上，并將陽極導(dǎo)線焊接于管端。

該陽極安裝工藝雖然可保障管道涂層結(jié)構(gòu)的完整性，降低保溫層失效風(fēng)險(xiǎn)。但對(duì)于該陽極安裝工藝，陽極僅有一端有混凝土的限位保護(hù)，另外一端無混凝土涂層的限位，陽極主要依靠其與PE夾克管間的摩擦力進(jìn)行管端固定。在現(xiàn)場(chǎng)鋪管時(shí)，張緊器對(duì)鋼管所施加的拖曳力較大，因此僅靠摩擦力固定在管端的陽極易發(fā)生滑脫，并且管端陽極直接受吊裝、運(yùn)輸影響。因此，該陽極安裝工藝存在一定的陽極滑脫和失效風(fēng)險(xiǎn)。

（2）Techint公司陽極安裝工藝。

考慮到陽極在管道鋪設(shè)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，針對(duì)單層保溫配重管，南美海管設(shè)計(jì)公司Techint鑒于常規(guī)防腐配重管陽極安裝工藝，在早期設(shè)計(jì)開發(fā)出將鐲式陽極安裝在鋼管中間位置的陽極安裝工藝。

該陽極安裝工藝可確保鐲式陽極在單層保溫配重管上的機(jī)械穩(wěn)定性，有效的避免了鋼管鋪設(shè)時(shí)陽極的滑脫和損傷。但由于該工藝較為復(fù)雜，施工時(shí)存在一定的問題。如保溫層與FBE粘接好，去除時(shí)易對(duì)FBE涂層造成損傷;混凝土配重層強(qiáng)度高，混凝土配重層在切除時(shí)將導(dǎo)致開裂，且切除難度大;鋼管中間位置保溫層和夾克層去除后，降低了管線保溫涂層的完整性，影響管線保溫效果;鋼管中間保溫層去除部位兩端需要安裝一對(duì)防水帽，增加了保溫層失效風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，該陽極安裝工藝工作量較大，生產(chǎn)效率較低，施工成本較高，并且存在保溫層失效的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 國(guó)內(nèi)鐲式陽極安裝工藝

近年來，隨著我國(guó)海洋油氣田對(duì)長(zhǎng)距離單層保溫配重管線需求的日益增大，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)開發(fā)出新型的鐲式陽極安裝工藝。該工藝是在不破壞保溫層的條件下，將鐲式陽極安裝在盡量靠近管端位置上，再將陽極導(dǎo)線焊接在管端，并確保管道短端混凝土配重層與夾克管的附著力滿足鋪管張緊器對(duì)配重層剪切力的要求。

相比于國(guó)外公司設(shè)計(jì)的陽極安裝工藝，國(guó)內(nèi)海油工程設(shè)計(jì)公司開發(fā)出的單層保溫配重管鐲式陽極安裝工藝不僅保障了管道保溫涂層的完整性，避免了保溫失效風(fēng)險(xiǎn)。并且由于鐲式陽極兩端均具有混凝土配重層的限位保護(hù)，有效的提高了管道上陽極的穩(wěn)定性，避免鋪設(shè)過程中陽極的滑脫和運(yùn)輸過程中的磕碰損傷。該單層保溫配重管鐲式陽極安裝工藝已在BZ 19-4、智利等項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用。

1.3 單層保溫配重管陽極安裝工藝發(fā)展趨勢(shì)

保溫層的完整性和陽極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是影響保溫管線性能的主要因素，從單層保溫配重管陽極安裝工藝現(xiàn)狀可以看出，國(guó)外在陽極安裝工藝設(shè)計(jì)上未兼顧考慮到陽極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和保溫層的完整性，設(shè)計(jì)工藝還不夠成熟。我國(guó)海油工程設(shè)計(jì)公司的單層保溫配重管陽極安裝工藝，不僅可保障管道保溫層的完整性，同時(shí)也可避免鋪管過程中陽極滑脫風(fēng)險(xiǎn)，因此，該陽極安裝工藝未來將成為國(guó)內(nèi)外單層保溫配重管陽極安裝工藝的主要發(fā)展方向。

2 ?單層保溫配重管陽極安裝及填充工藝試驗(yàn)研究

針對(duì)公司承接的智利PIAM項(xiàng)目技術(shù)要求，結(jié)合單層保溫配重管主體涂層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與我公司以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，開展了8吋單層保溫配重管鐲式陽極安裝及填充工藝技術(shù)研究。通過對(duì)陽極安裝位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)比分析不同類型陽極間隙填充材料性能，完善總結(jié)出更為合理的單層保溫管陽極安裝工藝。

2.1 單層保溫配重管鐲式陽極安裝位置設(shè)計(jì)

在確保保溫涂層結(jié)構(gòu)完整的條件下，設(shè)計(jì)將鐲式陽極安裝在PE夾克管上且盡量靠近管端的位置，再采用鋁熱焊將陽極導(dǎo)線焊接到管端，最后再進(jìn)行配重涂敷的施工工藝。

當(dāng)陽極安裝在靠近在管端位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)海管的混凝土配重層一端長(zhǎng)度較短情況?？紤]到海管S型鋪設(shè)時(shí)的受力情況，若管道一端配重層長(zhǎng)度較短，配重層與PE夾克層間的抗剪切力也較小，在張緊器所施加的張緊力作用下，配重層與夾克層之間可能產(chǎn)生脫滑，從而造成數(shù)百米管道和某些鋪管設(shè)備損壞。

2.1.1 海管鋪設(shè)受力分析

當(dāng)陽極安裝在靠近在管端位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)海管的混凝土配重層一端長(zhǎng)度較短情況?？紤]到海管S型鋪設(shè)時(shí)的受力情況。海管S型鋪設(shè)時(shí)，管道形狀由三個(gè)區(qū)段構(gòu)成：即在鋪管船作業(yè)區(qū)為直線段、在托管架區(qū)段為拱彎段、在懸鏈區(qū)段為垂彎段。對(duì)帶有混凝土配重層的海底管道來說，由于混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，但其與PE夾克管間的結(jié)合部位仍然是管道整體的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在分析海底管道鋪設(shè)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)對(duì)直線段混凝土配重層所受張緊器的張緊力進(jìn)行校核。

通過計(jì)算可得出智利項(xiàng)目8吋單層保溫配重管鋪設(shè)時(shí)所受的張緊力為289.67kN[1]。

2.1.2 陽極安裝位置設(shè)計(jì)

單層保溫配重管的混凝土配重層與PE夾克層間的剪切強(qiáng)度τ ≥0.1N/mm2。

通過計(jì)算得出8吋單層保溫管不同長(zhǎng)度混凝土配重層的抗推脫力結(jié)果。當(dāng)將鐲式陽極安裝在距管端2m位置時(shí)，管道一端混凝土配重層的長(zhǎng)度為1625mm，其可承受的推脫力為329.89kN，可滿足現(xiàn)場(chǎng)鋪管時(shí)張緊器對(duì)海管的張緊力289.67kN要求。本研究設(shè)計(jì)確定將海管安裝在距管端2m的PE夾克管上。

2.2 陽極間隙填充材料比選

對(duì)于單層保溫配重陽極管，鐲式陽極隙填充材料是涂層整體系統(tǒng)不可或缺的組成部分，其不僅可確保海管整體涂層結(jié)構(gòu)的完整性，同時(shí)也可保障陽極通過托管架時(shí)受力均勻，順利通過導(dǎo)管架鋪設(shè)下水。海管陽極間隙填充材料的性能和填充工藝對(duì)海管鋪設(shè)時(shí)陽極的穩(wěn)定性及其重要。

目前針對(duì)混凝土配重海管陽極間隙填充材料要求和施工特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)主要使用瀝青瑪蹄脂和環(huán)氧砂漿進(jìn)行陽極間隙填充，而國(guó)外相關(guān)管道建設(shè)公司主要使用高密度開孔聚氨酯材料[2]。

從材料性能、施工工藝和施工成本方面對(duì)瀝青瑪蹄脂、環(huán)氧砂漿和開孔聚氨酯三種填充材料進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：瀝青瑪蹄脂自身強(qiáng)度較低、與主體配重層粘結(jié)性能較差、污染環(huán)境并危害健康，現(xiàn)已不能滿足陽極間隙填充要求;雖然環(huán)氧砂漿材料具有強(qiáng)度高、粘接性能好等特點(diǎn)，但施工時(shí)存在其制備和填充工藝較為繁瑣、施工用時(shí)較長(zhǎng)等不足;高密度開孔聚氨酯材料不僅強(qiáng)度高、粘接性能好、安全環(huán)保，而且還具有施工工藝簡(jiǎn)單、填充質(zhì)量和效率高等特點(diǎn)，可滿足陽極間隙填充技術(shù)要求，是作為陽極間隙填充的理想材料。

綜上所述，節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口用高密度開孔聚氨酯材料的性能和澆注工藝較為滿足海管陽極間隙填充施工要求，選用高密度開孔聚氨酯材料作為陽極填充材料是陽極填充工藝的發(fā)展趨勢(shì)。

3 ?結(jié)語

根據(jù)單層保溫配重管發(fā)展現(xiàn)狀，調(diào)研國(guó)內(nèi)外鐲式陽極安裝工藝，并對(duì)智利項(xiàng)目陽極安裝工藝進(jìn)行了分析。目前國(guó)外陽極安裝工藝還不夠成熟，未兼顧考慮到陽極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和保溫層的完整性。國(guó)內(nèi)海工設(shè)計(jì)公司所設(shè)計(jì)的將陽極安裝在靠近鋼管管端位置的施工工藝可有效保障管道整體性，該工藝是單層保溫配重管陽極安裝工藝的主要發(fā)展方向。

項(xiàng)目根據(jù)智利項(xiàng)目單層保溫配重管涂層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過鋪管受力計(jì)算，設(shè)計(jì)開發(fā)出將陽極安裝在距管端2m的夾克管上的施工工藝，并按照陽極間隙填充材料性能和施工要求，比選出強(qiáng)度較高和施工性能優(yōu)良的高密度開孔聚氨酯作為陽極填充材料。

參考文獻(xiàn)

[1] 張曉靈，劉元永，王志剛，等.海底管道涂層抗滑脫技術(shù)及應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2012，38（4）：22-25.

[2] 劉海超，高國(guó)軍.海底管道高密度開孔聚氨酯補(bǔ)口新技術(shù)[J].中國(guó)海上油氣，2006，18（4）：271-275.