海底管道涂層抗滑脫技術(shù)及應(yīng)用

張曉靈，劉元永，王志剛，王佐強(qiáng)

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067）

海底管道涂層抗滑脫技術(shù)及應(yīng)用

張曉靈1，劉元永2，王志剛1，王佐強(qiáng)2

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067）

文章根據(jù)鋪管船采用S型鋪設(shè)海底管道的作業(yè)特征，介紹了海底管道防腐層和混凝土配重層涂敷工藝，可以確保各鋼管涂敷層間具有足夠的剪切強(qiáng)度，使得在鋪管過程中設(shè)定的軸向張力作用下，不致發(fā)生鋼管各涂敷層間剪切強(qiáng)度不足而產(chǎn)生滑脫的現(xiàn)象，保證鋪管過程中海底管道完好。

海底管道；鋪設(shè)；鋼管涂敷；剪切強(qiáng)度；滑脫

0 引言

現(xiàn)在世界上用鋪管船鋪設(shè)海底管道主要采用三種鋪設(shè)方法，即S型曲線鋪設(shè)法、J型曲線鋪設(shè)法和滾筒 （卷軸）鋪設(shè)法，可統(tǒng)稱為鋪管船鋪設(shè)法。J型曲線鋪設(shè)法一般用于大水深和大管徑的海底管道鋪設(shè)，滾筒鋪設(shè)法多用于不帶混凝土配重層的小管徑海底管道的鋪設(shè)，而S型曲線鋪設(shè)法是最普遍采用的一種海底管道鋪設(shè)方法，目前中海油所有海底鋼制管道均采用S型曲線鋪設(shè)法 （近岸段除外）。

在海底管道鋪設(shè)過程中必須將管道應(yīng)力控制在允許范圍內(nèi)，在鋪管船上需要對被鋪設(shè)的管道施加一個設(shè)定拉力。該拉力是由張緊器上下履帶上夾持爪擠壓管道外涂敷層形成的，此擠壓力轉(zhuǎn)換為鋼管涂敷層層間的剪切應(yīng)力，通過相鄰?fù)糠髮娱g的剪切應(yīng)力傳遞，最后成為對鋼管的拉力。

在海底管道鋪設(shè)過程中，如果涂敷鋼管的涂敷層間剪切應(yīng)力傳遞能力不夠強(qiáng)，便會產(chǎn)生涂敷層之間的脫滑，從而有可能造成數(shù)百米管道和某些鋪管設(shè)備損壞。如何保證涂敷鋼管各涂敷層間具有足夠的剪切應(yīng)力傳遞能力是鋼管涂敷工藝設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一。

1 海底管道鋪設(shè)張力及涂敷層間剪切應(yīng)力估算

常規(guī)鋪管船的鋪管作業(yè)線擁有6～12個工作站，鋪管船法鋪設(shè)海底管道是一種連續(xù)流水作業(yè)，其作業(yè)順序?yàn)椋轰摴芙M對→焊接→無損檢驗(yàn)→節(jié)點(diǎn)防腐處理及澆鑄節(jié)點(diǎn)段填充材料→管道下水。圖1為常規(guī)海底管道S型鋪設(shè)法示意。

1.1 海底管道結(jié)構(gòu)型式

海底管道結(jié)構(gòu)型式主要取決于其輸送介質(zhì)和其服務(wù)的海域環(huán)境條件。海底管道的結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。其中圖2（a）為用于天然氣和成品油輸送的管結(jié)構(gòu)， 圖 2（b）、（c）、（d） 為用于原油輸送的保溫管結(jié)構(gòu)。

1.2 鋪管應(yīng)力和涂敷層間剪切應(yīng)力強(qiáng)度估算

海底管道工程招標(biāo)一般很少采用EPCI招標(biāo)策略 （通常分為4個工程包，即：設(shè)計(jì)、鋼管采辦、鋼管涂敷和海管鋪設(shè)標(biāo)），而實(shí)際上，管道鋪設(shè)承包商的確定往往晚于鋼管涂敷授標(biāo)，此時在未得到準(zhǔn)確的海底管道鋪設(shè)張力值的情況下，可按下式估算海管鋪設(shè)所需的張力：

式中FT——鋪管張力/N；

Ws——灌滿水單位長度管道沉沒重力/（N/m）；

d——最大鋪設(shè)水深/m；

γc——懸鏈線因子，取1.06；

γd——動力放大系數(shù)，取1.40。

鋪管張力是通過張緊器夾持海管提供的，圖3為張緊器夾持涂敷鋼管照片。

張緊器夾持爪對涂敷鋼管的擠壓載荷可按下式計(jì)算：

式中Fs——張緊器夾持爪對管道總擠壓力/N；

f——張緊器夾持爪與鋼管涂敷層之間摩擦系數(shù)。

張緊器對涂敷鋼管的擠壓應(yīng)力可按下式計(jì)算：

式中σtc——擠壓應(yīng)力/Pa；

Nt——張緊器夾持涂敷鋼管夾持塊數(shù)量；

At——每個夾持塊與鋼管涂敷層的接觸面積/m2。

公式 （3）適用于圖2（a）、（b）型管道結(jié)構(gòu)的混凝土配重層抗壓強(qiáng)度的確定。但對于圖2（c）型管道結(jié)構(gòu)，由于聚氨酯泡沫的抗壓強(qiáng)度極差，如果混凝土配重層厚度小 （即混凝土環(huán)剛度?。瑒t混凝土環(huán)有可能被張緊器的夾持爪夾碎。因此，對圖2（c）型海管的混凝土配重層設(shè)計(jì)除了考慮混凝土的抗壓強(qiáng)度外，還應(yīng)計(jì)算混凝土環(huán)的最小剛度。

海底管道S型鋪設(shè)過程中，管道形狀由三個區(qū)段構(gòu)成：即在鋪管船作業(yè)區(qū)段為直線、在托管架區(qū)段為上彎段、在懸鏈區(qū)段為下彎段。對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，但抗拉強(qiáng)度較差，因此，在分析海底管道鋪設(shè)應(yīng)力時，應(yīng)對上彎段混凝土配重層的應(yīng)變進(jìn)行校核，而且彎曲管道段受拉一側(cè)的混凝土剛度可忽略不計(jì)，其應(yīng)變值取零 （ε=0）。上彎段混凝土中層纖維應(yīng)變按下式計(jì)算：

式中εmean——計(jì)算所得上彎段平均應(yīng)變；

D——鋼管直徑/m；

R——托管架半徑（管道上彎段彎曲半徑）/m；εaxial——軸向應(yīng)變；

γcc——混凝土擠壓安全因子，取1.05；εcc——混凝土擠壓極限平均應(yīng)變。

當(dāng)混凝土配重層厚≥40 mm時，D 1 068 mm（42 in）和 D 406 mm （16 in） 管道的 εcc分別為0.22%和0.24%。對D 406～1 068 mm的管道，其εcc值可采用線性插值法求得。

上彎段管道的鋼管—混凝土配重層復(fù)合截面應(yīng)變分布如圖4所示。

應(yīng)變計(jì)算分析基于以下假定：

（1）防腐涂層被忽略。

（2）鋼具有線性特性。

（3）混凝土拉伸強(qiáng)度不計(jì)。

在距管道中心Z處的應(yīng)變ε應(yīng)按下式計(jì)算：

式 （6）中符號含義見圖4。混凝土壓縮特性曲線呈拋物線型，其最大應(yīng)變?yōu)?.2%。

2 海底管道鋼管涂敷抗滑脫工藝設(shè)計(jì)

2.1 鋼管防腐涂層層間剪切應(yīng)力傳遞能力

鋼管防腐涂層的剪切應(yīng)力傳遞能力主要受以下因素影響：涂敷層的類型及涂敷方法；抗滑脫方法；施加載荷條件等。鋼管防腐涂層層間剪切應(yīng)力傳遞能力都是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析所得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。Palmer做了由張緊器夾持爪夾持煤焦油瓷漆（CTE）+玻璃絲纖維布涂敷的鋼管抗剪切試驗(yàn)，結(jié)果該種類型防腐涂層剪切應(yīng)力傳遞能力為100～170 kPa[1]；Aaches和Adams用類似模擬試驗(yàn)方法對涂敷層為環(huán)氧樹脂粉末 （FBE）的防腐鋼管進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其剪切應(yīng)力傳遞能力變化范圍為0～125 kPa[2]，同時發(fā)現(xiàn)如果對環(huán)氧樹脂層的表面進(jìn)行增加粗糙度處理，可大大增加剪切應(yīng)力傳遞能力。到目前為止尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)三層聚乙烯防腐涂層（3LPE）的剪切應(yīng)力傳遞能力的報道，根據(jù)3LPE特性，其剪切應(yīng)力傳遞能力應(yīng)介于CTE和FBE之間。

2.2 防腐涂層材料

20世紀(jì)帶混凝土配重層的海底管道防腐涂層大多由煤焦油瓷漆+玻璃絲纖維布構(gòu)成，雖然該涂層具有較大的剪切應(yīng)力傳遞能力 （100～170 kPa），但由于其對環(huán)境和涂敷操作人員健康均有一定的危害，故逐漸被3LPE和單/雙層環(huán)氧粉末防腐（FBE）結(jié)構(gòu)所取代。

3LPE防腐結(jié)構(gòu)各層厚度：FBE為150～400μm，PE為2.0～3.5 mm；單/雙層環(huán)氧粉末防腐 （FBE）結(jié)構(gòu)的環(huán)氧粉末層厚度為400～900 μm。

2.3 提高防腐層表面粗糙度的技術(shù)

為增大混凝土配重層與防腐涂層接觸面的剪切應(yīng)力傳遞能力，最理想的防腐涂敷工藝設(shè)計(jì)應(yīng)是在防腐涂敷的同時實(shí)現(xiàn)對防腐涂敷層粗糙度要求[3]。下面扼要介紹中海油管道工程公司研究開發(fā)的三種增加防腐涂層表面粗糙度的技術(shù)。

2.3.1 對于單/雙層環(huán)氧粉末防腐配重管——膠粘劑加防滑顆粒法

對于單/雙層環(huán)氧粉末防腐外加混凝土配重層，理想的混凝土配重層涂敷工藝為擠壓 （壓繞）式，但由于設(shè)備限制，中海油管道工程公司研究開發(fā)了一種適用于噴射式混凝土配重設(shè)備的涂敷工藝。

這種工藝是將特殊膠粘劑擠出涂敷于環(huán)氧粉末防腐層上，然后在熔融狀態(tài)的膠粘劑上撒上聚烯烴防滑顆粒，冷卻固化后再進(jìn)行混凝土配重涂敷。這種防腐涂層與混凝土配重層間的剪切應(yīng)力 ＞100 kPa。這項(xiàng)技術(shù)在中石化岙山—鎮(zhèn)海海底管道項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。

2.3.2 對于三層聚乙烯防腐配重管——防滑顆粒法

在剛涂敷好還未進(jìn)入冷卻區(qū)固化前的聚乙烯表面拋撒聚乙烯防滑顆粒，冷卻后在聚乙烯表面形成麻面，然后再進(jìn)行配重涂敷。防滑顆粒尺寸：平均粒徑350 μm，最大粒徑500 μm；防滑顆粒用量：約50 g/m2。這種防腐涂層與混凝土配重層間的剪切應(yīng)力為100 kPa以上。這項(xiàng)技術(shù)在中海油春曉、番禺/惠州等項(xiàng)目中成功應(yīng)用。

2.3.3 對于三層聚乙烯防腐配重管——起脊法

通過在擠塑機(jī)壓棍上增加凹槽的辦法在三層聚乙烯表面形成一道螺旋狀的突起肋而起到抗剪切的作用，然后進(jìn)行混凝土配重涂敷。具體做法是，在硅膠棍上開一環(huán)狀凹槽，鋼管在生產(chǎn)線上勻速旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，硅膠棍勻速旋轉(zhuǎn)擠壓聚乙烯，從而在三層聚乙烯涂層上形成間距為14～15 cm、高度為1～2 mm的螺旋凸脊 （見圖5）。這種防腐涂層與混凝土配重層間的剪切應(yīng)力＞200 kPa，這項(xiàng)技術(shù)已在中海油東方1-1等項(xiàng)目中成功應(yīng)用。

三種防腐層表面粗化技術(shù)中，第一種是針對單/雙層環(huán)氧粉末防腐層直接加配重層的涂敷方式。第二種和第三種雖然都是針對三層聚乙烯防腐加配重的，但是各有特點(diǎn)。拋撒防滑顆粒法工藝比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但是防滑效果不如起脊法；起脊法特點(diǎn)是螺距、脊高可調(diào)，防滑效果好，適用于水比較深、鋪管張力較大的項(xiàng)目，缺點(diǎn)是工藝實(shí)現(xiàn)難度較大。

3 混凝土配重層與防腐涂層間抗滑能力試驗(yàn)方法

海底管道鋼管涂敷工藝設(shè)計(jì)完成后，為保證涂敷后成品管滿足所規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)要求，在正式開始鋼管涂敷之前，應(yīng)對涂敷工藝進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證（PQT），其中混凝土配重層與防腐涂層層間抗滑能力是重要試驗(yàn)項(xiàng)目。

混凝土配重層與防腐涂層層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法如圖6所示。

試驗(yàn)管段混凝土的抗壓強(qiáng)度必須達(dá)到最小規(guī)定值，試驗(yàn)管段混凝土涂敷長度不小于2倍鋼管直徑。當(dāng)試驗(yàn)施加載荷達(dá)到規(guī)定值之后，停止加載，試件的施加載荷應(yīng)至少連續(xù)保持4 h，并觀測是否有滑動跡象；4 h之后，若無滑脫發(fā)生，再以每次增加50 kN對試件加載，直到滑脫發(fā)生，并記錄出現(xiàn)滑脫時最大施加載荷?；炷僚渲貙优c防腐涂層間的抗滑脫剪切強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中τ——層間剪切強(qiáng)度/kPa；

Ps——出現(xiàn)滑脫時施加載荷/kN；

Dc——計(jì)防腐涂層厚度的管外徑/m；

h——試驗(yàn)件混凝土涂敷層長度/m；

[τ]——許用應(yīng)力/kPa。

如果試驗(yàn)失敗，應(yīng)分析失敗的原因，改進(jìn)涂敷工藝設(shè)計(jì)，再進(jìn)行涂敷層層間抗滑剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。

4 結(jié)束語

隨著陸上石油的逐漸減少，海洋石油 （特別是深水油氣）的勘探開發(fā)將成為重要的替代與補(bǔ)充，致使海底管道的建設(shè)迅猛增加。而海底管道難以檢測維修且泄漏后極易造成惡劣影響，所以一定要保證其在儲存、安裝和運(yùn)營期間的涂層質(zhì)量。其中，安裝期間管道涂層的滑脫是影響涂層質(zhì)量的最重要因素，所以應(yīng)根據(jù)海底管道鋪設(shè)過程中混凝土配重層受力分析和試驗(yàn)結(jié)果，合理地確定涂層抗滑脫技術(shù)與工藝，提高涂敷質(zhì)量，避免施工中造成滑脫和涂層剝落。

[1]Palmer A C.Concrete Coating for Submarine Pipelines[J].Magazine of Concrete Research，1982，34（120）：119-129.

[2]Arches G L，Adams A J.The Behaviour of Concrete over Thin Film Epoxy Coatings on Offshore Pipelines[A].The 1983 Offshore Technology Conperence[C].Houston:OTC，1983.85-94.

[3]劉遲，杜中強(qiáng).對單環(huán)氧防腐海底管道配重層防滑工藝的改進(jìn)[J].石油工程建設(shè)，2007，（2）：33-34.

Anti-slippage Techniques of Submarine Pipeline Coatings and Application

ZHANG Xiao-ling（CNOOC Energy Technology&Services-Pipeline Engineering Co.， Tianjin 300452， China），LIU Yuan-yong，WANG Zhi-gang，et al.

This paper introduces coating techniques of anticorrosion layer and concrete weights of submarine pipeline based on the characteristics of S type pipelaying method.The techniques can ensure enough shear strengths between the layers，so the phenomenon of slippage due to insufficient shear strength between the layers will not occur during pipelaying under preset pipeline axial tension,thus ensure the pipeline in good condition in the laying process.

submarine pipeline;laying;steel pipe coating;shear strength;slippage

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.04.007

張曉靈 （1972-），男，河北萬全人，高級工程師，1994年畢業(yè)于西安交通大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)從事海洋管道工程相關(guān)技術(shù)研究。

2011-07-15