海底管道混凝土配重層常用養(yǎng)護(hù)方式對比

張振東，張 祥，賈 振，相政樂，劉進(jìn)東，李會州

（中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程涂敷分公司，天津 塘沽 300452）

0 引言

混凝土配重層為海底管道提供負(fù)浮力，以保證其在海底的穩(wěn)定性。同時(shí)，在鋼管運(yùn)輸、吊裝、鋪設(shè)和服役期間，混凝土配重層起到對鋼管的機(jī)械保護(hù)作用，尤其是對于較淺海域，可減少漁船、大型貨船等船舶對海底管道的外力破壞，以及海底復(fù)雜環(huán)境的破壞[1]?；炷僚渲貙討?yīng)具有較高的密度、抗壓強(qiáng)度和耐久性、耐候性。養(yǎng)護(hù)是混凝土配重層涂敷的最后一道關(guān)鍵工序，養(yǎng)護(hù)的質(zhì)量將直接影響混凝土配重層的性能。養(yǎng)護(hù)過程主要是水泥水化過程，水泥水化是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程[2]，其中水是水泥水化過程不可缺少的物質(zhì)，養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)采取適當(dāng)養(yǎng)護(hù)方式保證一定的水分含量，尤其是在養(yǎng)護(hù)初期，應(yīng)保證一定的濕度。海底管道混凝土配重涂層常用的養(yǎng)護(hù)方式主要包括塑料養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)、噴水養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)等[3-6]。本文對常用的幾種養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行對比分析。

1 常用養(yǎng)護(hù)方式

1.1 塑料養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)

國際通用海底管道混凝土配重（Concrete coating）標(biāo)準(zhǔn)ISO 21809—5[4]中規(guī)定了塑料養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)的要求。塑料養(yǎng)護(hù)膜的厚度一般在0.1mm左右，性能指標(biāo)應(yīng)符合ASTM C171標(biāo)準(zhǔn)[5]的要求，其中關(guān)鍵性指標(biāo)如表1所示。

表1 塑料養(yǎng)護(hù)膜關(guān)鍵性指標(biāo)要求

從表1中可以看出，塑料養(yǎng)護(hù)的主要性能指標(biāo)包括機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率）、水蒸氣透過率、光反射率和抗沖擊性能。采用噴射法進(jìn)行混凝土配重層涂敷時(shí)，通過側(cè)向纏繞的方式將養(yǎng)護(hù)膜包裹在混凝土配重層的外表面（見圖1）。纏繞過程中有一定的拉伸力，為避免養(yǎng)護(hù)膜斷裂，塑料養(yǎng)護(hù)膜應(yīng)具有一定的機(jī)械性能。為抑制養(yǎng)護(hù)過程中水分的散失，應(yīng)嚴(yán)格控制養(yǎng)護(hù)膜的水蒸氣透過率要求。抗沖擊性能可保證養(yǎng)護(hù)膜在養(yǎng)護(hù)期間抵抗外力破壞的能力，降低外力碰撞下發(fā)生塑料養(yǎng)護(hù)膜破損的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 噴射法混凝土配重涂敷

采用塑料養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)方式，為保證養(yǎng)護(hù)效果，養(yǎng)護(hù)時(shí)的環(huán)境溫度不應(yīng)低于4℃。養(yǎng)護(hù)期間，混凝土配重管不能進(jìn)行堆垛存放，應(yīng)單根碼放在養(yǎng)護(hù)場地（見圖2），因此，需要較大的養(yǎng)護(hù)場地。一般要求養(yǎng)護(hù)期28d，環(huán)境溫度較高時(shí)，可縮短養(yǎng)護(hù)期，但至少7d養(yǎng)護(hù)期。養(yǎng)護(hù)7d后或抗壓強(qiáng)度達(dá)到15MPa時(shí)可進(jìn)行場地堆垛。

圖2 配重管養(yǎng)護(hù)場地

1.2 蒸汽養(yǎng)護(hù)

蒸汽養(yǎng)護(hù)需要專門的養(yǎng)護(hù)車間和蒸汽發(fā)生設(shè)備（見圖3），作為配重生產(chǎn)車間的一部分。在混凝土配重涂敷完成3h之后才可進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。蒸汽養(yǎng)護(hù)[6-7]應(yīng)從環(huán)境溫度開始，以10℃/h升溫速度，達(dá)到50～60℃為止，在該條件下保持至少6h，然后自然冷卻。蒸汽養(yǎng)護(hù)應(yīng)保證鋼管管壁溫度不超過60℃，以免影響混凝土配重涂層和防腐涂層的性能。

圖3 蒸汽養(yǎng)護(hù)車間

1.3 噴水養(yǎng)護(hù)

采用噴水養(yǎng)護(hù)方式應(yīng)在混凝土配重涂敷完成后2～6h內(nèi)開始進(jìn)行持續(xù)地噴水，每次噴水間隔應(yīng)不超過24h，噴水養(yǎng)護(hù)期至少7d[4]。抗壓強(qiáng)度達(dá)到15 MPa時(shí)，可進(jìn)行場地堆垛存放。

當(dāng)環(huán)境溫度低于4℃時(shí)，不適宜進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，如需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，應(yīng)采取防護(hù)措施避免水結(jié)冰，防止因冰凍造成混凝土損壞。因此，在溫度較低4℃的冬季，不適宜進(jìn)行混凝土配重涂敷生產(chǎn)。當(dāng)環(huán)境溫度足夠高時(shí)，可以使用噴霧養(yǎng)護(hù)，方法是在混凝土配重層上噴灑細(xì)水霧，同時(shí)用土工布苫蓋混凝土配重管，以保持混凝土表面水分含量。

噴水養(yǎng)護(hù)所用水的pH值應(yīng)≥4，推薦使用飲用水，不得使用含油類、酸類、醇類、鹽類或其他有機(jī)材料等雜質(zhì)的水，水中硫酸鹽含量應(yīng)不超過1%（按SO42-離子計(jì)）[6-7]。氯離子會引起混凝土配重層中配筋鋼絲網(wǎng)的銹蝕，DNVG-ST-F101[8]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定混凝土混合物中氯化物含量（以游離CaCl2計(jì)算）不得超過水泥重量的0.4%，應(yīng)嚴(yán)格控制養(yǎng)護(hù)用水中氯離子含量，尤其是不得使用海水作為養(yǎng)護(hù)用水。

1.4 養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)

混凝土養(yǎng)護(hù)劑是一種乳液或高分子溶液，通過噴灑或涂刷的方式在混凝土配重層表面形成一層連續(xù)的不透水的液體薄膜。選用的養(yǎng)護(hù)劑應(yīng)無毒、不燃、穩(wěn)定性好，與混凝土、鋼筋網(wǎng)、陽極、防腐涂層和鋼管無任何化學(xué)反應(yīng)[5]，不會影響混凝土配重管的性能。

ISO 21809—5標(biāo)準(zhǔn)和Total GS EP PLR 410標(biāo)準(zhǔn)要求，養(yǎng)護(hù)劑應(yīng)符合ASTM C309[9]的規(guī)定。SY/T 7398標(biāo)準(zhǔn)要求，養(yǎng)護(hù)劑應(yīng)符合JC 901[10]的規(guī)定。JC 901標(biāo)準(zhǔn)的制定參考了ASTM C309標(biāo)準(zhǔn)，因此，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對養(yǎng)護(hù)劑的要求基本一致。用于海底管道混凝土配重層養(yǎng)護(hù)劑的技術(shù)要求見表2。

表2 混凝土養(yǎng)護(hù)劑技術(shù)要求

養(yǎng)護(hù)劑的有效保水率是關(guān)鍵指標(biāo)，成膜耐熱性可保證養(yǎng)護(hù)劑在高溫環(huán)境下的保水性能。

養(yǎng)護(hù)劑應(yīng)在混凝土配重涂敷完成后6h內(nèi)涂敷在混凝土表面，至少養(yǎng)護(hù)7d。當(dāng)環(huán)境溫度低于4℃時(shí)，不適宜采用養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)方式。

國內(nèi)已開發(fā)研究出針對海底管道噴射式混凝土配重層養(yǎng)護(hù)用的高性能養(yǎng)護(hù)劑[11]，該類養(yǎng)護(hù)劑以丙烯酸乳液為基礎(chǔ)，通過丙烯酸樹脂等進(jìn)行改性，利用無氣噴涂設(shè)備進(jìn)行在線噴涂，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)性、穩(wěn)定性、自動(dòng)化生產(chǎn)，養(yǎng)護(hù)后的混凝土配重層性能滿足設(shè)計(jì)要求，具有較好的市場推廣應(yīng)用前景。

2 常用養(yǎng)護(hù)方式對比

對海底管道混凝土配重層常用幾種養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行對比，見表3所示。

表3 常用養(yǎng)護(hù)方式對比表

塑料養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)、噴水養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)三種養(yǎng)護(hù)方式對環(huán)境溫度要求較高，不適宜在環(huán)境溫度低于4℃的地區(qū)進(jìn)行配重層養(yǎng)護(hù)。同時(shí)，養(yǎng)護(hù)期間內(nèi)不允許堆垛，需要較大面積的養(yǎng)護(hù)場地進(jìn)行配重管碼放和養(yǎng)護(hù)處理。三種養(yǎng)護(hù)方式的設(shè)備投入較小，不需要配套大型的設(shè)備。噴水（噴霧）養(yǎng)護(hù)更適合在溫度較高的地區(qū)。相比噴水養(yǎng)護(hù)和養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)的方式成本較低，但會產(chǎn)生大量廢舊塑料養(yǎng)護(hù)膜，對環(huán)境造成白色污染，需要妥善處理廢棄的塑料膜。

蒸汽養(yǎng)護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是不受環(huán)境溫度的影響，養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，不需要大面積的養(yǎng)護(hù)場地。適合在溫度較低的環(huán)境下進(jìn)行混凝土配重管的生產(chǎn)。缺點(diǎn)是車間和設(shè)備一次性投入較大，養(yǎng)護(hù)過程中蒸汽發(fā)生需消耗較多的水、電、燃?xì)獾?，能耗較高。

在我國多采用塑料養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行配重管養(yǎng)護(hù)。在我國北方，一般每年的11月中旬到第二年的3月中旬，不適宜進(jìn)行海底管線的混凝土配重涂敷。我公司在天津市塘沽區(qū)和廣東省珠海市建有兩個(gè)配重管生產(chǎn)車間，養(yǎng)護(hù)方式均采用塑料養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)，但受環(huán)境溫度影響，塘沽工廠每年的11月中旬到第二年的3月中旬無法進(jìn)行配重管生產(chǎn)，而珠海工廠可全年進(jìn)行配重管生產(chǎn)。珠海地區(qū)溫度較高、濕度較大，可配套開發(fā)噴水（噴霧）養(yǎng)護(hù)方式。

北溪天然氣管道1期（Nord Stream 1）項(xiàng)目是一條起始于俄羅斯途徑波羅的海向歐盟（德國）輸送天然氣的海底管道，2011年建成，目前輸氣量達(dá)到1.6億m3/天。該項(xiàng)目在芬蘭科特卡港建造了專門的防腐配重生產(chǎn)工廠進(jìn)行海底管道混凝土配重涂敷。芬蘭冬季嚴(yán)寒漫長，因受冬季施工時(shí)環(huán)境溫度低的影響，不適宜采用塑料養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)、噴水養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)三種養(yǎng)護(hù)方式，選擇采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的方式進(jìn)行混凝土配重管的養(yǎng)護(hù)，可全年進(jìn)行混凝土配重涂敷，保證項(xiàng)目工期進(jìn)度的要求。

3 結(jié)論

本文介紹了海底管道混凝土配重層常用的幾種養(yǎng)護(hù)方式，并從對養(yǎng)護(hù)環(huán)境的要求、配套設(shè)備情況、養(yǎng)護(hù)場地等方面進(jìn)行對比。從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性上，國內(nèi)外最常用的養(yǎng)護(hù)方式為纏繞塑料養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)；而在冬季寒冷期較長的地區(qū)，多采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的方式。在海底管道混凝土配重層養(yǎng)護(hù)方式的選擇上應(yīng)根據(jù)工廠所在位置、環(huán)境及氣候條件、設(shè)備投入等方面進(jìn)行綜合考慮，選擇適宜的養(yǎng)護(hù)方式。