混凝土配重管陽(yáng)極填充用環(huán)氧砂漿的應(yīng)用研究

劉進(jìn)東，王志業(yè)，賈 振，張 祥，王銘浩（.中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津 30045；.海油工程建造事業(yè)部天津建造公司，天津 ）

0 前言

海洋油氣管道長(zhǎng)期處于海水浸泡的特殊環(huán)境中，最外層混凝土層將會(huì)直接觸海水[1]。為了防止海洋環(huán)境對(duì)鋼管的腐蝕，需要在海洋油氣管道上安裝陽(yáng)極，陽(yáng)極與配重層之間有一定的縫隙，需要完全填充，材料的選擇是關(guān)鍵，陽(yáng)極填充材料若選擇不合適，會(huì)出現(xiàn)各種問題：一方面配重管在鋪設(shè)過程中由于張緊器等設(shè)備對(duì)于陽(yáng)極部件的機(jī)械損傷；另一方面也會(huì)導(dǎo)致混凝土配重層中鋼絲網(wǎng)的裸露和腐蝕，嚴(yán)重影響配重層的質(zhì)量及使用壽命，進(jìn)而危害油氣管線的安全運(yùn)行[2]。

海洋油氣混凝土配重管陽(yáng)極安裝部位一直以來(lái)主要采用瀝青瑪蹄脂類材料填充工藝，以保證陽(yáng)極與配重層內(nèi)部鋼絲網(wǎng)的絕緣以及配重層的平滑過渡[3]。瀝青瑪蹄脂在施工過程中不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，還嚴(yán)重危及人體健康；此外瀝青馬蹄脂類材料還存在強(qiáng)度低、粘結(jié)性能較差、施工繁瑣等問題。隨著行業(yè)健康、安全環(huán)保管理工作的日趨嚴(yán)格，瀝青瑪蹄脂類材料已逐步被列入淘汰工藝的范圍。因此，針對(duì)上述現(xiàn)狀亟需開發(fā)一種新型的環(huán)境友好材料，滿足陽(yáng)極安裝部位填充。

結(jié)合環(huán)氧砂漿高粘結(jié)、高強(qiáng)度等優(yōu)異性能和現(xiàn)場(chǎng)施工要求[4,5]，開發(fā)海洋油氣配重管填充高性能環(huán)氧砂漿材料，逐步替代傳統(tǒng)的瀝青瑪蹄脂等材料，實(shí)現(xiàn)混凝土配重層的整體兼容性和完整性以保障海底管道的長(zhǎng)期安全穩(wěn)運(yùn)行。

1 環(huán)氧砂漿的制備及性能測(cè)試

環(huán)氧砂漿材料是指用環(huán)氧樹脂代替或部分代替水泥，摻入適量固化劑、增塑劑、稀釋劑及填料作為膠粘劑，以砂、石作為骨料，經(jīng)混合、成型、固化而成的一種有機(jī)無(wú)機(jī)多相復(fù)合材料，是聚合物砂漿的一種。其中，不同的樹脂對(duì)應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)，而每種樹脂又可以與多種改性劑及固化劑配合使用。主體粘接作用的復(fù)合樹脂體系（命名為A組份）、起反應(yīng)速率調(diào)節(jié)控制作用的固化體系（命名為B組份）和起材料狀體及施工性調(diào)整作用的復(fù)合顏填料體系（命名為C組份）[6]。

根據(jù)海洋油氣配重管道陽(yáng)極填充施工的實(shí)際情況，主要對(duì)環(huán)氧砂漿材料的吸水率、絕緣性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、耐海水腐蝕性能等進(jìn)行檢測(cè)。將制備好的環(huán)氧砂漿材料裝入標(biāo)準(zhǔn)100mm×100mm×100mm立方體模具并振實(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24h后拆模，制成環(huán)氧砂漿試件立方塊，再在一定條件下養(yǎng)護(hù)至指定齡期測(cè)試。具體操作見圖1，檢測(cè)結(jié)果見表1。從表1可以看出，所檢指標(biāo)均滿足要求，尤其是砂漿材料的粘接性能非常優(yōu)異。并且在抗折彎性能和收縮率方面也表現(xiàn)比較突出，可以有效避免在鋪管過程管道彎曲對(duì)陽(yáng)極填充造成的損傷。

2 環(huán)氧砂漿陽(yáng)極填充工藝試驗(yàn)

圖1 環(huán)氧砂漿試驗(yàn)件制備

表1 填充型環(huán)氧砂漿材料性能結(jié)果

環(huán)氧砂漿材料若在海洋油氣配重管陽(yáng)極填充能夠成功應(yīng)用，除了對(duì)材料本身的性能有較高的要求外，還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，對(duì)環(huán)氧砂漿的施工工藝進(jìn)行調(diào)試，從而明確最佳施工流程，發(fā)揮材料的最佳性能。

2.1 施工準(zhǔn)備

環(huán)氧砂漿材料的現(xiàn)場(chǎng)填充施工開始之前需要進(jìn)行各方面的準(zhǔn)備工作，主要包括：原材料、施工工具、儀器設(shè)備等。

（1）原材料。原材料主要包括環(huán)氧砂漿原材料以及環(huán)氧基液原材料。其中，環(huán)氧砂漿原材料為預(yù)先配制好A、B、C組份；環(huán)氧基液原材料包括環(huán)氧基液A組份和環(huán)氧基液B組份。

（2）施工工具。現(xiàn)場(chǎng)所用到的施工工具主要有：抹刀、批刀、鋼絲刷、毛刷。

2.2 填充施工工藝試驗(yàn)

環(huán)氧砂漿材料的填充施工工藝流程主要包括：基面處理、環(huán)氧基液的拌制與涂刷、環(huán)氧砂漿的拌制與填裝、養(yǎng)護(hù)及模具拆除等。

結(jié)合配重管陽(yáng)極部位填充施工的實(shí)際要求，環(huán)氧砂漿的填充施工采用兩步法，即首先對(duì)施工區(qū)域的上半部分進(jìn)行填充施工，待砂漿固化后將管道翻轉(zhuǎn)180°，再對(duì)另一半進(jìn)行填充施工。

2.2.1基面處理

用毛刷將環(huán)形模具內(nèi)壁、防腐管待施工表面清理干凈，保證待填充施工區(qū)域表面無(wú)油脂、污垢等附著物。

2.2.2環(huán)氧基液拌制與涂刷

環(huán)氧基液A、B組份按比例配合使用。根據(jù)環(huán)氧基液的用量精確稱量各組份，混合攪拌1～2min至均勻后靜置約3min后備用。環(huán)氧基液的拉絲時(shí)間從A、B組份混合時(shí)開始計(jì)時(shí)。

環(huán)氧基液拌制完成后，用毛刷均勻地涂刷在處理后的基面上，基液涂刷要求盡可能薄而均勻、不流淌、不漏刷。環(huán)氧基液涂刷后需要稍停頓一段時(shí)間，當(dāng)手觸拉絲后方可進(jìn)行環(huán)氧砂漿的填裝施工?，F(xiàn)場(chǎng)施工顯示，環(huán)氧基液的拉絲時(shí)間為20min左右，理論上，此時(shí)即可進(jìn)行環(huán)氧砂漿的裝填。環(huán)氧基液的拌制與涂刷過程如圖2所示。

圖2 環(huán)氧基液的拌制與涂刷

2.2.3環(huán)氧砂漿拌制與裝填

試驗(yàn)開始前，在配重管的配重層上切開數(shù)個(gè)寬度為5cm左右的環(huán)形槽，以此來(lái)模擬陽(yáng)極安裝部位的填充施工區(qū)域，見圖3。

圖3 配重管模擬填充施工流程圖

3 性能評(píng)價(jià)

填充型環(huán)氧砂漿材料施工成型后，從外觀上看整體性良好，能夠?qū)崿F(xiàn)配重層的平滑過渡。此外，還可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)填充涂層的粘結(jié)性能、抗沖擊性能、絕緣性能等進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 粘結(jié)性能

現(xiàn)場(chǎng)可以采用錘擊的方式對(duì)已成型的填充試件進(jìn)行試驗(yàn)，以此來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)氧砂漿與PE基材之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

圖4 填充型環(huán)氧砂漿涂層錘擊試驗(yàn)

由圖4所示，使用鐵錘連續(xù)錘擊已成型的環(huán)形填充試件，未能造成試件粘結(jié)界面的松動(dòng)或者試件本身的破壞，這一方面說明填充型環(huán)氧砂漿材料與PE基材之間良好的粘結(jié)性，另一方面也體現(xiàn)了填充型環(huán)氧砂漿材料本身較高的強(qiáng)度以及較好的抗沖擊性能。當(dāng)進(jìn)一步對(duì)試件進(jìn)行強(qiáng)制破壞試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，破壞界面較為粗糙，被破壞掉的環(huán)氧砂漿界面上粘有大量的黑色PE層材料，而防腐管PE層界面上粘有大量被破壞的砂漿材料。這種現(xiàn)象充分說明了環(huán)氧砂漿材料與PE層之間具有很高的粘結(jié)強(qiáng)度，局部區(qū)域的粘結(jié)強(qiáng)度值甚至高于PE材料或者砂漿材料的自身強(qiáng)度。

3.2 抗沖擊性能

對(duì)環(huán)氧砂漿涂層進(jìn)行50 J沖擊試驗(yàn)，以檢測(cè)涂層的抗沖擊性能，如圖5所示。

圖5 填充型環(huán)氧砂漿涂層沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)中，將3kg重的沖擊頭提升至1.7m的高度后釋放。結(jié)果顯示，涂層無(wú)散裂，說明環(huán)氧砂漿涂層良好的抗沖擊性能。

3.3 絕緣性能

現(xiàn)場(chǎng)采用絕緣測(cè)試儀來(lái)檢測(cè)環(huán)氧砂漿涂層的電絕緣性能。結(jié)果顯0示，環(huán)氧砂漿涂層與鋼管基體之間的電阻大于11.0GΩ，顯示出良好的電絕緣性能。具體操作及結(jié)果如圖6所示。

圖6 填充型環(huán)氧砂漿涂層電絕緣性能檢測(cè)

4 結(jié)論

混凝土陽(yáng)極填充型環(huán)氧砂漿材料施工效率高、工藝穩(wěn)定，相對(duì)傳統(tǒng)瀝青瑪蹄脂類填充材料和聚氨酯泡沫材料，其在提高自身機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，保障了材料一次成型率和對(duì)基面的粘接強(qiáng)度，后期強(qiáng)度保持性好，有利于管線鋪設(shè)，并有效提高混凝土配重管產(chǎn)品的整體質(zhì)量。

填充型環(huán)氧砂漿為綠色環(huán)保型材料，主體為熱固性樹脂成分，固化形成大分子鏈的網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)，反應(yīng)不可逆，因此對(duì)人體無(wú)傷害，不污染環(huán)境，在海底長(zhǎng)期服役情況下，不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成不良影響，符合節(jié)能降耗、綠色環(huán)保的科學(xué)理念。