王志剛，相政樂，吳學(xué)峰，趙 利，賈 振，楊 彪，陸 娟，張 宏

中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452

0 引言

2009年世界海洋石油和天然氣產(chǎn)量分別占總產(chǎn)量的35%和30%[1]。隨著海洋油氣資源的開發(fā)，海底管道的應(yīng)用越來越廣泛，它把海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施或陸上處理終端的各個環(huán)節(jié)連接在一起，形成生產(chǎn)操作系統(tǒng)[2]。為保證輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定性，部分海底管道外部設(shè)計為從內(nèi)至外依次涂敷在鋼管外表面上的雙層環(huán)氧防腐層和混凝土配重層結(jié)構(gòu)。其中底層環(huán)氧層用于管道防腐，頂層環(huán)氧層主要用于涂層系統(tǒng)的機(jī)械保護(hù)[3]?；炷僚渲貙又饕煞譃楣橇虾湍z材料[4]，用于加重和保護(hù)結(jié)構(gòu)物。配重層是通過借助一定外力，將混凝土涂敷到結(jié)構(gòu)物外表面上經(jīng)固化形成的。混凝土粘接強(qiáng)度是保證工程質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，主要包括抗拉粘接強(qiáng)度與抗剪切粘接強(qiáng)度兩項?？辜羟姓辰訌?qiáng)度用于表征抵抗平行于結(jié)合面上作用力的能力[5]。

與三層聚烯烴防腐配重管相比，上述雙環(huán)氧防腐配重管具有環(huán)保性能好、整體工程造價低的特點，但也存在諸多的缺陷，諸如混凝土配重層與環(huán)氧層間的剪切強(qiáng)度較低、中間噴灑的細(xì)小防滑顆粒不能起到有效的防滑脫作用，難以滿足工程要求；混凝土涂層采用噴射工藝噴涂，防滑顆粒層不能對環(huán)氧防腐層起到有效的機(jī)械保護(hù)作用，容易造成雙層環(huán)氧粉末涂層的破損等。為此本研究工作探討雙環(huán)氧防腐配重管的最佳防滑脫工藝途徑。

1 試驗

1.1 原材料

本試驗采用的聚脲為噴涂聚脲彈性體，依據(jù)GB/T 23446-2009[6]測定其固體組分含量、凝膠時間、表干時間及吸水率，依據(jù)GB/T 531.1-2008[7]測定其硬度，檢測結(jié)果如表1所示。采用的冷纏帶為聚丙烯增強(qiáng)纖維防腐冷纏帶，檢測結(jié)果如表2所示。采用的熱收縮帶為輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶，檢測結(jié)果如表3所示。采用的鋼管為直縫埋弧焊管，其規(guī)格為D1026mm×10mm，長度為12 192mm。

表1 聚脲彈性體涂層及涂料性能指標(biāo)檢測結(jié)果

表2 冷纏帶及配套底漆性能指標(biāo)檢測結(jié)果

表3 熱收縮帶性能指標(biāo)檢測結(jié)果

1.2 試件制作、測試及計算方法

（1）方法A。經(jīng)拋丸（砂）除銹、中頻加熱并涂裝了雙環(huán)氧防腐層的半成品管被運送至聚脲噴涂區(qū)，噴涂機(jī)將聚脲噴涂至防腐層表面，噴涂厚度為1～1.5mm，起脊寬度約50mm，厚度2～3mm，間隔約200mm。待其固化后，再將混凝土噴涂至聚脲防滑層表面制成所需成品管（工藝流程如圖1所示）。

圖1 聚脲起脊法工藝流程示意

（2） 方法B。經(jīng)拋丸（砂） 除銹、中頻加熱并涂裝了雙環(huán)氧防腐層的半成品管被運送至冷纏帶纏繞區(qū)。在纏繞前，需在防腐層表面刷涂底漆，用量為10～14m2/L。涂刷底漆后5～10m in，在其表面按螺旋狀纏繞冷纏帶，形成厚度為0.3 mm、周向搭接寬度不小于55%的冷纏帶防滑層，然后再將混凝土噴涂至防滑層表面制成所需成品管（工藝流程如圖2所示）。

圖2 冷纏帶纏繞法工藝流程示意

（3）方法C。對涂裝雙環(huán)氧防腐層的半成品管進(jìn)行表面清潔處理后，每隔2m，安裝一條寬度為120mm的熱收縮帶；隨后，在其外層纏繞冷纏帶形成混凝土防滑結(jié)構(gòu)；最后再將混凝土噴涂至防滑層表面制成所需成品管（工藝流程如圖3所示）。

圖3 熱縮帶+冷纏帶工藝流程示意

分別按照上述3種方法制成所需成品管后，在其中間部位切取長度約1.4m的管段，并剝離其中一端的混凝土（管端預(yù)留長度為200mm），待混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后按照ISO 21809-5-2010[8]測其抗剪切強(qiáng)度，具體方法如圖4所示。抗剪切強(qiáng)度測試在100 t的萬能液壓試驗機(jī)上進(jìn)行，通過儀表盤的讀數(shù)控制試驗管承受的剪切荷載，通過觀察位移百分表的讀數(shù)檢查層間位移情況。采用液壓千斤頂加載時，載荷自100 kN起分級加荷，每級20 kN，每級加荷在30 s內(nèi)完成，然后保持荷載3 m in，記錄每級加載后最終的穩(wěn)定荷載值，直至試件破壞為止?？辜羟袕?qiáng)度按式（1）進(jìn)行計算。

式中 τax——軸向剪切強(qiáng)度／MPa；

Fax——軸向力／N；

d——鋼管外徑（包括防腐層厚度）／mm；

L——試件長度／mm。

圖4 混凝土配重層抗剪切強(qiáng)度測試方法示意

2 試驗結(jié)果與討論

混凝土配重層抗剪切強(qiáng)度測試結(jié)果見圖5、圖6及圖7。

圖5 方法A混凝土配重層抗剪切性能

圖6 方法B混凝土配重層抗剪切性能

從圖5～7可見，混凝土配重層的位移與所受的荷載近似成正比關(guān)系。根據(jù)圖5數(shù)據(jù)由式（1）計算可知，當(dāng)荷載值達(dá)到0.057 MPa時，混凝土配重層的位移值為16mm，并且在此荷載值下混凝土配重層沿軸向明顯出現(xiàn)較快的滑移，此時，已無法繼續(xù)對配重層增加荷載。停止施加載荷后，觀察錯位界面，發(fā)現(xiàn)聚脲涂層本身已發(fā)生破壞。由此可知，采用方法A防滑脫工藝制取的試驗管件，混凝土配重層的最大抗剪切強(qiáng)度為0.057MPa。由圖6數(shù)據(jù)計算可知，采用方法B工藝的混凝土配重層最大抗剪切強(qiáng)度為0.08MPa。由圖7數(shù)據(jù)計算可知，采用方法C工藝的混凝土配重層最大抗剪切強(qiáng)度為0.093MPa。

圖7 方法C混凝土配重層抗剪切性能

從機(jī)理上分析，采用方法A防滑脫工藝制作的試驗管件之所以產(chǎn)生上述現(xiàn)象，其可能的原因為，聚脲是由異氰酸酯、端氨基聚醚、胺擴(kuò)鏈劑等原料經(jīng)高速對撞混合后噴涂而成，所形成涂膜與同為極性材料的FBE附著力較強(qiáng)。當(dāng)材料完全固化后，其表層處于自封閉狀態(tài)，非極性基團(tuán)定向排布形成光滑的憎水表面，與混凝土層的粘結(jié)力較小，因而抗剪切性能差。同時，由表1可知，聚脲涂層抗撕裂強(qiáng)度較低，因此當(dāng)荷載力增加到0.057MPa時，聚脲的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可能在混凝土軸向剪切力的作用下發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致混凝土配重層發(fā)生滑移脫落。

在采用方法B防滑脫工藝制作的試驗管件中，由于冷纏帶是以聚丙烯增強(qiáng)纖維為背材，在其表面涂敷一定厚度的高粘性丁基橡膠改性瀝青防腐橡膠的粘結(jié)劑層，再覆以一層防粘隔離膜制成的，因此與聚脲涂料相比，冷纏帶表面較為粗糙，這從一定程度上增加了混凝土配重層與防滑層的有效接觸面積，從而增加了混凝土的抗剪切力；同時，該工藝中所使用的高粘性橡膠材料，也提高了整體涂層結(jié)構(gòu)的粘結(jié)力，從而提高了混凝土配重層的抗剪切力。

在采用方法C防滑脫工藝制作的試驗管件中，熱收縮帶被包裹在冷纏帶內(nèi)層，它增加了防滑層的起脊高度，提高了混凝土涂層的軸向位移阻力，因而進(jìn)一步提高了混凝土配重層的抗剪切強(qiáng)度。但隨著荷載力的不斷增加，冷纏帶高粘接性的防腐膠層會因軸向剪切力的作用而發(fā)生蠕變，從而導(dǎo)致混凝土配重層發(fā)生滑移脫落。

3 結(jié)論

通過上述試驗研究可以得到以下結(jié)論：

（1）混凝土配重層的位移與所受的剪切荷載力成正比。采用聚脲起脊法防滑脫工藝制作的海管混凝土配重層，其最大的抗剪切強(qiáng)度為0.057MPa；采用冷纏帶纏繞法制作的海管混凝土配重層，其最大的抗剪切強(qiáng)度為0.08 MPa；采用熱縮帶+冷纏帶法制作的混凝土配重層，其最大的抗剪切強(qiáng)度為0.093MPa。

（2）采用聚脲起脊法防滑脫工藝制作的海管混凝土配重層，由于當(dāng)聚脲材料完全固化后，其表層非極性基團(tuán)定向排布形成光滑的憎水表面，與混凝土層的粘結(jié)力較小，另外聚脲的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可能在混凝土軸向剪切力的作用下發(fā)生破壞，因而其抗剪切性能較差。

（3）采用冷纏帶纏繞法制作的海管混凝土配重層，由于與聚脲涂料相比，冷纏帶表面較為粗糙，從而增加了混凝土的抗剪切力，同時該工藝中所使用的高粘性橡膠材料提高了整體涂層結(jié)構(gòu)的粘結(jié)力，因而提高了混凝土配重層的抗剪切力。

（4）采用熱收縮帶+冷纏帶法制作的混凝土配重層，由于熱收縮帶被包裹在冷纏帶內(nèi)層，它增加了防滑層的起脊高度，因而進(jìn)一步提高了混凝土配重層的抗剪切強(qiáng)度。但隨著荷載力的不斷增加，冷纏帶高粘接性的防腐膠層會因軸向剪切力的作用而發(fā)生蠕變，從而導(dǎo)致混凝土配重層最終滑移脫落。

[1]郭小哲.世界海洋石油發(fā)展史[M].北京：石油工業(yè)出版社，2012.

[2]張煜，馮永訓(xùn).海洋油氣田開發(fā)工程概論[M].北京：中國石化出版社，2011.68-69.

[3]Alan Kehr J.Fusion-Bonded Epoxy（FBE）A Foundation for Pipeline Corrosion Protection[M].Houston，TX： NACE International，2002.69-70.

[4]Abram s D A.Design of Concrete Mixtures，Bulletin 1，Structural Materials Research Laboratory[R].Lew is Institute，1918.

[5]李繼業(yè)，劉福勝.新型混凝土實用手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.150-151.

[6]GB/T 23446-2009，噴涂聚脲防水涂料[S].

[7]GB/T 531.1-2008，硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法—第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）[S].

[8]ISO 21809-5-2010，Petroleum and natural gas industries—External coatings for buried or submerged pipe lines used in pipe line transportation sysytems—Part 5： External concrete coatings[S].