海底管道混凝土加重技術(shù)現(xiàn)狀分析

摘要: 文章綜述了海底管道混凝土加重技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀， 從混凝土涂層密度、吸水率、強(qiáng)度、抗彎能力、抗沖擊能力和抗剪切強(qiáng)度等方面論述了混凝土加重涂層的技術(shù)要求及解決方案； 詳細(xì)介紹了噴射沖擊法、擠壓纏繞法、滑模法和離心灌漿法4 種混凝土涂層加重涂敷技術(shù)的設(shè)備組成、原理及施工方法， 其中離心灌漿法為中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院2005 年研究開(kāi)發(fā)的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的混凝土加重層涂敷新技術(shù)。

 

關(guān)鍵詞: 海底管道； 混凝土加重層； 離心灌漿法； 性能； 涂敷技術(shù)

 

中圖分類(lèi)號(hào): TE973.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A

 

 

    自1954年美國(guó)Brown & Root公司在墨西哥灣氣田鋪設(shè)了世界上第一條長(zhǎng)距離( 長(zhǎng)16 km) 海底管道以來(lái)，迄今為止在墨西哥灣、北海、地中海、澳大利亞、西非拉海域累計(jì)鋪設(shè)了超過(guò)10萬(wàn)km 的海底管道， 鋪設(shè)水深已達(dá)2000 m，管徑已達(dá)1066.8mm。我國(guó)的海底管道是在近20年發(fā)展起來(lái)的，已先后在渤海、東海以及南海累計(jì)鋪設(shè)了約2000km的海底管道。

   海底輸油保溫管道一般采用兩種結(jié)構(gòu)形式: 管中管的雙層鋼管結(jié)構(gòu)( 見(jiàn)圖1) 和混凝土加重的單層鋼管結(jié)構(gòu)( 見(jiàn)圖2) 。

 

圖1－2

  

    雙層鋼管結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)內(nèi)管用于輸送油、氣等介質(zhì)，鋼質(zhì)外管對(duì)保溫層提供可靠的保護(hù)和加重作用， 鋼質(zhì)內(nèi)外管之間有防腐層和聚氨酯泡沫保溫材料層?；炷良又氐膯螌愉摴芙Y(jié)構(gòu)則由內(nèi)及外分別為鋼管、防腐層、聚氨酯泡沫保溫層、聚乙烯防護(hù)層和混凝土加重層，采用這種單層鋼管結(jié)構(gòu)，用混凝土加重層代替雙層管結(jié)構(gòu)的外套鋼管，不僅可以節(jié)約2/3的鋼材，減少鋪管焊接工作量， 也不存在外套管的腐蝕和防腐問(wèn)題，從而提高鋪管效率，降低管道造價(jià)。因此，在淺水海域，混凝土加重的單層鋼管結(jié)構(gòu)形式具有很好的發(fā)展應(yīng)用前景。

 

 

    在海底管道上施加混凝土涂層，主要是對(duì)管道提供負(fù)浮力，以保持管道在海底位置穩(wěn)定( 故稱(chēng)加重層) ；其次是對(duì)管道的外防腐層和鋼管提供機(jī)械保護(hù)，以防止防腐涂層和鋼管在吊裝、運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行期間被損傷?；炷镣繉舆€能增加管道的熱絕緣度， 增加管道對(duì)屈曲穩(wěn)定的抵抗能力。海底管道混凝土涂層的功能決定了混凝土涂層應(yīng)具備的技術(shù)性能，主要有以下幾項(xiàng)技術(shù)要求: 較高的密度、抗壓強(qiáng)度、抗彎能力、抗沖擊能力以及足夠的界面抗剪強(qiáng)度等。

 

 

   在海底危及管道橫向位置穩(wěn)定性的浪、流、水動(dòng)力， 一般是隨管徑的增大而增加的。若采用低密度混凝土涂層，要滿(mǎn)足穩(wěn)定要求，就得增加混凝土涂層厚度。而增加厚度則導(dǎo)致管道外徑加粗，使作用在管道上的水動(dòng)力隨之增加，這樣又需要更大的水下重量才能保持管道穩(wěn)定。如此惡性循環(huán) 所需混凝土涂層厚度就越來(lái)越厚。若采用高密度混凝土涂層，可使涂層厚度減薄，方便施工， 也使管道安裝容易?；炷林饕伤?、砂、石、水和外加劑組成，水泥的密度一般為3.1 g/cm³，砂、石的密度一般為2.6 g/cm³，水的密度為1.0 g/cm³，這些材料組成的混凝土密度一般約為2400 kg/m3為了使混凝土獲得較高密度 一般是通過(guò)摻加重骨料( 如鐵礦石) 、降低水灰比、適當(dāng)提高水泥用量等措施來(lái)達(dá)到。目前混凝土能達(dá)到的密度約3500kg/m³。混凝土所需要的密度取決于實(shí)際工程要求的海底管道水下重量。

 

 

    混凝土涂層的吸水率，也是影響海底管道水下重量的不容忽視的因素。吸水率越高，增加的水下重量越大，給鋪管施工對(duì)海底管道的控制帶來(lái)不利。因此在設(shè)計(jì)中要對(duì)吸水率提出明確的規(guī)定，一般要求重量吸水率小于5%?！禣FFSHORE STANDARDDNV-OS- F101 SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS2000 》中要求體積吸水率小于8%。通過(guò)降低混凝土的孔隙率、減小連通孔的大小和數(shù)量，可以降低混凝土加重涂層的吸水率，最終增加混凝土的密實(shí)度。

 

 

   當(dāng)海底管道用鋪管船鋪設(shè)時(shí)，管段在鋪管船甲板上經(jīng)過(guò)焊接站連成較長(zhǎng)的管道，然后通過(guò)張緊器和船尾托管架下水?；炷良又赝繉釉谕ㄟ^(guò)張緊器時(shí)，局部長(zhǎng)度的圓周方向被擠壓，靠此壓力摩擦在管道上形成幾十至上百?lài)嵉妮S向張力，以抵抗管道水下部分因重力等作用產(chǎn)生的下滑， 因此要求混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度。挪威海底管道系統(tǒng)規(guī)范《OFFSHORE STANDARD DNV- OS- F101 SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS 2000 》中要求混凝土涂層最小軸心圓柱體抗壓強(qiáng)度為40 MPa，換算成國(guó)內(nèi)常用的立方體抗壓強(qiáng)度還要更高。提高混凝土涂層的抗壓強(qiáng)度最主要的措施是摻加高效減水劑， 降低混凝土水灰比( 或水膠比) ，或適當(dāng)提高水泥等膠結(jié)料用量等。

 

 

   采用S 型鋪管船鋪管時(shí)， 管道從鋪管船下放到海床的形態(tài)可以分為拱彎區(qū)和垂彎區(qū)( 如圖3 所示) ， 這樣的狀態(tài)要求混凝土加重層具有較高的抗彎能力， 否則混凝土層會(huì)發(fā)生彎曲破壞而脫落，以至于不能起到加重和保護(hù)的作用； 而在灘海地區(qū)采用拖管法鋪設(shè)管道時(shí)，在管道下沉、棄管和從海底起吊連管作業(yè)時(shí)都有較大的彎曲應(yīng)力，這些都要求加重層混凝土具有較高的抗彎能力。

 

    增強(qiáng)混凝土加重涂層的抗彎能力， 可以通過(guò)提高混凝土材料本身的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度等措施，但是由于混凝土材料本身的特性導(dǎo)致抗彎能力提高幅度有限。在混凝土中配置縱向和環(huán)向鋼筋籠或鋼絲網(wǎng)是提高混凝土涂層抗彎能力較好的手段之一。另外，還可以在混凝土中摻加纖維增強(qiáng)材料，提高混凝土的抗裂能力和抗彎能力。在鋪設(shè)海底管道的實(shí)際工程中，可以通過(guò)制定施工工藝控制管道的彎曲半徑，來(lái)保證混凝土加重層不發(fā)生破壞甚至脫落。

 

 

    混凝土加重涂層除了為管道提供負(fù)浮力，還有一個(gè)作用就是保護(hù)管道在受到外來(lái)物體沖擊時(shí)不遭到破壞。管道受到外部沖擊主要包括以下幾方面:

 

( 1) 當(dāng)海況惡劣時(shí)，在鋪管過(guò)程中，波浪力交替地使管道升沉，可能與托管架上的滾輪發(fā)生劇烈的撞擊。

 

( 2) 若鋪管?