海底單層保溫管道配重層壓潰試驗分析研究

劉新帥,李 旸,徐 亮,相政樂

[1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300451；3. 中海油能源發展股份有限公司，天津 300451]

海底單層保溫管道配重層壓潰試驗分析研究

劉新帥1,李 旸2,徐 亮2,相政樂3

[1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300451；3. 中海油能源發展股份有限公司，天津 300451]

海底管道的配重層一般采用高密度混凝土材料噴涂完成，其自身的抗壓強度對保證海管順利鋪設下水有著至關重要的作用。以渤海地區某海底單層保溫配重管鋪設項目為例，采用管段壓潰試驗方法檢驗材料的抗壓性能，考察海底單層保溫配重管各涂層結構在壓潰過程中的作用，評價其承受張緊器夾持力的能力，從而為其海上鋪設施工提供作業指導。

海底管道；混凝土；配重層；壓潰試驗

0 引 言

我國近海油氣田生產的原油大多要求采用保溫海底管道輸送,以前常用雙層保溫管道結構進行保溫，采用鋼管作為保護管很不經濟，而且鋪設過程中需要進行內外管分別焊接，這在很大程度上降低了鋪管效率，增加了安裝費用。對于水深較淺的渤海灣地區，如果采用單層保溫配重管道，不僅可以節約近2/3的鋼材，還可以減少鋪管過程中的焊接工作量，進而提高管道鋪設效率，降低工程投資費用。因此，采用單層保溫配重管代替雙層保溫鋼管結構具有很好的發展應用前景[1-3]。

海底管道的配重層一般采用高密度混凝土材料噴涂完成[4]，主要作用是為管線提供負浮力，以滿足其海底穩定性的要求；其次是為內管和防腐層提供一定的機械保護，防止內管和防腐層在運輸、施工期間被外力損傷。當海底管道用鋪管船進行鋪設時，管道需要在甲板上焊接成管線，然后通過張緊器和托管架下水。混凝土配重層在通過張緊器時，在圓周方向承受擠壓，靠此壓力摩擦在管線上形成巨大的軸向拉力[5]，因此，混凝土配重層自身的抗壓強度至關重要。

本文對海底管道配重層開展壓潰試驗研究，為其海上鋪設提供施工作業指導，從而有利于提高管道鋪設效率，降低成本。

1 試驗方案

對材料進行壓潰試驗是檢驗材料抗壓性能最常見的試驗方法[6]。本文以渤海地區某海管鋪設項目為例，采用壓力試驗機模擬鋪管過程中管線通過張緊器(見圖1)時所受到的擠壓，對海底單層保溫配重管道的壓潰試驗進行分析研究。壓潰試驗的目的是評價混凝土配重管承受張緊器夾持力的能力，以配重管涂層結構在夾持力作用下產生嚴重破壞作為判定試驗終點。

1.1 試驗材料

試驗所采用管段試件橫截面及材料參數如圖2和表1所示。

圖2 單層保溫配重管道橫剖面圖Fig.2 Single-layer insulation pipeline section

試件信息參數鋼管規格/mmФ323.9×12.7(厚)防腐類型FBE防腐保溫層厚度/mm25保溫層密度/(kg·m-3)80～100夾克管規格/mmФ395.8×10(厚)配重層厚度/mm40配重層密度/(kg·m-3)2950

1.2 試驗設備

本試驗采用美特斯YAW 4605D壓力試驗機(見圖3)進行壓潰試驗。

圖3 壓力試驗機Fig.3 Compression testing machine

1.3 試件尺寸

試件總長度550 mm，配重層為長度500 mm的管段。

1.4 試驗過程

根據此前試驗的經驗，壓潰時最先發生破壞的點在試樣截面3點和9點位置，試驗時在這兩個位置各放置一個視頻拍攝裝置，在試驗過程中進行實時監測。以時間為軸串聯視頻和試驗曲線，確定配重層發生破壞的時間，并得出試驗結果。壓潰試驗的載荷加載速率設定為4 kN/s和20 kN/s。

2 試驗數據及分析

圖4為兩次試驗的“時間-載荷”曲線，圖5為“時間-載荷”曲線對時間求一階導數所得到的曲線，該曲線可反映出外加載荷在試驗過程中的變化率。由于本試驗的載荷為勻速加載，因此一階導函數曲線應為一條與時間軸平行的直線。試件發生壓潰破壞的瞬間，通常其載荷會發生大幅度的衰減，由于衰減率遠大于外加載荷的變化率，導函數曲線上將會出現突變點，曲線上突變點也可通過與配重層發生顯著性變化的時間點進行印證。

表2為從單層保溫配重管壓潰試驗的曲線上讀取的壓潰破壞時對應的時間、載荷與位移。

圖4 時間-載荷曲線Fig.4 Time-load curve

圖5 時間-載荷導函數曲線Fig.5 Time-load derivative curve

試驗名稱配重層開裂或PE/配重層裂縫出現時間曲線突變點時間/s載荷/kN位移/mm壓潰強度/(t·m-1)單層保溫配重管壓潰試驗(4kN/s)19s時配重層與PE分離20.23289.603.00018.029s時配重層開裂27.399117.994.74623.6單層保溫配重管壓潰試驗(20kN/s)7s時配重層與PE分離,同時配重層開裂7.800154.763.26631.0

如表2所示，載荷加載速率為4 kN/s時得到的配重層抗壓潰強度23.6 t/m比20 kN/s時的結果31 t/m更保守，且在管道實際鋪設時，張緊器的夾持力是緩慢增加的，4 kN/s的加載速率更接近實際情況。因此，下面采用4 kN/s載荷加載速率，進行單層保溫管各層的抗壓潰試驗。

3 分層抗壓潰能力分析

理論上講，單層保溫配重管的抗壓潰性能與材料的抗壓強度以及海管結構的剛度有關。為考察單層保溫配重管各涂層結構在壓潰過程中的作用，又進行了配重層(CWC)、配重層(CWC)+PE夾克層(CWC+PE)和單層保溫配重管(SP+CWC)三種結構的對比壓潰試驗，如圖6所示，載荷加載速率均為4 kN/s。

圖7為三個試驗的“時間-載荷”曲線；采取前面所述的壓潰試驗終點取點方式，以“時間-載荷”曲線對時間求一階導數，如圖8所示。

根據圖8的曲線可以確定三個試驗配重層結構破壞時的曲線突變點，如表3所示。

圖6 各涂層結構壓潰試驗Fig.6 Crushing test of coating structure

圖7 各涂層結構時間-載荷曲線Fig.7 Time-load curves for different coating structures

圖8 各涂層結構時間-載荷導函數曲線Fig.8 Time-load derivative curves for different coating structures

試驗名稱配重層開裂或PE/配重層裂縫出現時間曲線突變點時間/s載荷/kN位移/mm壓潰強度/(t·m-1)配重層壓潰試驗9s時配重層開裂9.03333.731.4046.75配重層+PE壓潰試驗19s時配重層開裂11.76741.171.9678.20單層保溫配重管壓潰試驗19s時配重層與PE分離20.26689.603.00018.0029s時配重層開裂27.399117.994.74623.60

從表3的試驗結果來看，配重層的抗壓潰強度只有6.75 t/m；配重層+PE夾克層的壓潰值為8.2 t/m，相對配重層有所增加，但增加數值較小。由此可知，PE夾克層對配重層的支撐能力有限，這是由于PE夾克層只有10 mm厚，且為柔性材料。

相對上述兩種結構，單層保溫配重管的壓潰強度達到了23.6 t/m，說明聚氨酯泡沫層與鋼管層提供了主要的支撐強度。試驗載荷達到89.6 kN時，配重層與PE已開始發生分離，因此本管道在進行實際鋪設時，要確保張緊器夾持力不得超過89.6 kN。

4 結 語

(1) 當配重層產生裂縫時，外加載荷僅對配重層產生了輕微破壞，未影響整體涂層結構的穩定性。當涂層破壞情況達到某種程度時，試樣發生壓潰，承受外加載荷的能力急劇降低，造成導函數曲線的突變。此時可視為配重層結構發生破壞，并以此作為壓潰試驗的終點。

(2) 混凝土配重管被壓潰后，配重涂層產生貫穿性裂縫、涂層分離以及聚氨酯保溫層受壓變形等情況，但未出現混凝土涂層碎裂、散落。

(3) 從試驗結果來看PE夾克層對配重層涂層的支撐能力有限，單層保溫配重管的支撐強度主要為聚氨酯泡沫層與鋼管。

(4) 根據單層保溫配重管的試驗特性，在進行該單層保溫配重管的鋪設施工時，應控制張緊器夾持力不得超過89.6 kN，以保證海上鋪管作業安全順利進行。

[1] 馮耀榮，王新虎，趙冬巖. 油氣輸送失效事故的調查與分析[J]. 中國海上油氣(工程)，1999，11(5)：11.

[2] 張曉靈. 單層鋼管保溫配重新產品在海洋油田中的應用[J]. 石油工程建設，2009，35(3):22.

[3] 馬良,王金英,劉振國. 對渤海海底管道檢測的探討[J]. 中國海上油氣(工程)，1995(2):14.

[4] 續理. 海底管線混凝土加重層擠壓涂敷法探討[J]. 中國海上油氣(工程) ，1992(4):23.

[5] 楊明華. 海洋油氣管道工程[M]. 天津：天津大學出版社，1994.

[6] 蘇翼林. 材料力學[M]. 第2版. 北京：高等教育出版社，1987.

StudyonCrushingTestofSubmarineSingle-LayerInsulationPipelineWeightCoating

LIU Xin-shuai1, LI Yang2, XU Liang2, XIANG Zheng-le3

(1.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China;2.TianjinCompanyofCNOOC,Tianjin300451,China;3.CNOOCEnergyTechnology&Services-PipeEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

The weight coating of submarine pipeline is commonly sprayed with high density concrete material. The compressive strength of the weight coating plays a very important role to ensure the pipeline to be safely laid. Taking a submarine single-layer insulation pipe-lay project in Bohai area as an example, we check the compressive properties of pipe materials by using crushing test method, inspect the function of each layer structure in the crushing test process, and evaluate the capacity of weight coating resisting the tensioner clamping force, so as to provide instruction for the offshore installation.

submarine pipeline; concrete; weight coating; crushing test

2016-09-23

劉新帥(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事海管與立管設計方面的研究。

TE53

A

2095-7297(2016)06-0376-05