單層保溫配重管鐲式陽極安裝及填充工藝研究

焦振峰 武占文 胡建飛

摘 ? 要：海底管道普遍采用犧牲陽極作為陰極保護的主要工藝，對于單層保溫配重管涂層系統，陽極安裝設計和填充工藝涉及多種方式，本文從國內外陽極安裝設計現狀、趨勢分析，并綜合對比陽極安裝填充材料，結合實驗項目經驗，研究靠近鋼管管端位置的陽極安裝工藝和單層保溫配重管陽極填充形式，保證海底管道整體性。

關鍵詞：陽極安裝 ?填充 ?單層保溫配重管 ?鋪管

中圖分類號：TH17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（a）-0119-02

海底油氣管線普遍采用犧牲陽極作為陰極保護的主要方式，經過多年工程實踐和不斷的工藝完善，業內公司已形成了較為成熟的鐲式陽極安裝工藝，不同于“鋼套鋼”保溫配重管，單層保溫配重管涂層系統由FBE防腐層、聚氨酯保溫層、高密度聚乙烯夾克層和混凝土配重層組成，多層結構的涂層系統不但需要防腐和保溫具有較好的兼容性和完整性，同時也對陽極的安裝工藝提出了更高的要求。

單層夾克保溫配重管，由于涂層結構和工藝較為復雜，國內外在該類型海管的鐲式陽極安裝工藝上還存在著一定差異。開展單層保溫配重管鐲式陽極安裝工藝研究、陽極填充材料篩選及施工工藝研究、陽極安裝工藝及填充工藝評價等，從而掌握單層保溫配重管鐲式陽極安裝技術及配套陽極填充工藝。

1 ?單層保溫配重管鐲式陽極安裝工藝現狀及趨勢

雖然單層保溫配重管具有成本低、鋪設效率高等優點，但由于其涂層結構和施工工藝較為復雜，常規的陽極安裝工藝（陽極安裝在管道中間）已很難滿足海管涂層完整性的要求。在以往項目中，根據DNV相關標準計算和試驗證實，當管線較短（如小于6km）時，單層保溫配重管可無需安裝陽極，利用導管架上陽極即可為整條管線提供管線的陰極保護電壓。但當管線較長時，單層保溫配重管線仍需要安裝犧牲陽極進行陰極保護。此時，考慮到管道涂層完整性、陽極與管道尺寸匹配性及現場施工適用性等方面，國內外設計公司開發出了不同的單層保溫配重管的鐲式陽極安裝工藝。

針對單層保溫配重管，為避免降低管道涂層完整性，提高陽極安裝質量和效率，國內外海管設計公司對單層保溫配重管的鐲式陽極安裝工藝進行了大量研究，并設計實施多種管線陽極安裝工藝。根據國外設計公司技術規格書和以往項目經驗，現對單層保溫配重管鐲式陽極安裝工藝進行分析和總結。

1.1 國外鐲式陽極安裝工藝

（1）Logstor公司陽極安裝。

為確保單層保溫配重管涂層的完整性，Logstor公司設計開發出了將鐲式陽極安裝在管道一端的施工工藝。該工藝施工時，首先預制出單層保溫配重管，然后將鐲式陽極組對安裝在管端的PE夾克層上，并將陽極導線焊接于管端。

該陽極安裝工藝雖然可保障管道涂層結構的完整性，降低保溫層失效風險。但對于該陽極安裝工藝，陽極僅有一端有混凝土的限位保護，另外一端無混凝土涂層的限位，陽極主要依靠其與PE夾克管間的摩擦力進行管端固定。在現場鋪管時，張緊器對鋼管所施加的拖曳力較大，因此僅靠摩擦力固定在管端的陽極易發生滑脫，并且管端陽極直接受吊裝、運輸影響。因此，該陽極安裝工藝存在一定的陽極滑脫和失效風險。

（2）Techint公司陽極安裝工藝。

考慮到陽極在管道鋪設過程中的結構穩定性，針對單層保溫配重管，南美海管設計公司Techint鑒于常規防腐配重管陽極安裝工藝，在早期設計開發出將鐲式陽極安裝在鋼管中間位置的陽極安裝工藝。

該陽極安裝工藝可確保鐲式陽極在單層保溫配重管上的機械穩定性，有效的避免了鋼管鋪設時陽極的滑脫和損傷。但由于該工藝較為復雜，施工時存在一定的問題。如保溫層與FBE粘接好，去除時易對FBE涂層造成損傷;混凝土配重層強度高，混凝土配重層在切除時將導致開裂，且切除難度大;鋼管中間位置保溫層和夾克層去除后，降低了管線保溫涂層的完整性，影響管線保溫效果;鋼管中間保溫層去除部位兩端需要安裝一對防水帽，增加了保溫層失效風險。

綜上所述，該陽極安裝工藝工作量較大，生產效率較低，施工成本較高，并且存在保溫層失效的風險。

1.2 國內鐲式陽極安裝工藝

近年來，隨著我國海洋油氣田對長距離單層保溫配重管線需求的日益增大，國內設計公司設計開發出新型的鐲式陽極安裝工藝。該工藝是在不破壞保溫層的條件下，將鐲式陽極安裝在盡量靠近管端位置上，再將陽極導線焊接在管端，并確保管道短端混凝土配重層與夾克管的附著力滿足鋪管張緊器對配重層剪切力的要求。

相比于國外公司設計的陽極安裝工藝，國內海油工程設計公司開發出的單層保溫配重管鐲式陽極安裝工藝不僅保障了管道保溫涂層的完整性，避免了保溫失效風險。并且由于鐲式陽極兩端均具有混凝土配重層的限位保護，有效的提高了管道上陽極的穩定性，避免鋪設過程中陽極的滑脫和運輸過程中的磕碰損傷。該單層保溫配重管鐲式陽極安裝工藝已在BZ 19-4、智利等項目中得到了成功應用。

1.3 單層保溫配重管陽極安裝工藝發展趨勢

保溫層的完整性和陽極結構的穩定性是影響保溫管線性能的主要因素，從單層保溫配重管陽極安裝工藝現狀可以看出，國外在陽極安裝工藝設計上未兼顧考慮到陽極結構穩定性和保溫層的完整性，設計工藝還不夠成熟。我國海油工程設計公司的單層保溫配重管陽極安裝工藝，不僅可保障管道保溫層的完整性，同時也可避免鋪管過程中陽極滑脫風險，因此，該陽極安裝工藝未來將成為國內外單層保溫配重管陽極安裝工藝的主要發展方向。

2 ?單層保溫配重管陽極安裝及填充工藝試驗研究

針對公司承接的智利PIAM項目技術要求，結合單層保溫配重管主體涂層結構特點與我公司以往項目經驗，開展了8吋單層保溫配重管鐲式陽極安裝及填充工藝技術研究。通過對陽極安裝位置的優化設計，對比分析不同類型陽極間隙填充材料性能，完善總結出更為合理的單層保溫管陽極安裝工藝。

2.1 單層保溫配重管鐲式陽極安裝位置設計

在確保保溫涂層結構完整的條件下，設計將鐲式陽極安裝在PE夾克管上且盡量靠近管端的位置，再采用鋁熱焊將陽極導線焊接到管端，最后再進行配重涂敷的施工工藝。

當陽極安裝在靠近在管端位置時，會出現海管的混凝土配重層一端長度較短情況?？紤]到海管S型鋪設時的受力情況，若管道一端配重層長度較短，配重層與PE夾克層間的抗剪切力也較小，在張緊器所施加的張緊力作用下，配重層與夾克層之間可能產生脫滑，從而造成數百米管道和某些鋪管設備損壞。

2.1.1 海管鋪設受力分析

當陽極安裝在靠近在管端位置時，會出現海管的混凝土配重層一端長度較短情況?？紤]到海管S型鋪設時的受力情況。海管S型鋪設時，管道形狀由三個區段構成：即在鋪管船作業區為直線段、在托管架區段為拱彎段、在懸鏈區段為垂彎段。對帶有混凝土配重層的海底管道來說，由于混凝土具有較高的抗壓強度，但其與PE夾克管間的結合部位仍然是管道整體的薄弱環節。因此，在分析海底管道鋪設應力時，應對直線段混凝土配重層所受張緊器的張緊力進行校核。

通過計算可得出智利項目8吋單層保溫配重管鋪設時所受的張緊力為289.67kN[1]。

2.1.2 陽極安裝位置設計

單層保溫配重管的混凝土配重層與PE夾克層間的剪切強度τ ≥0.1N/mm2。

通過計算得出8吋單層保溫管不同長度混凝土配重層的抗推脫力結果。當將鐲式陽極安裝在距管端2m位置時，管道一端混凝土配重層的長度為1625mm，其可承受的推脫力為329.89kN，可滿足現場鋪管時張緊器對海管的張緊力289.67kN要求。本研究設計確定將海管安裝在距管端2m的PE夾克管上。

2.2 陽極間隙填充材料比選

對于單層保溫配重陽極管，鐲式陽極隙填充材料是涂層整體系統不可或缺的組成部分，其不僅可確保海管整體涂層結構的完整性，同時也可保障陽極通過托管架時受力均勻，順利通過導管架鋪設下水。海管陽極間隙填充材料的性能和填充工藝對海管鋪設時陽極的穩定性及其重要。

目前針對混凝土配重海管陽極間隙填充材料要求和施工特點，國內主要使用瀝青瑪蹄脂和環氧砂漿進行陽極間隙填充，而國外相關管道建設公司主要使用高密度開孔聚氨酯材料[2]。

從材料性能、施工工藝和施工成本方面對瀝青瑪蹄脂、環氧砂漿和開孔聚氨酯三種填充材料進行了對比分析，結果表明：瀝青瑪蹄脂自身強度較低、與主體配重層粘結性能較差、污染環境并危害健康，現已不能滿足陽極間隙填充要求;雖然環氧砂漿材料具有強度高、粘接性能好等特點，但施工時存在其制備和填充工藝較為繁瑣、施工用時較長等不足;高密度開孔聚氨酯材料不僅強度高、粘接性能好、安全環保，而且還具有施工工藝簡單、填充質量和效率高等特點，可滿足陽極間隙填充技術要求，是作為陽極間隙填充的理想材料。

綜上所述，節點補口用高密度開孔聚氨酯材料的性能和澆注工藝較為滿足海管陽極間隙填充施工要求，選用高密度開孔聚氨酯材料作為陽極填充材料是陽極填充工藝的發展趨勢。

3 ?結語

根據單層保溫配重管發展現狀，調研國內外鐲式陽極安裝工藝，并對智利項目陽極安裝工藝進行了分析。目前國外陽極安裝工藝還不夠成熟，未兼顧考慮到陽極結構穩定性和保溫層的完整性。國內海工設計公司所設計的將陽極安裝在靠近鋼管管端位置的施工工藝可有效保障管道整體性，該工藝是單層保溫配重管陽極安裝工藝的主要發展方向。

項目根據智利項目單層保溫配重管涂層結構特點，通過鋪管受力計算，設計開發出將陽極安裝在距管端2m的夾克管上的施工工藝，并按照陽極間隙填充材料性能和施工要求，比選出強度較高和施工性能優良的高密度開孔聚氨酯作為陽極填充材料。

參考文獻

[1] 張曉靈，劉元永，王志剛，等.海底管道涂層抗滑脫技術及應用[J].石油工程建設，2012，38（4）：22-25.

[2] 劉海超，高國軍.海底管道高密度開孔聚氨酯補口新技術[J].中國海上油氣，2006，18（4）：271-275.