混凝土配重管陽極填充用環氧砂漿的應用研究

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

0 前言

海洋油氣管道長期處于海水浸泡的特殊環境中，最外層混凝土層將會直接觸海水[1]。為了防止海洋環境對鋼管的腐蝕，需要在海洋油氣管道上安裝陽極，陽極與配重層之間有一定的縫隙，需要完全填充，材料的選擇是關鍵，陽極填充材料若選擇不合適，會出現各種問題：一方面配重管在鋪設過程中由于張緊器等設備對于陽極部件的機械損傷；另一方面也會導致混凝土配重層中鋼絲網的裸露和腐蝕，嚴重影響配重層的質量及使用壽命，進而危害油氣管線的安全運行[2]。

海洋油氣混凝土配重管陽極安裝部位一直以來主要采用瀝青瑪蹄脂類材料填充工藝，以保證陽極與配重層內部鋼絲網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對環境造成污染，還嚴重危及人體健康；此外瀝青馬蹄脂類材料還存在強度低、粘結性能較差、施工繁瑣等問題。隨著行業健康、安全環保管理工作的日趨嚴格，瀝青瑪蹄脂類材料已逐步被列入淘汰工藝的范圍。因此，針對上述現狀亟需開發一種新型的環境友好材料，滿足陽極安裝部位填充。

結合環氧砂漿高粘結、高強度等優異性能和現場施工要求[4,5]，開發海洋油氣配重管填充高性能環氧砂漿材料，逐步替代傳統的瀝青瑪蹄脂等材料，實現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期安全穩運行。

1 環氧砂漿的制備及性能測試

環氧砂漿材料是指用環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，經混合、成型、固化而成的一種有機無機多相復合材料，是聚合物砂漿的一種。其中，不同的樹脂對應不同的結構，而每種樹脂又可以與多種改性劑及固化劑配合使用。主體粘接作用的復合樹脂體系（命名為A組份）、起反應速率調節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整作用的復合顏填料體系（命名為C組份）[6]。

根據海洋油氣配重管道陽極填充施工的實際情況，主要對環氧砂漿材料的吸水率、絕緣性、抗壓強度、抗折強度、抗沖擊強度、耐海水腐蝕性能等進行檢測。將制備好的環氧砂漿材料裝入標準100mm×100mm×100mm立方體模具并振實，標準養護24h后拆模，制成環氧砂漿試件立方塊，再在一定條件下養護至指定齡期測試。具體操作見圖1，檢測結果見表1。從表1可以看出，所檢指標均滿足要求，尤其是砂漿材料的粘接性能非常優異。并且在抗折彎性能和收縮率方面也表現比較突出，可以有效避免在鋪管過程管道彎曲對陽極填充造成的損傷。

2 環氧砂漿陽極填充工藝試驗

圖1 環氧砂漿試驗件制備

表1 填充型環氧砂漿材料性能結果

環氧砂漿材料若在海洋油氣配重管陽極填充能夠成功應用，除了對材料本身的性能有較高的要求外，還需要根據現場施工環境，對環氧砂漿的施工工藝進行調試，從而明確最佳施工流程，發揮材料的最佳性能。

2.1 施工準備

環氧砂漿材料的現場填充施工開始之前需要進行各方面的準備工作，主要包括：原材料、施工工具、儀器設備等。

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

（2）施工工具。現場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

環氧砂漿材料的填充施工工藝流程主要包括：基面處理、環氧基液的拌制與涂刷、環氧砂漿的拌制與填裝、養護及模具拆除等。

結合配重管陽極部位填充施工的實際要求，環氧砂漿的填充施工采用兩步法，即首先對施工區域的上半部分進行填充施工，待砂漿固化后將管道翻轉180°，再對另一半進行填充施工。

2.2.1基面處理

用毛刷將環形模具內壁、防腐管待施工表面清理干凈，保證待填充施工區域表面無油脂、污垢等附著物。

2.2.2環氧基液拌制與涂刷

環氧基液A、B組份按比例配合使用。根據環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。環氧基液的拉絲時間從A、B組份混合時開始計時。

環氧基液拌制完成后，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。環氧基液涂刷后需要稍停頓一段時間，當手觸拉絲后方可進行環氧砂漿的填裝施工。現場施工顯示，環氧基液的拉絲時間為20min左右，理論上，此時即可進行環氧砂漿的裝填。環氧基液的拌制與涂刷過程如圖2所示。

圖2 環氧基液的拌制與涂刷

2.2.3環氧砂漿拌制與裝填

試驗開始前，在配重管的配重層上切開數個寬度為5cm左右的環形槽，以此來模擬陽極安裝部位的填充施工區域，見圖3。

圖3 配重管模擬填充施工流程圖

3 性能評價

填充型環氧砂漿材料施工成型后，從外觀上看整體性良好，能夠實現配重層的平滑過渡。此外，還可以結合現場條件對填充涂層的粘結性能、抗沖擊性能、絕緣性能等進行評價。

3.1 粘結性能

現場可以采用錘擊的方式對已成型的填充試件進行試驗，以此來評價環氧砂漿與PE基材之間的粘結強度。

圖4 填充型環氧砂漿涂層錘擊試驗

由圖4所示，使用鐵錘連續錘擊已成型的環形填充試件，未能造成試件粘結界面的松動或者試件本身的破壞，這一方面說明填充型環氧砂漿材料與PE基材之間良好的粘結性，另一方面也體現了填充型環氧砂漿材料本身較高的強度以及較好的抗沖擊性能。當進一步對試件進行強制破壞試驗時發現，破壞界面較為粗糙，被破壞掉的環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。這種現象充分說明了環氧砂漿材料與PE層之間具有很高的粘結強度，局部區域的粘結強度值甚至高于PE材料或者砂漿材料的自身強度。

3.2 抗沖擊性能

對環氧砂漿涂層進行50 J沖擊試驗，以檢測涂層的抗沖擊性能，如圖5所示。

圖5 填充型環氧砂漿涂層沖擊試驗

沖擊試驗中，將3kg重的沖擊頭提升至1.7m的高度后釋放。結果顯示，涂層無散裂，說明環氧砂漿涂層良好的抗沖擊性能。

3.3 絕緣性能

現場采用絕緣測試儀來檢測環氧砂漿涂層的電絕緣性能。結果顯0示，環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。具體操作及結果如圖6所示。

圖6 填充型環氧砂漿涂層電絕緣性能檢測

4 結論

混凝土陽極填充型環氧砂漿材料施工效率高、工藝穩定，相對傳統瀝青瑪蹄脂類填充材料和聚氨酯泡沫材料，其在提高自身機械強度的同時，保障了材料一次成型率和對基面的粘接強度，后期強度保持性好，有利于管線鋪設，并有效提高混凝土配重管產品的整體質量。

填充型環氧砂漿為綠色環保型材料，主體為熱固性樹脂成分，固化形成大分子鏈的網狀體型結構，反應不可逆，因此對人體無傷害，不污染環境，在海底長期服役情況下，不會對海洋環境造成不良影響，符合節能降耗、綠色環保的科學理念。