单层钢管保温配重新产品在海洋油田中的应用
摘要:对海洋石油海底单层钢管保温(也称单层保温钢管)新产品的试制与使用情况进行了介绍;阐述了为提高海底单层保温钢管产品各层间的抗剪切力，使钢管、防腐层、聚氨醋保温层、聚乙烯夹克防护层和混凝土配重层五者结合成为一个紧密的整体而采取的措施和效果;总结了影响施工质量的关键技术要点;并就目前单层钢管保温产品结构参数选定提出了参考意见。
关键词:海底管道;单层钢管;保温钢管;混凝土配重层
中图分类号:TE866.4文献标识码:A文章编号:1001-2206 (2009) 03-0022-OS
0引言
在我国海洋油田中，所发现的原油大多数是高倾点的原油，需要保温输送。原来采用双层钢管保温结构，虽然安全可靠，但采用钢管作为保护管是很不经济的，而且现场施工还需要内外管焊接，这极大地降低了铺管效率，造成安装费用成倍增加。
中国海油基地集团管道工程公司于2002年在塘沽建成国内第一条混凝土配重生产线，为东方、渤南、春晓、吞山一镇海、壳牌东联港和番禺一惠州等项目进行了数千千米管道的混凝土涂敷工作，并为蓬莱19-3项目一期的产品做了损坏涂层的修补和现场补口。蓬莱19-3项目一期的单层钢管保温产品是马来西亚BREDEROPRICE公司涂敷的，其产品的设计结构:钢管+FBE+聚氨醋保温层+1 mm厚卷绕成型钢护套(即锁扣铁皮)+煤焦油瓷漆涂层+内置钢网加强筋式混凝土配重层，工艺较为复杂。煤焦油瓷漆属于环保淘汰产品，铁皮钢护套锁扣处很难密封，质量控制难，其成品管的混凝土层脱落比较
严重。
1单层钢管保温配重新产品的结构形式及试制工艺
参考陆地埋地保温管的结构参数和有关文献资料，基于现有设备，从2002年开始，采用钢管十防腐层(FBE)+聚氨醋保温层+聚乙烯夹克管(HDPE)+钢筋混凝土配重层的保温结构进行了一系列试验.取得了多项专利。并在JZ 20 -2N ,CFD、满意。PL19-3, BZ 34-1等工程上使用其保温结构形式如图1, 2所示结果令人试制工艺如图3所示
2单层钢管保温新产品试制情况
2.1单层钢管保温新产品结构参数
研究试制工作是依托锦州20-2北高点项目进行的，从设计、制造和安装全方位进行研究与试验，并进行了模拟铺设，具体情况见表to
2.2试验管制作
(1)制作聚乙烯夹克管壁厚8 mm、聚氨醋泡沫层密度分别为40 , 60 , 80 kg/m3的长单层保温管3根，用于夹克与泡沫间抗剪试验。
(2)制作外表面粗糙度不同的聚乙烯夹克单层保温管3根，1根比正常打磨轻，1根正常打磨，1根比正常打磨重，壁厚均为8 mm,聚氨醋泡沫
层密度在40-60kg/m3，，用于夹克与混凝土层间抗剪试验。
(3)制作夹克管壁厚分别为6, 8, 10 mm,聚氨醋泡沫层密度在40一60 kg/m3的单层保温管3根，用于压溃试验。
(4)制作聚乙烯夹克管壁厚8 mm、聚氨酯泡沫层密度在40一60 k咖，的长单层保温管15根，用于现场全比尺试验。
试验管的夹克管内壁全部采用电晕处理，外表面作人工正常打磨粗化。
2.3试验结果
试验管的防腐层、保温层、配重层的试验结果见表2, 3, 4。
经过检验与试验，聚氨醋泡沫密度为40-60 kg/m3时泡沫本身的抗剪切强度为0.15-0.3 MPa，密
度为60一80 kg/m，时泡沫本身的抗剪切强度为0.3一0.4 MPa，夹克与泡沫间抗剪切强度为0.12 MPa以上，夹克与配重层间抗剪切强度为0.17 MPa以上。在滨海一106铺管船上进行全比尺的试验显示:在张紧器压力分别为100, 150, 200, 250 kN下.单层保温管无压溃破坏迹象;在绞车张紧力为50,80, 100, 130, 160 kN的情况下反复拉动，混凝土完好，单层保温管无破坏迹象。
试验证明:钢管、防腐层、保温层、夹克层和配重层五者已经结合为一个整体，具有很强的牢固性，该单层钢管保温配重新产品可以用于实际工程项目。
3单层钢管保温配重新产品在海底管道工程中的
应用
迄今为止，该产品已在JZ 20-2 ,涸洲、CFDII / }I期、QK 17-2, BZ 34-1等多个工程上成功应用。我公司凭借该技术在PL 19-3 II期工程国际招标中，通过了康菲飞利浦斯公司的各项评审，在与包括BREDERO SHAW , SOCOTHERM , ABB等在内的4家国际大公司公开竞争中中标。这项技术现已成为中海油边际油田开发的“三一模
式”(即:一座简易平台十一条海底管道十一条海底电缆)中的一项重要内容，根据管径与结构的不同，可使管道建设成本每千米降低50 -100万元，大大降低了海上油田的开发成本，使一批边际油田得以经济有效地开发。具体工程项目见表5。
4单层钢管保温配重新产品生产技术要点
4.1配重涂教工艺
采用喷射式工艺涂敷，对于D254 mm以上的钢管效果很好;但是在做D152 mm或D203 mm长12m的钢管涂敷时，因为这种钢管刚度很小，在边缠钢丝网边喷涂混凝土时钢管发生剧烈抖动，致使喷涂作业无法进行。采取的措施是在管子中部增加支撑轮.调整涂敷小车两端的支撑旋转轮.使其尽可能卡紧管子。我们专门研究开发出一种自控的小管涂敷支撑装置，已获得国家专利。
4.2吊装运输
和涂敷一样，小直径管的吊装运输也非常困难，尤其是配重涂敷后的管很重，而小直径管刚度又较低，很容易造成弯曲变形。解决办法是增加吊点数和运输车辆支撑的接触面积，或者改用较宽的吊带，吊在12 m长管的两端各3m处，从而使得管子中部受力最小。
4.3夹克内表面极化处理
为了增强夹克层与泡沫层间的粘结力，夹克管内表面需要进行处理。试验时，采用内壁喷砂粗化和电晕极化处理办法。经测试，这两种方式，对于增加夹克层与泡沫层间的粘结力效果相当。但是，使用电晕极化处理效率更高，质量更易控制。根据中石油管道科学研究院的研究成果，采用聚乙烯管内壁电晕处理后，泡沫与夹克的粘结力可达到0.70 --
1.42 MPa，远远超过泡沫本身强度。
但是实际上，经过检测，我们使用的经过电晕处理后工业化生产的夹克管内壁与泡沫的粘结力达不到以上数值，但可以达到相关规范要求的0.05 N/m值，从几次试验和几个工程的应用情况看，满足这个值在工程上是可以接受的。在实际工作中，需要进一步研究如何提高极化程度，以达到更好的内壁粘结效果。
4.4夹克外表面粗化处理
为了增强夹克层与配重层间的粘结力，必须对夹克管外表面进行粗化处理。开始采用电动钢丝刷对夹克管外壁进行人工打磨，表面质量不容易控制。现在采用机械刀具自动刻槽的办法进行处理，经检测打磨后夹克层与配重层间的抗剪切强度可达到0.2 MPa左右。但是，如果混凝土层发生细微开裂(这是允许的)，那么局部的混凝土仍然可能发生滑移，所以如何更好地进行夹克管外壁的粗化与防止开裂(特别是端部开裂)仍然是影响质量的关键。
4.5补口节，x填充
海管铺设过程中，管节点通常使用沥青玛蹄脂填充。其缺点是现场熔化玛蹄脂污染环境、工作条件差、速度慢、熔化炉易出故障、能源消耗高;另外，熔化需要加热，温度高，易烫坏接头部位防腐保温层和防水端帽。改用高密度聚氨醋发泡材料代替玛蹄脂，可以改善施工质量和作业环境，高密度聚氨醋泡沫取代传统的沥青玛蹄脂是发展方向。
4.6防水密封端帽
在试验和实际工程中，使用过两种密封端帽进行防水密封:一种是背面预涂热塑胶的无接缝热塑式梯型结构的防水端帽;另一种是背面无胶的有接缝的热缩直筒式防水端帽.基材均为高密度聚乙烯。后者无背胶，是靠两个密封胶条来粘结，胶条是压敏型冷胶，安装方便，由国外著名公司生产，有海洋工程业绩，但粘结后剥离强度很低，易滑移。前者是我公司在国际上首次开发使用的产品，且属于国产定制产品，粘结强度高，防水性能好。从对比试验看，采用前者进行单层保温管的端头防水处理，可避免纵向焊缝开裂问题，防水效果更佳。
4.7养护
由于初期养护时，混凝土的强度还比较低，所以在沙垛支撑处可能会出现内部夹克和泡沫的挤压变形，造成局部的夹克与混凝土和泡沫的粘结失效，从而影响局部和整体的轴向抗剪切力。解决办法是，增加沙垛宽度，及时翻垛使其松软，增加接触面积，调整沙垛间距，使管道受力均衡。
笔者认为混凝土涂层开裂的很重要的一个原因是在养护初期由于管体温差过大造成的。众所周知，钢筋混凝土非常好的特性就是钢筋(丝)和混凝土的线膨胀系数很接近，在温度变化时，钢筋(丝)和混凝土不会分离。而聚乙烯的线膨胀系数大约是钢筋(丝)和混凝土的10倍，所以在管体温差过大时，由于混凝土抗压不抗拉的特性很容易造成裂缝。在气温高达35 } 40℃的夏季，笔者曾经在番禺涂敷现场检测过，在养护初期的1一2h内，由于水化放热量很大，检测到混凝土涂层表面温度可以达到60一70 }C，而夹克内的保温层又不足以约束夹克层的变形，所以，采取措施避免养护初期混凝土涂层的温升过高可以较好地解决开裂问题，如洒水降温等，同时在选择水泥时要避免使用早强水泥。
4.8阳极
按照目前单层保温管的结构形式和制造工艺，在管道中间安装阳极较为困难，按照DNV新的规范，通过试验和计算证实管道较短时(如小于6 km)平管段可不装阳极;如果管道较长，仍然需要安装阳极，只是尽量靠近管端，为避免混凝土涂层分割为两段后短端混凝土由于总抗剪力较小而滑脱，现场焊接时，注意把带阳极的一端与前面的管道相焊接，建议安装规格书做此规定。
5对单层保温管结构参数选定的建议
5.1泡沫物性指标
参考SY/T 0415-1996, CJ/T 114-2000和EN
253:1994几个标准的要求和所做工程的实际设计参数，对于泡沫性能指标的选定建议如下:
前期对于水深较浅的项目的设计数据基本上是按照SY/T 0415-1996选取的，经过试验和工程实践，认为如果泡沫密度适当提高结果会更好。特别是对于较深水域的项目，笔者认为泡沫密度应适当加大。如水深小于20 m可选取60一80 k咖，，水深大于20 m选取80一100 kg/m3，这样泡沫抗压强度可以提高，也利于提高轴向剪切力。
5.2层间抗剪力指标
国内SY/T 0415-1996对保温管层间轴向抗剪力指标没有规定，而CJ/T 114-2000和EN 253:1994则规定保温管(无配重)的轴向抗剪力指标为)0.12 MPa，国内生产的夹克内表面经过电晕处理后基本可以达到这个要求。而DF 1-1项目、春晓项目和番禺一惠州项目等管道配重涂敷技术规格书的要求基本上都是)0.1 MPa，这个指标经过工程实践证明没有问题。所以，建议对于单层保温管的层间轴向抗剪力指标可以规定为)0.12 MPa(23℃士2℃)。
5.3夹克层物性指标
参考SY/T 0415-1996, CJ/T 114-2000和EN253:1994几个标准的要求和所做工程的实际设计参数，笔者认为聚乙烯料和夹克管物性指标可按表6和表7规定。
5.4加固网
混凝土中的钢丝直径是按照工程的通用要求设定的，即含筋率满足:环向CSA,0.5 %，纵向CSA}0.08 %。钢丝的抗拉强度是按照ASTM A82设定的，大于等于485 MPa。基于JZ 20-2研究项目在滨海一106铺管船上进行全比尺的张拉试验时发生的部分配重层滑移且钢网拉断的现象，并结合几个工程的情况，笔者认为针对单层保温管混凝土配重一般都比较薄的特点，混凝土中的配筋率应该适当提高或者适当提高钢丝的抗拉强度，特别是纵丝的强度。
6结束语
根据我公司先后对不同管径单层保温管所做的试验与检验，笔者认为:只要认真总结有关工程的经验并在实践中克服各种可能存在的问题，特别要控制好关键环节的质量，那么这种单层钢管保温新产品就完全可以用于浅海边际油气田的开发建设，也适合滩海油气田的使用。