单层保温配重管镯式阳极安装及填充工艺研究
2019-06-10焦振峰武占文胡建飞
焦振峰 武占文 胡建飞
摘 要：海底管道普遍采用牺牲阳极作为阴极保护的主要工艺，对于单层保温配重管涂层系统，阳极安装设计和填充工艺涉及多种方式，本文从国内外阳极安装设计现状、趋势分析，并综合对比阳极安装填充材料，结合实验项目经验，研究靠近钢管管端位置的阳极安装工艺和单层保温配重管阳极填充形式，保证海底管道整体性。
关键词：阳极安装 填充 单层保温配重管 铺管
中图分类号：TH17 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（a）-0119-02
海底油气管线普遍采用牺牲阳极作为阴极保护的主要方式，经过多年工程实践和不断的工艺完善，业内公司已形成了较为成熟的镯式阳极安装工艺，不同于“钢套钢”保温配重管，单层保温配重管涂层系统由FBE防腐层、聚氨酯保温层、高密度聚乙烯夹克层和混凝土配重层组成，多层结构的涂层系统不但需要防腐和保温具有较好的兼容性和完整性，同时也对阳极的安装工艺提出了更高的要求。
单层夹克保温配重管，由于涂层结构和工艺较为复杂，国内外在该类型海管的镯式阳极安装工艺上还存在着一定差异。开展單层保温配重管镯式阳极安装工艺研究、阳极填充材料筛选及施工工艺研究、阳极安装工艺及填充工艺评价等，从而掌握单层保温配重管镯式阳极安装技术及配套阳极填充工艺。
1 单层保温配重管镯式阳极安装工艺现状及趋势
虽然单层保温配重管具有成本低、铺设效率高等优点，但由于其涂层结构和施工工艺较为复杂，常规的阳极安装工艺（阳极安装在管道中间）已很难满足海管涂层完整性的要求。在以往项目中，根据DNV相关标准计算和试验证实，当管线较短（如小于6km）时，单层保温配重管可无需安装阳极，利用导管架上阳极即可为整条管线提供管线的阴极保护电压。但当管线较长时，单层保温配重管线仍需要安装牺牲阳极进行阴极保护。此时，考虑到管道涂层完整性、阳极与管道尺寸匹配性及现场施工适用性等方面，国内外设计公司开发出了不同的单层保温配重管的镯式阳极安装工艺。
针对单层保温配重管，为避免降低管道涂层完整性，提高阳极安装质量和效率，国内外海管设计公司对单层保温配重管的镯式阳极安装工艺进行了大量研究，并设计实施多种管线阳极安装工艺。根据国外设计公司技术规格书和以往项目经验，现对单层保温配重管镯式阳极安装工艺进行分析和总结。
1.1 国外镯式阳极安装工艺
（1）Logstor公司阳极安装。
为确保单层保温配重管涂层的完整性，Logstor公司设计开发出了将镯式阳极安装在管道一端的施工工艺。该工艺施工时，首先预制出单层保温配重管，然后将镯式阳极组对安装在管端的PE夹克层上，并将阳极导线焊接于管端。
该阳极安装工艺虽然可保障管道涂层结构的完整性，降低保温层失效风险。但对于该阳极安装工艺，阳极仅有一端有混凝土的限位保护，另外一端无混凝土涂层的限位，阳极主要依靠其与PE夹克管间的摩擦力进行管端固定。在现场铺管时，张紧器对钢管所施加的拖曳力较大，因此仅靠摩擦力固定在管端的阳极易发生滑脱，并且管端阳极直接受吊装、运输影响。因此，该阳极安装工艺存在一定的阳极滑脱和失效风险。
（2）Techint公司阳极安装工艺。
考虑到阳极在管道铺设过程中的结构稳定性，针对单层保温配重管，南美海管设计公司Techint鉴于常规防腐配重管阳极安装工艺，在早期设计开发出将镯式阳极安装在钢管中间位置的阳极安装工艺。
该阳极安装工艺可确保镯式阳极在单层保温配重管上的机械稳定性，有效的避免了钢管铺设时阳极的滑脱和损伤。但由于该工艺较为复杂，施工时存在一定的问题。如保温层与FBE粘接好，去除时易对FBE涂层造成损伤;混凝土配重层强度高，混凝土配重层在切除时将导致开裂，且切除难度大;钢管中间位置保温层和夹克层去除后，降低了管线保温涂层的完整性，影响管线保温效果;钢管中间保温层去除部位两端需要安装一对防水帽，增加了保温层失效风险。
综上所述，该阳极安装工艺工作量较大，生产效率较低，施工成本较高，并且存在保温层失效的风险。
1.2 国内镯式阳极安装工艺
近年来，随着我国海洋油气田对长距离单层保温配重管线需求的日益增大，国内设计公司设计开发出新型的镯式阳极安装工艺。该工艺是在不破坏保温层的条件下，将镯式阳极安装在尽量靠近管端位置上，再将阳极导线焊接在管端，并确保管道短端混凝土配重层与夹克管的附着力满足铺管张紧器对配重层剪切力的要求。
相比于国外公司设计的阳极安装工艺，国内海油工程设计公司开发出的单层保温配重管镯式阳极安装工艺不仅保障了管道保温涂层的完整性，避免了保温失效风险。并且由于镯式阳极两端均具有混凝土配重层的限位保护，有效的提高了管道上阳极的稳定性，避免铺设过程中阳极的滑脱和运输过程中的磕碰损伤。该单层保温配重管镯式阳极安装工艺已在BZ 19-4、智利等项目中得到了成功应用。
1.3 单层保温配重管阳极安装工艺发展趋势
保温层的完整性和阳极结构的稳定性是影响保温管线性能的主要因素，从单层保温配重管阳极安装工艺现状可以看出，国外在阳极安装工艺设计上未兼顾考虑到阳极结构稳定性和保温层的完整性，设计工艺还不够成熟。我国海油工程设计公司的单层保温配重管阳极安装工艺，不仅可保障管道保温层的完整性，同时也可避免铺管过程中阳极滑脱风险，因此，该阳极安装工艺未来将成为国内外单层保温配重管阳极安装工艺的主要发展方向。
2 单层保温配重管阳极安装及填充工艺试验研究
针对公司承接的智利PIAM项目技术要求，结合单层保温配重管主体涂层结构特点与我公司以往项目经验，开展了8吋单层保温配重管镯式阳极安装及填充工艺技术研究。通过对阳极安装位置的优化设计，对比分析不同类型阳极间隙填充材料性能，完善总结出更为合理的单层保温管阳极安装工艺。
2.1 单层保温配重管镯式阳极安装位置设计
在确保保温涂层结构完整的条件下，设计将镯式阳极安装在PE夹克管上且尽量靠近管端的位置，再采用铝热焊将阳极导线焊接到管端，最后再进行配重涂敷的施工工艺。
当阳极安装在靠近在管端位置时，会出现海管的混凝土配重层一端长度较短情况。考虑到海管S型铺设时的受力情况，若管道一端配重层长度较短，配重层与PE夹克层间的抗剪切力也较小，在张紧器所施加的张紧力作用下，配重层与夹克层之间可能产生脱滑，从而造成数百米管道和某些铺管设备损坏。
2.1.1 海管铺设受力分析
当阳极安装在靠近在管端位置时，会出现海管的混凝土配重层一端长度较短情况。考虑到海管S型铺设时的受力情况。海管S型铺设时，管道形状由三个区段构成：即在铺管船作业区为直线段、在托管架区段为拱弯段、在悬链区段为垂弯段。对带有混凝土配重层的海底管道来说，由于混凝土具有较高的抗压强度，但其与PE夹克管间的结合部位仍然是管道整体的薄弱环节。因此，在分析海底管道铺设应力时，应对直线段混凝土配重层所受张紧器的张紧力进行校核。
通过计算可得出智利项目8吋单层保温配重管铺设时所受的张紧力为289.67kN[1]。
2.1.2 阳极安装位置设计
单层保温配重管的混凝土配重层与PE夹克层间的剪切强度τ ≥0.1N/mm2。
通过计算得出8吋单层保温管不同长度混凝土配重层的抗推脱力结果。当将镯式阳极安装在距管端2m位置时，管道一端混凝土配重层的长度为1625mm，其可承受的推脱力为329.89kN，可满足现场铺管时张紧器对海管的张紧力289.67kN要求。本研究设计确定将海管安装在距管端2m的PE夾克管上。
2.2 阳极间隙填充材料比选
对于单层保温配重阳极管，镯式阳极隙填充材料是涂层整体系统不可或缺的组成部分，其不仅可确保海管整体涂层结构的完整性，同时也可保障阳极通过托管架时受力均匀，顺利通过导管架铺设下水。海管阳极间隙填充材料的性能和填充工艺对海管铺设时阳极的稳定性及其重要。
目前针对混凝土配重海管阳极间隙填充材料要求和施工特点，国内主要使用沥青玛蹄脂和环氧砂浆进行阳极间隙填充，而国外相关管道建设公司主要使用高密度开孔聚氨酯材料[2]。
从材料性能、施工工艺和施工成本方面对沥青玛蹄脂、环氧砂浆和开孔聚氨酯三种填充材料进行了对比分析，结果表明：沥青玛蹄脂自身强度较低、与主体配重层粘结性能较差、污染环境并危害健康，现已不能满足阳极间隙填充要求;虽然环氧砂浆材料具有强度高、粘接性能好等特点，但施工时存在其制备和填充工艺较为繁琐、施工用时较长等不足;高密度开孔聚氨酯材料不仅强度高、粘接性能好、安全环保，而且还具有施工工艺简单、填充质量和效率高等特点，可满足阳极间隙填充技术要求，是作为阳极间隙填充的理想材料。
综上所述，节点补口用高密度开孔聚氨酯材料的性能和浇注工艺较为满足海管阳极间隙填充施工要求，选用高密度开孔聚氨酯材料作为阳极填充材料是阳极填充工艺的发展趋势。
3 结语
根据单层保温配重管发展现状，调研国内外镯式阳极安装工艺，并对智利项目阳极安装工艺进行了分析。目前国外阳极安装工艺还不够成熟，未兼顾考虑到阳极结构稳定性和保温层的完整性。国内海工设计公司所设计的将阳极安装在靠近钢管管端位置的施工工艺可有效保障管道整体性，该工艺是单层保温配重管阳极安装工艺的主要发展方向。
项目根据智利项目单层保温配重管涂层结构特点，通过铺管受力计算，设计开发出将阳极安装在距管端2m的夹克管上的施工工艺，并按照阳极间隙填充材料性能和施工要求，比选出强度较高和施工性能优良的高密度开孔聚氨酯作为阳极填充材料。
参考文献
[1] 张晓灵，刘元永，王志刚，等.海底管道涂层抗滑脱技术及应用[J].石油工程建设，2012，38（4）：22-25.
[2] 刘海超，高国军.海底管道高密度开孔聚氨酯补口新技术[J].中国海上油气，2006，18（4）：271-275.
