雙環氧防腐配重管三種防滑脫工藝試驗研究

王志剛，相政樂，吳學峰，趙 利，賈 振，楊 彪，陸 娟，張 宏

中海油能源發展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452

0 引言

2009年世界海洋石油和天然氣產量分別占總產量的35%和30%[1]。隨著海洋油氣資源的開發，海底管道的應用越來越廣泛，它把海上油氣田生產設施或陸上處理終端的各個環節連接在一起，形成生產操作系統[2]。為保證輸送系統的穩定性，部分海底管道外部設計為從內至外依次涂敷在鋼管外表面上的雙層環氧防腐層和混凝土配重層結構。其中底層環氧層用于管道防腐，頂層環氧層主要用于涂層系統的機械保護[3]?；炷僚渲貙又饕煞譃楣橇虾湍z材料[4]，用于加重和保護結構物。配重層是通過借助一定外力，將混凝土涂敷到結構物外表面上經固化形成的?；炷琳辰訌姸仁潜ＷC工程質量的重要指標之一，主要包括抗拉粘接強度與抗剪切粘接強度兩項。抗剪切粘接強度用于表征抵抗平行于結合面上作用力的能力[5]。

與三層聚烯烴防腐配重管相比，上述雙環氧防腐配重管具有環保性能好、整體工程造價低的特點，但也存在諸多的缺陷，諸如混凝土配重層與環氧層間的剪切強度較低、中間噴灑的細小防滑顆粒不能起到有效的防滑脫作用，難以滿足工程要求；混凝土涂層采用噴射工藝噴涂，防滑顆粒層不能對環氧防腐層起到有效的機械保護作用，容易造成雙層環氧粉末涂層的破損等。為此本研究工作探討雙環氧防腐配重管的最佳防滑脫工藝途徑。

1 試驗

1.1 原材料

本試驗采用的聚脲為噴涂聚脲彈性體，依據GB/T 23446-2009[6]測定其固體組分含量、凝膠時間、表干時間及吸水率，依據GB/T 531.1-2008[7]測定其硬度，檢測結果如表1所示。采用的冷纏帶為聚丙烯增強纖維防腐冷纏帶，檢測結果如表2所示。采用的熱收縮帶為輻射交聯聚乙烯熱收縮帶，檢測結果如表3所示。采用的鋼管為直縫埋弧焊管，其規格為D1026mm×10mm，長度為12 192mm。

表1 聚脲彈性體涂層及涂料性能指標檢測結果

表2 冷纏帶及配套底漆性能指標檢測結果

表3 熱收縮帶性能指標檢測結果

1.2 試件制作、測試及計算方法

（1）方法A。經拋丸（砂）除銹、中頻加熱并涂裝了雙環氧防腐層的半成品管被運送至聚脲噴涂區，噴涂機將聚脲噴涂至防腐層表面，噴涂厚度為1～1.5mm，起脊寬度約50mm，厚度2～3mm，間隔約200mm。待其固化后，再將混凝土噴涂至聚脲防滑層表面制成所需成品管（工藝流程如圖1所示）。

圖1 聚脲起脊法工藝流程示意

（2） 方法B。經拋丸（砂） 除銹、中頻加熱并涂裝了雙環氧防腐層的半成品管被運送至冷纏帶纏繞區。在纏繞前，需在防腐層表面刷涂底漆，用量為10～14m2/L。涂刷底漆后5～10m in，在其表面按螺旋狀纏繞冷纏帶，形成厚度為0.3 mm、周向搭接寬度不小于55%的冷纏帶防滑層，然后再將混凝土噴涂至防滑層表面制成所需成品管（工藝流程如圖2所示）。

圖2 冷纏帶纏繞法工藝流程示意

（3）方法C。對涂裝雙環氧防腐層的半成品管進行表面清潔處理后，每隔2m，安裝一條寬度為120mm的熱收縮帶；隨后，在其外層纏繞冷纏帶形成混凝土防滑結構；最后再將混凝土噴涂至防滑層表面制成所需成品管（工藝流程如圖3所示）。

圖3 熱縮帶+冷纏帶工藝流程示意

分別按照上述3種方法制成所需成品管后，在其中間部位切取長度約1.4m的管段，并剝離其中一端的混凝土（管端預留長度為200mm），待混凝土養護28 d后按照ISO 21809-5-2010[8]測其抗剪切強度，具體方法如圖4所示?？辜羟袕姸葴y試在100 t的萬能液壓試驗機上進行，通過儀表盤的讀數控制試驗管承受的剪切荷載，通過觀察位移百分表的讀數檢查層間位移情況。采用液壓千斤頂加載時，載荷自100 kN起分級加荷，每級20 kN，每級加荷在30 s內完成，然后保持荷載3 m in，記錄每級加載后最終的穩定荷載值，直至試件破壞為止?？辜羟袕姸劝词剑?）進行計算。

式中 τax——軸向剪切強度／MPa；

Fax——軸向力／N；

d——鋼管外徑（包括防腐層厚度）／mm；

L——試件長度／mm。

圖4 混凝土配重層抗剪切強度測試方法示意

2 試驗結果與討論

混凝土配重層抗剪切強度測試結果見圖5、圖6及圖7。

圖5 方法A混凝土配重層抗剪切性能

圖6 方法B混凝土配重層抗剪切性能

從圖5～7可見，混凝土配重層的位移與所受的荷載近似成正比關系。根據圖5數據由式（1）計算可知，當荷載值達到0.057 MPa時，混凝土配重層的位移值為16mm，并且在此荷載值下混凝土配重層沿軸向明顯出現較快的滑移，此時，已無法繼續對配重層增加荷載。停止施加載荷后，觀察錯位界面，發現聚脲涂層本身已發生破壞。由此可知，采用方法A防滑脫工藝制取的試驗管件，混凝土配重層的最大抗剪切強度為0.057MPa。由圖6數據計算可知，采用方法B工藝的混凝土配重層最大抗剪切強度為0.08MPa。由圖7數據計算可知，采用方法C工藝的混凝土配重層最大抗剪切強度為0.093MPa。

圖7 方法C混凝土配重層抗剪切性能

從機理上分析，采用方法A防滑脫工藝制作的試驗管件之所以產生上述現象，其可能的原因為，聚脲是由異氰酸酯、端氨基聚醚、胺擴鏈劑等原料經高速對撞混合后噴涂而成，所形成涂膜與同為極性材料的FBE附著力較強。當材料完全固化后，其表層處于自封閉狀態，非極性基團定向排布形成光滑的憎水表面，與混凝土層的粘結力較小，因而抗剪切性能差。同時，由表1可知，聚脲涂層抗撕裂強度較低，因此當荷載力增加到0.057MPa時，聚脲的立體網狀結構可能在混凝土軸向剪切力的作用下發生破壞，從而導致混凝土配重層發生滑移脫落。

在采用方法B防滑脫工藝制作的試驗管件中，由于冷纏帶是以聚丙烯增強纖維為背材，在其表面涂敷一定厚度的高粘性丁基橡膠改性瀝青防腐橡膠的粘結劑層，再覆以一層防粘隔離膜制成的，因此與聚脲涂料相比，冷纏帶表面較為粗糙，這從一定程度上增加了混凝土配重層與防滑層的有效接觸面積，從而增加了混凝土的抗剪切力；同時，該工藝中所使用的高粘性橡膠材料，也提高了整體涂層結構的粘結力，從而提高了混凝土配重層的抗剪切力。

在采用方法C防滑脫工藝制作的試驗管件中，熱收縮帶被包裹在冷纏帶內層，它增加了防滑層的起脊高度，提高了混凝土涂層的軸向位移阻力，因而進一步提高了混凝土配重層的抗剪切強度。但隨著荷載力的不斷增加，冷纏帶高粘接性的防腐膠層會因軸向剪切力的作用而發生蠕變，從而導致混凝土配重層發生滑移脫落。

3 結論

通過上述試驗研究可以得到以下結論：

（1）混凝土配重層的位移與所受的剪切荷載力成正比。采用聚脲起脊法防滑脫工藝制作的海管混凝土配重層，其最大的抗剪切強度為0.057MPa；采用冷纏帶纏繞法制作的海管混凝土配重層，其最大的抗剪切強度為0.08 MPa；采用熱縮帶+冷纏帶法制作的混凝土配重層，其最大的抗剪切強度為0.093MPa。

（2）采用聚脲起脊法防滑脫工藝制作的海管混凝土配重層，由于當聚脲材料完全固化后，其表層非極性基團定向排布形成光滑的憎水表面，與混凝土層的粘結力較小，另外聚脲的立體網狀結構可能在混凝土軸向剪切力的作用下發生破壞，因而其抗剪切性能較差。

（3）采用冷纏帶纏繞法制作的海管混凝土配重層，由于與聚脲涂料相比，冷纏帶表面較為粗糙，從而增加了混凝土的抗剪切力，同時該工藝中所使用的高粘性橡膠材料提高了整體涂層結構的粘結力，因而提高了混凝土配重層的抗剪切力。

（4）采用熱收縮帶+冷纏帶法制作的混凝土配重層，由于熱收縮帶被包裹在冷纏帶內層，它增加了防滑層的起脊高度，因而進一步提高了混凝土配重層的抗剪切強度。但隨著荷載力的不斷增加，冷纏帶高粘接性的防腐膠層會因軸向剪切力的作用而發生蠕變，從而導致混凝土配重層最終滑移脫落。

[1]郭小哲.世界海洋石油發展史[M].北京：石油工業出版社，2012.

[2]張煜，馮永訓.海洋油氣田開發工程概論[M].北京：中國石化出版社，2011.68-69.

[3]Alan Kehr J.Fusion-Bonded Epoxy（FBE）A Foundation for Pipeline Corrosion Protection[M].Houston，TX： NACE International，2002.69-70.

[4]Abram s D A.Design of Concrete Mixtures，Bulletin 1，Structural Materials Research Laboratory[R].Lew is Institute，1918.

[5]李繼業，劉福勝.新型混凝土實用手冊[M].北京：化學工業出版社，2005.150-151.

[6]GB/T 23446-2009，噴涂聚脲防水涂料[S].

[7]GB/T 531.1-2008，硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法—第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）[S].

[8]ISO 21809-5-2010，Petroleum and natural gas industries—External coatings for buried or submerged pipe lines used in pipe line transportation sysytems—Part 5： External concrete coatings[S].