海底管道混凝土配重涂層質量檢測技術研究

鄧廣武

（海隆管道工程技術服務有限公司，上海200949）

海洋油氣的開采和輸送是未來能源發展的一個重要方向，在海洋油氣輸送管線中，混凝土配重涂層鋼管使用非常廣泛。海洋油氣輸送管道的鋪設與陸地作業相比較為困難，相應技術標準或質量要求較為嚴格。為保證產品質量，需建立完整的質量管理體系，制定從顧客確認、原材料采購、產品實現、監視和測量、持續改進等過程的相應程序文件。保證具體合同項目質量可被策劃、控制和改進，形成詳細描述生產工藝、檢驗與試驗、技術指標、綜合測量方法等文件，以保證產品質量的符合性、穩定性和可追溯性。

1 項目概況

2013 年-2014 年，由于混凝土配重涂層產品在國內產線極少，且國內項目的技術規格書大部分還是引用國外主要標準規范，某公司為適應管道涂層類型發展趨勢，打破封鎖，填補國內市場，實現從陸地管涂層向海底管涂層的進軍，決定建立水泥配重涂層生產線，并建立相應的質量控制體系。筆者作為該項目負責人，圍繞混凝土涂層產品，組織建立水泥配重涂層質量管理體系，識別各過程并形成程序文件。具體圍繞水泥配重涂層的質量控制與檢試驗制定4 個項目，分別是：a.CWC 水泥配重生產工藝研發；b.CWC 水泥配重涂層成套檢測技術；c.配重涂層管沖擊試驗工藝及研發；d. 配重涂層管剪切及擠壓試驗工藝及研發。

2 混凝土配重涂層生產工藝

混凝土配重涂層是在防腐鋼管的防腐層上再施涂一層混凝土，形成配重涂層，該涂層作用一是提供海底管線在鋪設和使用時穩定的下沉力；二是提供對防腐涂層和鋼管的機械保護，防止在鋪設和使用過程中，因撞擊等產生的防腐層損傷或鋼管變形。

混凝土配重涂層生產工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 混凝土配重涂層生產工藝流程圖

上述流程應根據合同項目技術要求，編制制造工藝規范（MPS），需詳細描述各流程及控制要求，并提交顧客批準確認。其中混凝土攪拌和混凝土配重涂敷為配重涂層加工的關鍵工序，其中許多參數，如原材料配比、攪拌時間、鼓輪轉帶、噴涂速度等，直接影響配重涂層的關鍵質量指標，如密度、強度等。需對關鍵參數進行識別，根據以往項目經驗形成預生產參數工藝卡，在工藝評定過程中，對預定參數進行驗證和修定，最終形成生產參數工藝卡指導于配重涂層生產，以保證產品質量的穩定性和一致性。

3 CWC 涂層檢驗與試驗及技術指標

3.1 CWC 涂層檢驗與試驗要求

混凝土配重涂層檢驗與試驗要求，根據質量管理體系和合同項目技術要求，形成檢驗與試驗計劃（ITP)，并提交顧客批準確認，保證其符合性、一致性和可追溯性。根據現場經驗，部分檢驗試驗項目需要實際執行過程中，需按如表1 方式進行。

3.2 CWC 涂層技術指標

CWC 涂層技術指標主要分為兩部分，一部分為由項目設計給定的技術指標，項目不同，這些指標有變化，如混凝土涂層的厚度、密度等；一部分為由項目執行標準或技術規格書給定的技術指標，如引用標準相同，這些指標是相同，如加強筋的配筋率、水下重量偏差等。以下是根據SY/T 7398-2017《海底管道混凝土配重涂層技術規定》和舟山項目設計要求整理技術指標對比如表2。

根據上述對比可以發現，CWC 涂層技術指標在行業標準中有提及，但大部分未給定具體數值，只是對工藝要求、檢驗試驗頻次或方法進行規定要求，所以針對具體項目，在與顧客簽訂合同前，應確認技術指標的具體數值，以保證質量的符合性。

表1 CWC 涂層檢驗與試驗要求

表2 CWC 涂層技術指標

表3 水下重量測定指標

4 綜合技術檢測與試驗

4.1 水下重量測定

水下重量是一項CWC 涂層鋼管的重要質量指標，其偏差越小，說明生產工藝越穩定，后續管線鋪設施工也越穩定。水下重量由單位長度配重涂層管的重量減去單位長度配重涂層管在水中的浮力，單位為kg/m，水下重量可分為理論水下重量和實際水下重量，各部分取值如表3 所示。

管端預留部分在后續管線施工過程中會填充聚氨酯或其它材料，其密度與混凝土涂層密度不同，在計算水下重量時，可采取：一是管端預留部分不計入，僅以配重層部分計算水下重量；二是按施工過程中使用密度材料，理論計算后，計入整管重量中，然后平均到單位長度中。計算方式需要形成文件，提交顧客批準確認后執行。

現場稱重一般在混凝土涂敷完成后立即進行，此時因混凝土中拌合水未完成反應，略重于養護完成后風干狀態下的混凝土涂層，可在養護完成后，抽取部分配重管進行稱重，可對混凝土涂敷后立即稱重重量進行修定。如項目要求重量為飽和水下重量，還應根據吸水率試驗結果，對重量進行修定。重量形式和修定算法需要形成文件，提交顧客批準確認后執行。

4.2 吸水率試驗

吸水率試驗是評價混凝土涂層性能的一項重要試驗，應在28 天養護期后進行，可在混凝土配重整管上進行，也可以在混凝土試樣上進行。計算公式如下所示：

SY/T 7398-2017《海底管道混凝土配重涂層技術規定》中，給出判定吸水飽和的方法是：將養護好的試樣浸泡在水溫為21℃±3℃的海水槽中至少24 h，直到連續3 次稱重（最小間隔3h）的平均重量誤差在1%以內。為保證連續稱重平均重量誤差在1%以內，可摸索首次稱重的浸泡時間，如此可減少后續稱重的次數，方便操作。吸水前涂層重量可分為風干狀態和烘干狀態，試驗前應形成文件，提交顧客批準確認后進行。

在混凝土配重整管上進行吸水率實驗時，可在車間適當且吊裝鋼管方便的位置，建造一水池，該水池可按可能進行的最大管徑和最長管長建造，以固定實驗位置，方便每個項目的實驗進行，整管試驗應在工藝評定時進行。正常生產時如有要求，可在芯核等混凝土試樣上進行，方便操作，但應與顧客提前確認。

4.3 抗滑脫性試驗

抗滑脫性試驗是評價混凝土涂層與防腐涂層之間剪切力性能的一項重要試驗，在28 天養護期后進行，在混凝土配重整管上進行，也可在試樣管段上進行。混凝土涂層長度不小于1.5米，其上實施軸向載荷，在規定的荷載作用下，測得防腐層與混凝土涂層間的抗剪切強度，以判斷抗滑脫性能是否符合要求。根據項目要求不同，計算公式有以下兩種：

當管徑較小時，可切除試樣管段在實驗室抗壓設備上進行；如管徑較大時，可直接在混凝土配重鋼管上進行，將鋼管水平放置，待試驗的混凝土涂層位置懸空，將荷載加載設備固定鋼管管端，然后由平均分布的千斤頂對混凝土涂層施加荷載，測取力值計算抗剪切強度。試樣段上的配重層截面可在養護期后切除，也可在涂敷完成后立即去除，此時混凝土未完全固化，方便去除。

如顧客要求模擬鋪管船上配重涂層管通過張緊器所承受壓力而不被破壞的要求，可增加混凝土涂層先承受壓力后進行抗滑脫試驗，此試驗可接近混凝土涂層鋼管在鋪管船上受力真實情況。該試驗應在抗滑脫試驗前，先在混凝土涂層垂直方向施加規定的載荷，然后應荷載卸除后，進行抗滑脫試驗；也可在施加垂直載荷的同時，進行抗滑脫試驗。試驗前，應形成文件，提交顧客批準確認后執行。

4.4 抗沖擊試驗

抗沖擊試驗是評價混凝土涂層的一項重量試驗。沖擊試驗是在養護期28 天后進行，待試驗的混凝土涂層鋼管固定后，一定重量的沖擊錘前方設置一固定形狀的沖擊頭，在一定高度快速釋放后，沖擊頭以一定速度撞擊混凝土涂層，完成規定次數或角度的沖擊后，檢驗混凝土涂層的剝落尺寸、防腐層有無損傷、加強鋼筋有無外露或鋼管有無變形等，以判定混凝土涂層的抗沖擊性能。

項目設計或技術規格書要求不同，沖擊試驗的沖擊錘重量和沖擊頭尺寸不盡相同，在設設計沖擊設備時，可將沖擊錘和沖擊頭分開設計，兩者之間可采用螺柱等可拆卸的牢固連接，以方便不同沖擊錘重量下快速更換不同尺寸的沖擊頭。沖擊方向可選用豎直方向沖擊，沖擊錘在混凝土涂層正上方釋放，此方式需要使用導管或導軌進行導向和防護，適于同一涂層尺寸類型的試樣管端；也可選用鐘擺式，將等試驗涂層放置于沖擊錘運行的最低點，此方式可在有行車車間內進行。混凝土涂層受沖擊后，評價方式各標準或技術規格書要求不盡相同，大部分與涂層、加強鋼筋或鋼管有關。試驗前，應形成文件，提交顧客批準確認后執行。

5 結論

在不斷實踐過程中，通過與業主或第三方的討論試驗方法及與標準符合程序，與實驗參與者溝通改進的方向及細節，不斷完善上述試驗的設備硬件和文件軟件，最終形成符合ISO、SHELL 和國內標準的檢驗試驗計劃（ITP），形成質檢作業操作規程和計量器具臺帳。順利完成CWC 水泥配重涂層成套檢測技術項目。

目前國內混凝土涂層鋼管的加工工藝趨于成熟，現有較多的國外項目在國內混凝土涂層加工廠完成，在完成每一個項目之后，應總結經驗，持續改進加工和檢驗手段，以期可提高更高效更高質的混凝土涂層產品。