混凝土配重管阳极填充用环氧砂浆的应用研究

刘进东，王志业，贾 振，张 祥，王铭浩（.中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津 30045；.海油工程建造事业部天津建造公司，天津 ）

0 前言

海洋油气管道长期处于海水浸泡的特殊环境中，最外层混凝土层将会直接触海水[1]。为了防止海洋环境对钢管的腐蚀，需要在海洋油气管道上安装阳极，阳极与配重层之间有一定的缝隙，需要完全填充，材料的选择是关键，阳极填充材料若选择不合适，会出现各种问题：一方面配重管在铺设过程中由于张紧器等设备对于阳极部件的机械损伤；另一方面也会导致混凝土配重层中钢丝网的裸露和腐蚀，严重影响配重层的质量及使用寿命，进而危害油气管线的安全运行[2]。

海洋油气混凝土配重管阳极安装部位一直以来主要采用沥青玛蹄脂类材料填充工艺，以保证阳极与配重层内部钢丝网的绝缘以及配重层的平滑过渡[3]。沥青玛蹄脂在施工过程中不仅会对环境造成污染，还严重危及人体健康；此外沥青马蹄脂类材料还存在强度低、粘结性能较差、施工繁琐等问题。随着行业健康、安全环保管理工作的日趋严格，沥青玛蹄脂类材料已逐步被列入淘汰工艺的范围。因此，针对上述现状亟需开发一种新型的环境友好材料，满足阳极安装部位填充。

结合环氧砂浆高粘结、高强度等优异性能和现场施工要求[4,5]，开发海洋油气配重管填充高性能环氧砂浆材料，逐步替代传统的沥青玛蹄脂等材料，实现混凝土配重层的整体兼容性和完整性以保障海底管道的长期安全稳运行。

1 环氧砂浆的制备及性能测试

环氧砂浆材料是指用环氧树脂代替或部分代替水泥，掺入适量固化剂、增塑剂、稀释剂及填料作为胶粘剂，以砂、石作为骨料，经混合、成型、固化而成的一种有机无机多相复合材料，是聚合物砂浆的一种。其中，不同的树脂对应不同的结构，而每种树脂又可以与多种改性剂及固化剂配合使用。主体粘接作用的复合树脂体系（命名为A组份）、起反应速率调节控制作用的固化体系（命名为B组份）和起材料状体及施工性调整作用的复合颜填料体系（命名为C组份）[6]。

根据海洋油气配重管道阳极填充施工的实际情况，主要对环氧砂浆材料的吸水率、绝缘性、抗压强度、抗折强度、抗冲击强度、耐海水腐蚀性能等进行检测。将制备好的环氧砂浆材料装入标准100mm×100mm×100mm立方体模具并振实，标准养护24h后拆模，制成环氧砂浆试件立方块，再在一定条件下养护至指定龄期测试。具体操作见图1，检测结果见表1。从表1可以看出，所检指标均满足要求，尤其是砂浆材料的粘接性能非常优异。并且在抗折弯性能和收缩率方面也表现比较突出，可以有效避免在铺管过程管道弯曲对阳极填充造成的损伤。

2 环氧砂浆阳极填充工艺试验

图1 环氧砂浆试验件制备

表1 填充型环氧砂浆材料性能结果

环氧砂浆材料若在海洋油气配重管阳极填充能够成功应用，除了对材料本身的性能有较高的要求外，还需要根据现场施工环境，对环氧砂浆的施工工艺进行调试，从而明确最佳施工流程，发挥材料的最佳性能。

2.1 施工准备

环氧砂浆材料的现场填充施工开始之前需要进行各方面的准备工作，主要包括：原材料、施工工具、仪器设备等。

（1）原材料。原材料主要包括环氧砂浆原材料以及环氧基液原材料。其中，环氧砂浆原材料为预先配制好A、B、C组份；环氧基液原材料包括环氧基液A组份和环氧基液B组份。

（2）施工工具。现场所用到的施工工具主要有：抹刀、批刀、钢丝刷、毛刷。

2.2 填充施工工艺试验

环氧砂浆材料的填充施工工艺流程主要包括：基面处理、环氧基液的拌制与涂刷、环氧砂浆的拌制与填装、养护及模具拆除等。

结合配重管阳极部位填充施工的实际要求，环氧砂浆的填充施工采用两步法，即首先对施工区域的上半部分进行填充施工，待砂浆固化后将管道翻转180°，再对另一半进行填充施工。

2.2.1基面处理

用毛刷将环形模具内壁、防腐管待施工表面清理干净，保证待填充施工区域表面无油脂、污垢等附着物。

2.2.2环氧基液拌制与涂刷

环氧基液A、B组份按比例配合使用。根据环氧基液的用量精确称量各组份，混合搅拌1～2min至均匀后静置约3min后备用。环氧基液的拉丝时间从A、B组份混合时开始计时。

环氧基液拌制完成后，用毛刷均匀地涂刷在处理后的基面上，基液涂刷要求尽可能薄而均匀、不流淌、不漏刷。环氧基液涂刷后需要稍停顿一段时间，当手触拉丝后方可进行环氧砂浆的填装施工。现场施工显示，环氧基液的拉丝时间为20min左右，理论上，此时即可进行环氧砂浆的装填。环氧基液的拌制与涂刷过程如图2所示。

图2 环氧基液的拌制与涂刷

2.2.3环氧砂浆拌制与装填

试验开始前，在配重管的配重层上切开数个宽度为5cm左右的环形槽，以此来模拟阳极安装部位的填充施工区域，见图3。

图3 配重管模拟填充施工流程图

3 性能评价

填充型环氧砂浆材料施工成型后，从外观上看整体性良好，能够实现配重层的平滑过渡。此外，还可以结合现场条件对填充涂层的粘结性能、抗冲击性能、绝缘性能等进行评价。

3.1 粘结性能

现场可以采用锤击的方式对已成型的填充试件进行试验，以此来评价环氧砂浆与PE基材之间的粘结强度。

图4 填充型环氧砂浆涂层锤击试验

由图4所示，使用铁锤连续锤击已成型的环形填充试件，未能造成试件粘结界面的松动或者试件本身的破坏，这一方面说明填充型环氧砂浆材料与PE基材之间良好的粘结性，另一方面也体现了填充型环氧砂浆材料本身较高的强度以及较好的抗冲击性能。当进一步对试件进行强制破坏试验时发现，破坏界面较为粗糙，被破坏掉的环氧砂浆界面上粘有大量的黑色PE层材料，而防腐管PE层界面上粘有大量被破坏的砂浆材料。这种现象充分说明了环氧砂浆材料与PE层之间具有很高的粘结强度，局部区域的粘结强度值甚至高于PE材料或者砂浆材料的自身强度。

3.2 抗冲击性能

对环氧砂浆涂层进行50 J冲击试验，以检测涂层的抗冲击性能，如图5所示。

图5 填充型环氧砂浆涂层冲击试验

冲击试验中，将3kg重的冲击头提升至1.7m的高度后释放。结果显示，涂层无散裂，说明环氧砂浆涂层良好的抗冲击性能。

3.3 绝缘性能

现场采用绝缘测试仪来检测环氧砂浆涂层的电绝缘性能。结果显0示，环氧砂浆涂层与钢管基体之间的电阻大于11.0GΩ，显示出良好的电绝缘性能。具体操作及结果如图6所示。

图6 填充型环氧砂浆涂层电绝缘性能检测

4 结论

混凝土阳极填充型环氧砂浆材料施工效率高、工艺稳定，相对传统沥青玛蹄脂类填充材料和聚氨酯泡沫材料，其在提高自身机械强度的同时，保障了材料一次成型率和对基面的粘接强度，后期强度保持性好，有利于管线铺设，并有效提高混凝土配重管产品的整体质量。

填充型环氧砂浆为绿色环保型材料，主体为热固性树脂成分，固化形成大分子链的网状体型结构，反应不可逆，因此对人体无伤害，不污染环境，在海底长期服役情况下，不会对海洋环境造成不良影响，符合节能降耗、绿色环保的科学理念。