海洋管道的预制
Sep 11,2026
海底管道保温层的预制
在外壁防腐涂层上继续包覆一种保温材料，能够防止所输送油气因温度损失降低流动性或凝固而造成的输送困难，甚至避免水合物的生成而保护输送设施。目前常用聚乙烯复合保温体系、不发泡聚氨酯复合保温体系、钢套钢保温体系、单层管保温体系4种保温技术。
单钢管保温结构
海底单钢管保温管道基本上有以下几种结构形式：
①钢管+防腐层+保温层+高密度聚乙烯（HDPE）外护管+混凝土配重；
②钢管+防腐层+保温层+锁口铁皮护层+混凝土配重；
③钢管+防腐层+抗水型保温层+混凝土配重。管道横截面和半周纵剖面的结构分别如下图所示。
单钢管保温管道横截面结构示意图
单钢管保温管道半周纵剖面结构示意图
单钢管保温管道所采用的保温层材料除应满足保温要求外，还应具有一定的抗压性能，以满足所在海域的静水压力要求和铺设时的抗压要求。此外，管道结构各层之间的抗剪力也应满足管道在热膨胀以及铺设期间剪力传递的要求。通常的保温材料有高密度发泡聚氨酯、改性的发泡聚氨酯以及橡胶制品等。
单钢管保温管道在受力分析时，载荷考虑应同双钢管保温管道。同时应在单根管道的端加上防水帽，一般采用热缩套。
双钢管保温结构
在输送高凝点、需要加热的重质原油时，一般采用双钢管（Pipe-In-Pipe，管中管或钢套钢）结构，以减少热损失。由于我国近海海上油田生产的原油多为高黏度稠油，海底管道宜采用双钢管保温管的结构形式。双钢管保温管道常见的结构形式是“内钢管+保温层+外钢管+防腐层+配重层（若需要）”，并在一定距离设置刚性节点，且在内、外管道之间需要采用间隙块支撑。结构设计图纸上应该明确间隙块的放置位置、间距、规格、尺寸、材质和现场放置要求。
刚性节点在系统中将内管的膨胀力传到外管，起到协调变形的作用；同时连接内、外钢管的环形空间形成水密隔壁，在外管破坏或进水的情况下，限制失效的隔热层长度，有利于减少系统的热损失。如下图所示，目前常用的刚性节点形式有两种，一种为刚性节点两侧均为双层钢管，简称1型；另一种为刚性节点一侧为双钢管、一侧为单钢管，简称2型。
双钢管刚性节点的结构形式示意图
刚性节点的加工制造有锻造式和焊接式两种，一般锻造式用于内、外管受力较大的情况，焊接式用于内、外管受力较小的情况。对长度小于2km的双钢管保温管道而言，一般在两端分别布置一个刚性节点；对长度大于2km的双钢管保温管道，通常每隔2km布置一个。
由于双钢管保温管道的保温层处在外钢管的保护之下，因此可以选择多种保温材料。常用的是低密度发泡聚氨酯（PU），该体系具有优异的保温性能，生产效率高，在浅水管道和深水管道中均有广泛的应用。内、外管之间进行PU注塑的典型工艺流程、最终获得的断面结构如下图所示。
内、外管之间进行PU注塑的工艺流程示意图
使用发泡聚氨酯作保温层的双钢管 （PU foam insulated pipe-in-pipe）
有时根据业主的需要，每5根双层钢管中要在1个内外钢管端部焊接环形连接板，接头形式如下图所示。环形连接板接头的典型技术要求有：按照美国焊接学会标准AWS D1.1—2002版规定的6GR焊位进行焊工资格考试以确认焊工资格；对选用的焊接工艺、焊接材料要由监理工程师在现场进行工艺评定；要求使用正式产品所用的钢管和工艺评定合格的焊接工艺与材料，由考试合格的焊工用短管段进行连接板焊接。焊接后按AWSD1.1—2002版要求对内管与连接板的焊缝进行外观检查、超声波探伤和磁粉探伤，对外管与连接板的焊缝进行超声波探伤，对有缺陷的焊缝按批准修补工艺进行修补，并再次进行无损检测。
环形连接板焊接示意图
有时根据业主的需要，每10根双层钢管中还要在1根完成了内、外管间聚氨酯（PU）注塑的外管上按技术要求安装阳极块，其典型技术要求如下。
①阳极块系锌/铝阳极，其品质应符合NACE RP 0492标准要求。
②阳极块内表面应与外管紧密贴合，没有明显的变形。
③2块镯形阳极块的连接片之间以及阳极块导电片与外管上焊的垫板之间的焊接应满足以下要求：焊工必须通过焊工资格考试认可；必须使用通过焊接工艺评定认可的材料；对焊缝除进行外观检查外，还要按照AWSD1.1—2002版的要求进行着色检查。
海底管道混凝土配重层的预制
为了避免管道沉放到海底以后，在波浪或海流的作用下移动或被附近船舶抛锚破坏，所以必须采取稳管或保护措施。目前，以在经过防腐涂层和保温层处理后的管道外表面外敷混凝土配重层（concrete weightcoating，CWC）加以保护为主，同时要求对悬空段进行支撑或填埋处理等。
配重层涂覆技术与工艺
（1）涂覆技术
目前国内外主要有4种不同的混凝土加 重涂层涂敷方法：采用抛射原理的喷射冲击法、挤压缠绕压缩法、滑模法、离心灌浆法，配套生产设备的结构组成和工作原理有很大区别。
喷射冲击法主要由送料带、一对鼓轮、步进电动机、钢丝网支架和刮刀组成，由上料传输带将混凝土传输到送料带上，送料带再以一定的速度送入由步进电动机控制的高速旋转的一对鼓轮间隙中，混凝土以较快的速度（大于25m/s）喷射到已做好防腐的钢管表面，同时缠绕加固用的钢丝网，形成满足技术要求的混凝土加重层，最后由刮刀修整喷涂表面而最终成形。喷涂法施工时，混凝土以超过25m/s的速度喷射到防腐层的表面，容易对较薄的防腐层造成损伤，比较适用于聚乙烯、煤焦油瓷漆等较厚的涂层，混凝土的涂敷厚度为25～150mm时，都可以按该种方法施工。
挤压缠绕法主要由上料斗、送料带、缠绕带、步进电动机、加固网支架构成，由上料斗将混凝土送到送料带上，经送料带将混凝土堆积到钢管表面，再被缠绕聚乙烯带施加压力，混凝土被挤压到已做好防腐的钢管表面，同时放置在混凝土被挤压层适当位置的加固网也和混凝土一起被缠绕挤压到钢管表面，通过调节送料带上混凝土的量来确定涂敷混凝土的厚度。采用缠绕挤压法施工时，混凝土通过挤压涂敷在管道表面，不会对防腐层造成损伤，可以适用于各种类型的防腐层，混凝土的施工厚度为25～80mm。
滑模法由计量场地、涂敷塔和连接两者的混凝土传送带组成，涂敷塔主要由4根交错能旋转的芯棒、带有振动器的圆柱体滑模、管道顶端定位顶杆和提升滑模的升降机等组成。先将要涂敷的工作管套在芯棒上，通过芯棒旋转到竖直位置，升降机将滑模套在工作管底端上，用定位顶杆将工作管定位固定，然后将搅拌好的混凝土材料通过传送带倒入滑模和工作管之间的环形空隙中，滑模边振动边旋转以一定的速度提升，混凝土就被涂敷在工作管上。
离心灌浆法是我国研究开发的拥有自主知识产权的混凝土加重层涂敷新技术，该法引入预应力概念，将研发的混凝土加重材料采用离心成形工艺先预制好海底管道混凝土加重层，然后将工作管（做好外防腐的钢管或保温管）穿进预制好的混凝土加重层内，通过微膨胀灌浆技术把预制好的混凝土加重层和工作管黏结起来，形成整体。
（2）混凝土配比与养护 管道配重用混凝土由铁矿砂、河砂、水泥和水混合而成。钻核试样（钻核直径要大于最大颗粒骨料直径的3倍）7天养护后大于31MPa，28天养护后大于62.5MPa；混凝土的密度大于3040kg/m3。混凝土涂层的吸水率也是影响海底管道水下重量的不容忽视的因素。吸水率越高，增加的水下重量越大，给铺管施工时对海底管道的控制带来不利。因此在设计中要对吸水率提出明确的规定，一般要求重量吸水率小于5％。通过降低混凝土的孔隙率、减小连通孔的大小和数量，可以降低混凝土加重涂层的吸水率，最终增加混凝土的密实度。
对混凝土的养护主要有三种方法，分别为水养护、薄膜养护和蒸汽养护。水养护要求生产出的涂敷管在2h内必须浸在水中进行养护，水温不得低于5℃，养护时间不得少于4天。水养护方法对场地和环境温度要求较高，大批量管道的生产和冬季养护带来不便；蒸汽养护的场地和设施则需要较高的经济投入，增加了生产成本；薄膜养护只需在涂敷管的表面缠绕一层塑料薄膜即可，可在涂敷的同时进行，对养护场地没有太高要求，养护方便，是现在广为采用的养护方法。海底管道混凝土配重层预制过程的典型场景照片如下图所示。
海底管道混凝土配重层预制过程的典型场景照片
配重层的质量控制 对海底管道混凝土涂层主要有以下几项技术要求：较高的密度、抗压强度、抗弯能力、抗冲击能力以及足够的界面抗剪强度等。根据DNV OS-F101第8章F款的相关规定，海底管道混凝土配重涂层的重量误差一般要求为：日生产±1％；25根管节点批次±5％；单根管±10％。
（1）抗弯强度 增强混凝土加重涂层的抗弯能力，可以通过提高混凝土材料本身的抗拉强度和抗弯强度等措施来实现，但因混凝土材料本身的特性导致抗弯能力提高幅度有限。在混凝土中配置纵向和环向钢筋笼或钢丝网是提高混凝土涂层抗弯能力较好的手段之一，还可以在混凝土中掺加纤维增强材料以提高抗裂能力和抗弯能力。
钢筋笼增强结构是在有一定间距的纵向直钢筋上连续螺旋缠绕钢丝形成环形结构，并在每个钢筋交叉点上采用焊接固定，也可采用单个钢筋圆环代替连续缠绕的钢筋环。材料应使用冷拔钢筋，并符合GB/T 343的要求，材料的焊接检验应符合GB/T 1499.3的规定。环向和纵向钢筋的直径可根据所需要增强的百分比进行计算，最小直径不应小于3mm。纵向钢筋数量不应少于4根，并均匀排布。圆周环向钢筋的间距不应大于150mm。但在混凝土涂层的两端和邻近阳极的两端，两钢筋环之间的间距应为50mm。 钢丝网宜采用Bekaert公司的New Armapipe（或Armapipe）型加固网或其他类似的产品，由周向钢丝和纵向均匀分布的钢丝焊接而成。钢丝加固网金属丝直径按混凝土截面单位配筋率选用，DNV OS-F101中规定，加固网周向配筋率不小于0.5％，加固网纵向配筋率不小于0.08％。
（2）抗冲击性能 对于混凝土加重管的抗冲击性能没有统一的标准要求，比较流行的做法是采用一定重量的冲击锤，以一定的冲击能量对管道同一点进行撞击试验，要求在一定的冲击次数内，混凝土的损坏程度应不使防腐涂层暴露出来。如2002年东方1-1气田113km海底输气管道聚乙烯防腐蚀层和混凝土配重层的施工中，对混凝土加重层的抗冲击强度要求是：以10kJ的冲击能量在管道同一点冲击5次，不得露出防腐涂层；美国挤压涂层公司（Compression Coat Inc.）抗冲击要求：锤重2.68t，落锤速度为3.6m/s（冲击能17.4kJ），与管轴垂直撞击到混凝土加重层上，冲击5次后要求锤击点左右两侧不得出现300mm长的裂缝；英国石油有限公司的极限要求：混凝土加重层承受1t重锤以2m/s速度撞击（冲击能2kJ），分别与管轴成90°撞击60次和与管轴成60°撞击20次后，外表面损坏长度不得超过0.9m。
（3）抗剪切性能 提高混凝土加重层的界面抗剪切强度可以采取界面增阻措施，不同类型的界面所采取的增阻措施不同。根据国外施工经验，环氧粉末防腐层和3LPE防腐层与混凝土之间的摩擦阻力较小，在对这两种防腐层进行混凝土配重前，需要采取相应的增阻措施。增阻的措施有起脊法、熔渣法（撒/喷聚乙烯粗化颗粒）、打磨法等几种。起脊法是在聚乙烯防腐层的涂敷过程中，利用防腐喷涂设备硅胶压辊上开凿的环形凹槽，使聚乙烯表面形成1～2mm高的螺旋状棱条，螺旋间距在150～200mm之间，以防打滑；熔渣法是在表面包敷聚乙烯的钢管进入水冷区之前，将胶性的颗粒（聚乙烯颗粒等）撒在聚乙烯表面，形成螺旋状的粗糙带；打磨法是采用打砂机或电动钢丝刷将聚乙烯表面打毛。通过界面增阻处理，目前混凝土加重涂层界面的抗剪强度能达到0.2MPa，基本能满足浅海铺管施工的要求。 最后必须指出的是，目前海底管道的一个发展趋势是，直径小于508mm的管道采用增大管壁厚度而不加混凝土配重层。这主要是由于小直径管受到的浮力较小，负浮力易于控制。20世纪90年代中期在加利福尼亚海岸铺设的3条气管线，直径ф325mm，长度16km，就采用了加大壁厚的做法，对于这种不加混凝土配重的钢管可以采用三层聚乙烯涂层（3LPE）。
实际工程案例
海底管道是平湖油气田开发工程的重要组成部分，配套建设的海底天然气输送管道管径ф355.6mm、壁厚11.1mm，材料为API 5LX52，总长388.8km（其中海管为366.8km），入口压力9MPa；海底输油管道管径为ф273.1mm、壁厚8.84mm，材料为API 5LX52，总长306.8km（其中海管为302.7km），入口压力7MPa。
经国际招标竞标，由意大利的索柯赛姆公司（Socotherm）承担海管的防腐涂层（CTE）和水泥加重层（CWC）的涂覆。采用全流水线的涂覆工艺与装备，无论在质量、交工期或成本方面（与国外竞标商相比），均相对较优并符合国际通用标准。如CTE涂层基本设计厚为6mm，经详细设计并选用优质防腐材料和上述涂覆工艺，将涂层厚减薄为5mm，即满足30年以上防腐寿命要求，节约建设投资约26万美元；CWC加重层采用高密度铁矿砂与高性能水泥混合、内编织钢筋，使加重层较薄而牢固。CTE涂层于1997年7月6日开工，1998年2月12日结束，共涂敷14″管392406m，涂敷10″管310361m。CWC加重于1997年7月21日开工，1998年2月16日结束，共完成涂敷加重层14″管（CWC厚分别为38mm、44mm和51mm）370.827km和10″管（CWC厚分别为38mm和51mm）306.126km。均比计划交工期略有提前，未影响海上铺管进程。
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