海底柔性軟管安裝施工失效原因分析

楊 進(jìn)，魯學(xué)蕾，吳 帆

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

與傳統(tǒng)的雙層海底鋼管相比，柔性軟管的靈活性、使用壽命、抗拉壓等性能更加突出，在深水油氣田開發(fā)中的使用范圍更加廣泛。海底柔性軟管是現(xiàn)代深海油氣運輸中的一部分，近幾年來在結(jié)構(gòu)、運輸、鋪設(shè)等方面能夠更好地滿足深海油氣輸送的要求，作為我國海域石油以及天然氣運輸載體已經(jīng)越來越普遍。不過，在充滿各種未知風(fēng)險的深海水底鋪設(shè)海底柔性軟管，經(jīng)常會遇到很多如軟管扭轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)破損或壓潰等失效現(xiàn)象。因此，對柔性軟管陸地倒管、海上安裝及運營期間潛在的失效原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的處理方案，將有效提高海底柔性軟管的施工效率及適用性。

1 柔性軟管組成及安裝形式

1.1 組成形式

海底柔性軟管是由聚合物和金屬層通過物理連接方式結(jié)合而成，可以分為非粘結(jié)型柔性軟管和粘結(jié)型柔性軟管兩種類型。其中，粘結(jié)型柔性軟管是由幾層組成，層與層之間粘結(jié)固定，不會產(chǎn)生相對位移；非粘結(jié)型柔性軟管則是由幾個獨立的層組成，層與層之間沒有固定的連接，允許層與層之間的相對位移。由于粘結(jié)型柔性軟管的制作過程需要硫化環(huán)節(jié)，制造長度受到限制，常用于較短的工程應(yīng)用，所以非粘結(jié)型柔性軟管成為柔性軟管的主流結(jié)構(gòu)形式（圖1）。

圖1 非粘結(jié)型柔性軟管組成

1.2 安裝形式

柔性軟管安裝通常有水平鋪設(shè)和垂直鋪設(shè)兩種模式，采用水平鋪設(shè)方式進(jìn)行作業(yè)時，軟管自卷管盤或卷筒導(dǎo)出，經(jīng)甲板導(dǎo)向裝置進(jìn)入水平張緊器夾持并控制速度，最后通過下水橋入水，產(chǎn)品末端通常使用船舶吊機(jī)下放至海床（圖2）。

圖2 水平鋪設(shè)模式

2 柔性軟管安裝施工失效分析

由于安裝施工不當(dāng)引起的海底柔性軟管失效是軟管在鋪管船陸地倒管、海上鋪設(shè)過程中，對柔性軟管的倒管、鋪設(shè)、收尾等處理不當(dāng)而引起的軟管結(jié)構(gòu)性損壞的綜合體現(xiàn)，主要表現(xiàn)出軟管內(nèi)彎曲皺褶、外部打扭或爆裂等失效現(xiàn)象。導(dǎo)致軟管安裝施工失效的原因主要有以下4 種。

2.1 軟管截面失效

在軟管安裝施工期間，當(dāng)軟管發(fā)生正扭轉(zhuǎn)（即軟管扭轉(zhuǎn)方向與鎧裝鋼絲繩層同向）則軟管內(nèi)部扭力將對軟管截面產(chǎn)生拉伸作用，反之則會對軟管截面產(chǎn)生壓縮作用（圖3）。軟管界面拉伸或壓縮則會導(dǎo)致軟管截面內(nèi)部扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時則會導(dǎo)致鎧裝鋼絲強(qiáng)度失效、骨架層壓潰失效、外護(hù)套失效等故障。因此，需通過分析軟管原始設(shè)計參數(shù)，在充分考慮軟管正反扭轉(zhuǎn)的情況下，計算分析3 種失效模式下該軟管截面最大允許扭轉(zhuǎn)角度。

圖3 軟管截面扭轉(zhuǎn)分析

2.2 軟管整體失效

柔性軟管由制造工廠倒運至運輸船舶或由運輸船舶倒運至鋪設(shè)船舶的過程中，倒管裝備路由、軟管纏繞半徑變化、軟管存儲高度變化及管道殘余曲率等因素均會導(dǎo)致軟管整體扭轉(zhuǎn)（圖4）。通過對2018年南海文昌某海域23 km 處國產(chǎn)軟管陸地倒管過程扭轉(zhuǎn)分析發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)、張緊器拉力、倒管速度對整體扭轉(zhuǎn)沒有影響，而纏繞半徑、存儲高度、殘余曲率對整體扭轉(zhuǎn)影響顯著。

圖4 軟管倒管路由圖

2.3 軟管鋪設(shè)失效

當(dāng)鋪設(shè)在海底的海底柔性軟管承受的彎矩超過其極限彎矩時，海底柔性軟管會發(fā)生彎曲現(xiàn)象，彎曲達(dá)到一定程度后柔性軟管會產(chǎn)生折疊。折疊中的柔性軟管的環(huán)向應(yīng)力超過其極限環(huán)向應(yīng)力時，此時柔性軟管會在折疊附件發(fā)生打扭，環(huán)向應(yīng)力越大打扭越嚴(yán)重。在彎矩、環(huán)向應(yīng)力、內(nèi)壓力等的作用下，應(yīng)力在彎曲的折疊段處開始響應(yīng)，變形沿著柔性軟管向軟管的打扭處靠攏，由多種力引發(fā)的變形在打扭處得以呈現(xiàn)，使軟管產(chǎn)生變形、爆裂、穿孔類破損等進(jìn)而導(dǎo)致軟管失效。

（1）內(nèi)彎曲皺褶失效。鋪管船在鋪管過程中對鋪管的速度和船舶的速度控制不當(dāng)，會導(dǎo)致柔性軟管落入海底著泥點處于一個彎曲狀態(tài)，由于鋪管速度過快，柔性軟管便在著泥處產(chǎn)生余量累積，使軟管有一個極大的彎矩作用，超出了柔性軟管所能承受的極限抗彎能力，進(jìn)而使這段柔性軟管產(chǎn)生內(nèi)彎曲皺褶失效現(xiàn)象。

（2）打扭爆裂失效。長距離海底軟管在陸地倒管過程中內(nèi)部積蓄著很多扭力，而柔性軟管在海上鋪設(shè)過程中蓄積的扭力會不斷積累且很不容易被覺察，帶有扭矩的柔性軟管被鋪設(shè)到海底后，扭矩得到自由的擴(kuò)散、相互集中，當(dāng)扭力集中到一定程度后便產(chǎn)生柔性軟管變形、折疊、爆裂破壞失效現(xiàn)象。

2.4 外力作用失效

外力作用也是海底柔性軟管失效因素中不可忽視的一個因素，其中包括第三方破壞失效和海床運動引起的失效。在海底柔性軟管失效中，雖然第三方破壞并非主要原因，但是對柔性軟管的失效卻有重要影響，例如，海上船舶拋錨、拖錨、收錨等，很容易出現(xiàn)錨直接撞擊海底柔性軟管的情況，從而導(dǎo)致破損失效。另外，工程作業(yè)船舶途經(jīng)軟管上方作業(yè)，在未弄清楚軟管的鋪設(shè)情況下吊放工機(jī)具入海底，也存在損傷海底柔性軟管的風(fēng)險。

海床運動實質(zhì)上是海流、軟管、外力三方面力的共同作用，柔性軟管會因這些作用力而遭到破壞。淤泥質(zhì)海床存在很大的流動性，細(xì)砂質(zhì)或粉砂質(zhì)海床在地震和風(fēng)暴潮的作用下很容易發(fā)生液化現(xiàn)象。在波流沖刷下，砂質(zhì)海床又會發(fā)生腐蝕。如果海底柔性軟管鋪設(shè)在上述3 種性質(zhì)不穩(wěn)定的海床上，則很可能由于海床沖刷、滑動、塌陷等海床運動造成軟管發(fā)生變形破壞或強(qiáng)度破壞從而引起失效。

3 柔性軟管安裝施工失效處理

3.1 優(yōu)化軟管陸地倒運

陸地倒運海底柔性軟管是預(yù)防柔性軟管安裝施工失效的關(guān)鍵點，即大長度軟管由一個存儲裝備向另一個存儲裝備傳遞、纏繞軟管的過程，海底柔性軟管的倒管過程將直接影響到鋪設(shè)時安全性。施工單位應(yīng)分析研究倒管過程中軟管的受力過程、倒管裝備及路徑選擇，明確倒管甲板布置及倒管路徑，分析倒管過程軟管失效模式，同時進(jìn)行時域動力分析，考慮各種失效模式的柔性軟管極限扭轉(zhuǎn)角度。

在陸地倒運軟管過程中，應(yīng)采用以下方式避免軟管扭轉(zhuǎn)失效：①周期性監(jiān)控軟管標(biāo)記線排列狀態(tài)，軟管截面最大允許扭轉(zhuǎn)角度不超過最大允許扭轉(zhuǎn)角度；②倒軟管至卷管盤內(nèi)圈與底層時易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，應(yīng)注意監(jiān)測纜筐內(nèi)軟管標(biāo)記線扭轉(zhuǎn)角度；③如果軟管扭轉(zhuǎn)角度超過臨界值或管道上盤的第一圈后，則需要松開張緊器釋放扭矩；④布局要盡量避免曲率面陡變，盡量保證裝載臂的位置和角度平緩。

3.2 優(yōu)化軟管海上鋪設(shè)

海底柔性軟管的鋪設(shè)成功與否決定著海底柔性軟管使用的效率與質(zhì)量，軟管儲存的關(guān)鍵點在于消除內(nèi)部扭力。南海某平臺間軟管曾經(jīng)由于在倒管過程中帶有很多扭力，致使鋪設(shè)后柔性軟管在海底扭力集中，引起管段打扭爆裂的失效現(xiàn)象。合理的鋪設(shè)必須是鋪管船與海底柔性軟管入泥速度保持在一個合理的范圍內(nèi)，還應(yīng)當(dāng)避免在海床復(fù)雜的地貌進(jìn)行鋪設(shè)，以提高海底柔性軟管的安全性，降低海床運動、漁網(wǎng)拖拉、墜物撞擊等破壞引起的軟管失效概率。

4 結(jié)束語

海底柔性軟管是現(xiàn)代海洋油氣輸運中不可或缺的組成部分，但在復(fù)雜多變的海底環(huán)境中，不可避免因各種因素而發(fā)生失效現(xiàn)象。從海底柔性軟管的設(shè)計、建造、倒管及鋪設(shè)等方面對軟管失效進(jìn)行分析，找出會引起軟管失效的因素，根據(jù)失效因素提出相應(yīng)的處理方案。針對性地解決海底柔性軟管失效問題，在一定程度上會降低海底柔性軟管失效的概率，為將來海洋石油發(fā)展提供一定的借鑒和經(jīng)驗。