海底油氣管道腐蝕失效風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)警方法

王亞儒(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司，天津 300459)

0 引言

海底管道屬于海洋油氣運(yùn)輸?shù)闹饕Ｊ?，如果管道發(fā)生問題，就會(huì)嚴(yán)重影響到油氣的運(yùn)輸效率，并污染環(huán)境，要是非常嚴(yán)重還會(huì)導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)大量損失，可見腐蝕影響非常大，必須采取有效的預(yù)警方法。預(yù)警是現(xiàn)階段避免海底油氣管道腐蝕失效風(fēng)險(xiǎn)的主要方法。文章借助極限狀態(tài)方程和蒙特卡羅法，確定出了海底管道腐蝕失效的預(yù)警等級(jí)與界限，并成立了海底油氣管道腐蝕失效風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，進(jìn)而開展研究[1]。

1 海底管道腐蝕失效的探究

1.1 海底油氣管道腐蝕失效的類型

首先，根據(jù)海底管道腐蝕失效的部位可將腐蝕分成兩種類型，即內(nèi)腐蝕與外腐蝕。其中，導(dǎo)致內(nèi)腐蝕的原因包括：防腐設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量不過關(guān)以及防腐管理不到位等等。其次，根據(jù)海底管道腐蝕的形式以及海底管道腐蝕的特點(diǎn)可將腐蝕分成兩種類型，即體積型腐蝕與平面型腐蝕。其中，常見的海底油氣管道體積型腐蝕有3種，分別為：均勻腐蝕、局部腐蝕以及點(diǎn)腐蝕；常見的海底油氣管道平面型腐蝕有兩種，分別為：焊接裂紋腐蝕與應(yīng)力裂紋腐蝕。對(duì)于均勻腐蝕來說，此腐蝕會(huì)勻稱分布在管道的表面；對(duì)于局部腐蝕來說，此腐蝕會(huì)集中分布在管道的某個(gè)區(qū)域，根據(jù)區(qū)域的不同還可將腐蝕分成以下幾種情況，分別為：電偶腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、磨損腐蝕與氫脆腐蝕；對(duì)于點(diǎn)腐蝕來說，此腐蝕會(huì)不斷向深處蔓延，最終造成油氣管道出現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象。

1.2 導(dǎo)致海底油氣管道腐蝕失效的主要原因

導(dǎo)致海底油氣管道腐蝕失效的原因就是海水腐蝕，因?yàn)楹Ｑ笾芯哂卸喾N鹽類、微生物、泥沙以及溶解氣體等等，這些物質(zhì)都具有很大的腐蝕性，所以導(dǎo)致海水對(duì)油氣管道的腐蝕性極大。通常影響腐蝕速度的因素有很多，如：鹽的種類、鹽的濃度、溫度、氧含量、流速以及海洋生物等。另外，因?yàn)楹Ｋ芯哂性S多高濃度的氯離子，使得金屬在海水中難以鈍化，僅有少量的金屬會(huì)在海水中鈍化，由于海水的導(dǎo)電性很強(qiáng)，所以腐蝕速度非?？?。因此，必須注意海底油氣管道腐蝕情況，尤其是海洋大氣區(qū)與飛濺帶處，這些位置非常容易發(fā)生腐蝕。

1.3 海底油氣管道腐蝕失效的后果

因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境會(huì)給油氣管道帶來很大的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，如果管道出現(xiàn)失效情況，其后果都是極其嚴(yán)重的，輕則導(dǎo)致油氣泄漏，污染生態(tài)環(huán)境，重則會(huì)造成停工，引發(fā)火災(zāi)等情況。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，過去的20多年間，我國共出現(xiàn)了19件海底管道失效情況，基本上每年至少發(fā)生1件泄漏事件。海底油氣管道的腐蝕失效后果是難以想象的，帶來的后果是難以承受的，相關(guān)單位和企業(yè)必須重視管道腐蝕的失效性，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題，同時(shí)及時(shí)解決問題。

2 海底油氣管道失效風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警過程

海底油氣管道會(huì)受許多因素的影響，極易發(fā)生腐蝕失效情況，常見的影響因素包括：管材性能、介質(zhì)屬性、周圍環(huán)境以及防護(hù)設(shè)施等。通常腐蝕失效有兩種情況，一種是隨著時(shí)間的增加，腐蝕深度會(huì)越來越大，直到穿透管道，使其出現(xiàn)泄漏，另一種是管壁的局部越來越薄，使得承壓能力越來越小，當(dāng)運(yùn)行壓力大于腐蝕處的壓力時(shí)，管道就會(huì)于此產(chǎn)生破裂，從而造成管道泄漏。要想避免海底油氣管道發(fā)生腐蝕失效，就必須采用風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制，經(jīng)過識(shí)別和探究造成管道腐蝕失效風(fēng)險(xiǎn)的原因，來判斷失效風(fēng)險(xiǎn)的現(xiàn)狀，并預(yù)計(jì)失效風(fēng)險(xiǎn)的趨勢(shì)，通過趨勢(shì)分析油氣管道失效的可能性，對(duì)分析的結(jié)果進(jìn)行及時(shí)的措施處理，采取合理的方法和控制措施。風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的整體過程中比較繁瑣，涉及到的環(huán)節(jié)比較多，具體分為以下幾個(gè)大步驟，主要包括：腐蝕失效風(fēng)險(xiǎn)分析、評(píng)估和預(yù)測(cè)。具體工作內(nèi)容主要包括以下3方面：(1)大量的收集相關(guān)信息，主要收集的是管道的屬性和規(guī)格等等數(shù)據(jù)，通過分析出的數(shù)據(jù)判斷腐蝕的程度和速率，通過相關(guān)模型分析，預(yù)測(cè)失效的風(fēng)險(xiǎn)和趨勢(shì)；(2)因?yàn)楦g原因不確定，所以應(yīng)當(dāng)利用概率分析管道腐蝕失效的機(jī)制；(3)參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并依據(jù)失效風(fēng)險(xiǎn)程度得到預(yù)警的警度，從而分析警度能否接受，以決定是否使用預(yù)警方法排除風(fēng)險(xiǎn)[2]。

3 海底油氣管道腐蝕失效風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型

3.1 失效極限狀態(tài)下的方程

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)性能是在極限狀態(tài)下展開的，所以極限狀態(tài)是區(qū)別結(jié)構(gòu)是否可靠的界限狀態(tài)。用隨機(jī)變量X=(X1，X2，……，Xn)表示影響結(jié)構(gòu)性能的基本隨機(jī)變量，用功能函數(shù)g(X)表示結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，于是結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)可用以下3種形式展開表現(xiàn)，第一種形式是Z=g(X)>0，代表結(jié)構(gòu)可靠；第二種形式是Z=g(X)=0，代表結(jié)構(gòu)處于極限；第三種形式是Z=g(X)<0，代表結(jié)構(gòu)失效。把結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程作為結(jié)構(gòu)承載力和外界載荷的差值，就能得到：

式中：Z為結(jié)構(gòu)功能函數(shù)；C為結(jié)構(gòu)承載能力；L為結(jié)構(gòu)外界載荷。

對(duì)于腐蝕穿孔極限狀態(tài)下的方程來說，其主要采用的是挪威船級(jí)社規(guī)范，并根據(jù)管道單腐蝕失效類型得出管道的最大腐蝕深度不可大于管道壁的85%，所以管道腐蝕穿孔的極限狀態(tài)下的方程就可用最大腐蝕深度和實(shí)際腐蝕深度之間的差進(jìn)行表示：

式中：Zd為腐蝕穿孔的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)；dc為管道最大腐蝕深度，在此為管壁厚的85%；d(T)為管道實(shí)際腐蝕深度。因?yàn)楣艿赖膶?shí)際腐蝕深度和腐蝕速率有著很大的關(guān)系，當(dāng)管道出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象時(shí)，其腐蝕會(huì)向管道的軸向與徑向不斷延伸，所以腐蝕可從兩個(gè)參數(shù)展開研究，即軸向長度和徑向深度，由此腐蝕過程的表達(dá)式具有以下兩個(gè)，分別為：

式(3)～(4)中：d0為管道最初的腐蝕深度；vd為徑向腐蝕速率；L(T)為管道軸向腐蝕長度；L0為軸向最初的腐蝕長度；vl為軸向腐蝕速率；T為預(yù)計(jì)時(shí)間；T0為初始時(shí)間。對(duì)于破裂失效極限狀態(tài)下的方程來說，其主要采用的是管道破裂失效機(jī)制，所以破裂失效極限狀態(tài)下的方程可用管道失效壓力和正常運(yùn)行壓力的差進(jìn)行表示，即：

式中：Zp為管道破裂失效的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)；Pf為管道腐蝕處的失效壓力；Po為管道正常運(yùn)行壓力，通常管道的正常運(yùn)行壓力是可以確定的，所以僅需要計(jì)算腐蝕處的失效壓力。

3.2 海底油氣管道腐蝕失效概率的確定

經(jīng)過對(duì)腐蝕數(shù)據(jù)的調(diào)查研究能夠發(fā)現(xiàn)，管道腐蝕速率的變化是有統(tǒng)計(jì)性的，特別符合隨機(jī)過程，其中蒙特卡羅法就是運(yùn)用的隨機(jī)形式，通過隨機(jī)變量的數(shù)值序列得出近似解的一種方法，此方法非常適合用在具有確定概率模型的數(shù)學(xué)求解當(dāng)中，所以蒙特卡羅法能夠良好用于海底油氣管道腐蝕失效極限狀態(tài)當(dāng)中，能夠準(zhǔn)確得出管道腐蝕失效的概率。通過管道腐蝕失效極限狀態(tài)下的方程和結(jié)構(gòu)3種運(yùn)行狀態(tài)就能得到管道腐蝕失效概率Pf的表達(dá)式，即Pf=P(Z<0)，然后運(yùn)用計(jì)數(shù)法得到管道腐蝕失效概率，就是在模擬過程中記錄結(jié)構(gòu)失效(Z<0)的次數(shù)，最后通過失效次數(shù)和總模擬次數(shù)之比就能得出失效頻率，也就是失效概率[3]。

4 海底油氣管道腐蝕失效風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法的實(shí)例

在此以某海底油氣管道為例，此海底油氣管道的長度是500 m、外徑是711.2 mm、管壁厚度是14.3 mm，運(yùn)行壓力是6.7 MPa，管道運(yùn)用的是API5LX60材料，屈服強(qiáng)度是480 MPa，初始腐蝕深度是2 mm、初始腐蝕長度是4 mm。通過數(shù)學(xué)分布可知此管道的徑向腐蝕速率呈正態(tài)分布狀，即N(0.396 8，0.141 2)。因?yàn)檩S向和徑向的腐蝕原因一樣，所以就將軸向腐蝕速率視為徑向腐蝕速率的2倍。

4.1 海底油氣管道腐蝕失效風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的界限確定

根據(jù)腐蝕深度允許值的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在此就將腐蝕深度的允許值和允許值的90%、60%、30%視作預(yù)警的閾值，從而確定了腐蝕深度預(yù)警的界限。在此依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為DNV-RP-F107，將其規(guī)定的4類管線臨界失效概率用作預(yù)警的閾值。

4.2 海底油氣管道腐蝕穿孔風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的方法

從海底油氣管道腐蝕深度情況可知，管道在0～4.2年之間，都處于正常腐蝕當(dāng)中，呈無警狀態(tài)；管道在4.2～13.4年之間，管壁會(huì)變薄，不過泄漏情況極低，呈現(xiàn)輕警狀態(tài)；管道在13.4～22.5年之間，管壁會(huì)更薄，泄漏情況會(huì)加大，此時(shí)呈中警狀態(tài)，需要注意；管道在22.5～25.6年之間，管壁會(huì)顯著變薄，極易發(fā)生泄漏，所以會(huì)呈現(xiàn)重警的狀態(tài)，必須采用一些控制方法，避免腐蝕加重；管道在25.6年以上，腐蝕深度會(huì)大于允許值，極易泄漏，所以呈巨警的狀態(tài)，必須立即降壓、修管。我們知道腐蝕深度預(yù)警在不同時(shí)期具有不同的狀態(tài)，表現(xiàn)在初期和中后期時(shí)表現(xiàn)的比較保守，這兩個(gè)時(shí)期表現(xiàn)的比較保守。在具體的實(shí)際發(fā)展過程中管道在初期時(shí)腐蝕的程度不深，腐蝕的面積比較少，整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很大，前期預(yù)警不需要保守值，隨著時(shí)間的推移，管道中后期的腐蝕會(huì)不斷的加深，隨著腐蝕程度的加深，管道的結(jié)構(gòu)屬性會(huì)發(fā)生變化，管道的結(jié)構(gòu)屬性會(huì)不斷的下降，這時(shí)的預(yù)警值會(huì)比較的保守，我們知道管道腐蝕會(huì)受到許多外界因素的影響，主要的影響因素包括：環(huán)境、人工操作等，由于受到外界環(huán)境的影響，管道腐蝕的趨勢(shì)不會(huì)呈現(xiàn)出線性的變化，這時(shí)管道腐蝕穿孔概率的預(yù)警會(huì)更加的可靠和可信，這種預(yù)警會(huì)與實(shí)際的情況比較貼切和吻合。

4.3 關(guān)于海底油氣管道腐蝕破裂失效風(fēng)險(xiǎn)的方法

通過海底油氣管道腐蝕破裂失效概率情況可知，破裂概率處于預(yù)警下限 10-5、10-4、10-3、10-2時(shí)的年份分別對(duì)應(yīng)的是13.4年、14.8年、17年、22年。管道在0～13.4年之間，管道壁的減少量很低，管道強(qiáng)度能夠良好承受運(yùn)行壓力，管道呈無警狀態(tài)；管道在13.4～14.8年之間，管道壁會(huì)略有減少，所以呈輕警狀態(tài)；管道在14.8～17年之間，管道壁會(huì)不斷變薄，所以呈應(yīng)中警狀態(tài)；管道在17～22年之間，管道破裂失效概率會(huì)處于10-3～10-2，表明管道在此期間很可能出現(xiàn)一次破裂失效，所以呈重警狀態(tài)；管道在22年以上時(shí)，失效概率會(huì)大于10-2，表明管道在此期間至少出現(xiàn)一次破裂失效情況，所以呈巨警狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)立即使用有效的管控方法，以防止腐蝕發(fā)生，避免大范圍泄漏情況出現(xiàn)[4]。

4.4 海底油氣管道腐蝕失效剩余壽命的預(yù)警方法

首先，通過概率預(yù)計(jì)管道失效剩余壽命，將重警的下限視為臨界失效概率，就能得到管道腐蝕穿孔的剩余壽命是15年，管道破裂的剩余壽命是17年。另外，因?yàn)楣艿涝?5年的時(shí)候是腐蝕穿孔的轉(zhuǎn)折處，在14年的時(shí)候是破裂概率的轉(zhuǎn)折處，所以管道失效概率于此很可能突變，因此在該時(shí)間的時(shí)候，需要特別關(guān)注管道的運(yùn)行情況，并制定檢修方案，加大管道的運(yùn)行時(shí)間，腐蝕可以直接影響管道的運(yùn)行時(shí)間，腐蝕失效的后果是比較嚴(yán)重的，因此，必須要保障管道的使用壽命[5]。

5 結(jié)語

通過上述內(nèi)容可知，海底油氣管道經(jīng)常發(fā)生腐蝕失效與破裂失效情況，必須運(yùn)用有效的預(yù)警方法，成立海底油氣管道腐蝕失效風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，以準(zhǔn)確對(duì)海底油氣管道腐蝕失效展開預(yù)警。因?yàn)楣艿赖倪\(yùn)行時(shí)間越長，管道的腐蝕程度與腐蝕失效概率會(huì)越大，所以在預(yù)計(jì)失效年份及預(yù)警級(jí)別時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合管道腐蝕深度、失效概率、腐蝕失效預(yù)警等級(jí)展開，從而準(zhǔn)確判斷失效的主要年份與預(yù)警等級(jí)，給管道失效風(fēng)險(xiǎn)防范帶來幫助，同時(shí)還能得到管道的失效概率突變時(shí)期，在此期間必須高度重視管道的運(yùn)行情況，運(yùn)用管控方法，避免泄漏情況出現(xiàn)。未來，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估會(huì)有更大的發(fā)展空間，可以應(yīng)用在更多的領(lǐng)域。希望文章內(nèi)容能對(duì)相關(guān)單位和企業(yè)有所幫助。