海洋石油平臺玻璃鋼管道可靠性淺析

杜國強 王立陳 于國杰 徐騫 李記忠

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計院，天津 300451）

1 引言

玻璃鋼管道具有優(yōu)良的耐蝕性，其內(nèi)壁光滑，輸送能耗及安裝維護費用低，具有較好的絕緣性能及防海生物性能，不需陰極保護，使用壽命長，綜合經(jīng)濟效益好，對輸送介質(zhì)無二次污染，被廣泛應(yīng)用于海洋石油平臺的海水系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)、冷卻水等系統(tǒng)的介質(zhì)輸送。

海洋石油平臺安全風險較高，內(nèi)部面臨火災(zāi)爆炸事故風險，外部面臨臺風、風暴潮、船舶撞擊、恐怖襲擊等各種風險。玻璃鋼管道作為一種非金屬材料應(yīng)用于海洋石油平臺各個系統(tǒng)，對平臺的安全運行起著重要的作用。然而，由于非金屬材料強度不足的特點，玻璃鋼管道存在一定失效風險，引起失效的原因往往是與不妥當?shù)脑O(shè)計、制作、安裝或允許材料超應(yīng)力使用等因素有關(guān)[1]。本文以工程實際案例為基礎(chǔ)，簡要分析了影響玻璃鋼管道安全運行的各項因素以及保證玻璃鋼管道可靠性的措施。

2 海洋石油平臺玻璃鋼管道應(yīng)用簡介

2.1應(yīng)用范圍概述

玻璃鋼（FRP）指用玻璃纖維增強不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體，玻璃纖維直徑很小，基體相對于纖維可以經(jīng)受住大的應(yīng)變。玻璃鋼作為非金屬材料具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕、熱性能良好等優(yōu)點，但同時也有彈性模量低、耐溫性差、相對金屬材料易老化等缺點。嚴格的說，從耐溫、耐壓及耐強腐蝕性的角度出發(fā)， 只有GRE（Glass Reinforced Epoxy）管道能滿足船舶及海洋工程的應(yīng)用要求，并符合所有船級社的認證及規(guī)范。海洋工程玻璃鋼管道常用地方包括海水系統(tǒng)管網(wǎng)、消防系統(tǒng)管網(wǎng)等。

2.2 失效問題概述

玻璃鋼管道由于存在撞擊容易損壞、防火性能差、容易老化降解等問題，如施工不當會導致粘結(jié)口泄漏、脫粘及管體受損等失效問題。常見玻璃鋼管道破損部位主要為螺紋接頭處、玻璃鋼管道與鋼質(zhì)管道連接處、設(shè)備震動強烈處，其破損類型包括玻璃鋼管道螺紋接頭處的滲漏、玻璃鋼管道與鋼管連接處的滲漏、管道中部穿孔、管體纖維脫層等。

3 玻璃鋼失效因素分析及可靠性保證措施

本文以中國南海某大型海洋石油平臺項目中的實際案例為例，簡要分析了該案例的玻璃鋼管道失效原因以及建議的可靠性保證措施。

3.1 案例簡介

南海某大型海洋石油平臺投產(chǎn)期間，海水管網(wǎng)通往鉆井模塊的10寸玻璃鋼管道突然破裂，由于破裂點位于隔斷閥門上游，因此無法直接隔離?，F(xiàn)場海水泄漏量較大，為了保護主發(fā)電機組，油田作業(yè)方?jīng)Q定停主機/停產(chǎn)。如圖1為玻璃鋼泄露的現(xiàn)場照片。

圖1 玻璃鋼管道泄露現(xiàn)場照片

3.2 失效因素分析

該管道泄漏的具體位置為與鉆機模塊接口下方彎頭的粘接處，如圖2進一步展示了玻璃鋼管道泄露處的位置及管道失效細節(jié)。

圖2 玻璃鋼管道泄露位置及失效細節(jié)

經(jīng)過多方討論制定完成應(yīng)急處理措施后，項目人員從多方面對該問題進行了調(diào)查研究和分析，具體請見如下章節(jié)。

3.2.1 應(yīng)力分析核實

（1）支架跨距核實

經(jīng)核實，該管道大部分支架跨距為3m左右，最大跨距為4.3m，均滿足玻璃鋼廠家提供的10寸玻璃鋼的跨距要求，且支架絕大部分為門型架，管系剛度足夠。

（2）整體應(yīng)力分析核實

支架形式設(shè)置合理，該管道各種工況下整體應(yīng)力比低于50%，水平和豎直位移不大于10mm，均滿足應(yīng)力分析規(guī)格書和規(guī)范要求，具體核實情況如下：

如圖3紅圈內(nèi)為管道破壞區(qū)域，其應(yīng)力比為：SUS工況：41.4%；OPE工況：38.6%；OCC工況：37.0%，因此管道應(yīng)力分析的結(jié)果表明該管道走向及支架設(shè)置合理，沒有問題。另外，管道應(yīng)力分析結(jié)果已經(jīng)考慮了管道內(nèi)部水擊力的因素。

圖3 管道應(yīng)力分析示意圖

3.2.2 其它因素分析

（1）穿甲板處支架施工與設(shè)計圖紙不對應(yīng)

在管道穿甲板處，設(shè)計圖紙增加的支架為四向限位支架（玻璃鋼法蘭導向支架），而現(xiàn)場為承重支架形式。根據(jù)此施工情況，進行應(yīng)力分析核實結(jié)果如下：SUS工況：37.0%；OPE工況：36.3%；OCC工況：40.5%；但這種情況下，該處管道自然頻率過低，僅1.5Hz左右，不符合規(guī)格書要求（最低2.55Hz），因此存在一定問題。

（2）鉆機模塊管道影響

連接的鉆機模塊管道為金屬管道材料，其管道布置及支架設(shè)置合理，管道的熱漲力和重力作用未導致玻璃鋼管道受到額外的力，基本沒有對玻璃鋼管道產(chǎn)生影響。

（3）玻璃鋼粘接質(zhì)量

經(jīng)核實，現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)玻璃鋼接頭處的粘接施工質(zhì)量問題。

（4）施工精度影響

經(jīng)核實，該管道失效處為海洋平臺上部模塊和鉆機模塊的管道界面點，而上部模塊方和鉆機模塊方各自進行設(shè)計以及施工。項目建造階段，施工的雙方接口處存在一定偏差且強行對齊并進行法蘭連接，從而產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力，久而久之，最終導致了玻璃鋼管道破壞的發(fā)生。

3.3 可靠性保證措施

3.3.1 應(yīng)力分析方面

由于玻璃鋼材質(zhì)管道不同于金屬材質(zhì)管道，泄漏的概率大大高于金屬材質(zhì)管道，因此應(yīng)力分析工作就顯得更為重要，對此需要仔細進行核實，力求萬無一失。

3.3.2 加強界面管道管理

針對界面管道，需要獲取雙方的具體管道布置信息進行考慮或分析；施工階段期間，現(xiàn)場技術(shù)支持人員需要重點關(guān)注界面管道的施工連接情況，確保規(guī)避施工問題。

3.3.3 優(yōu)化隔斷閥位置

由于該事故破壞點位于管道隔斷閥上游，一旦泄漏，短時間內(nèi)無法進行快速隔斷封堵，因此導致關(guān)停海水提升泵，進而關(guān)停主發(fā)電機組并停產(chǎn)。

因此，設(shè)計時應(yīng)考慮一旦管道（尤其是玻璃鋼管道）泄漏，如何進行快速的有效隔斷就顯得尤為重要，下面針對該案例平臺的特點進行一下分析。

如圖4為平臺海水系統(tǒng)管網(wǎng)布置示意圖，平臺設(shè)置四臺海水提升泵，平臺最大的海水用戶為主機中冷器及鉆機模塊（用戶管道尺寸分別為16寸和10寸），主機房和鉆機模塊距離海水提升泵均較遠。因此，20寸海水主管道布置至相對來說距離較近的主機房附近截止是較為合理的選擇，去鉆井模塊的10寸海水管道分支后單獨進行布置。由于海水主管道均布置在甲板下方，考慮到隔斷閥門的操作維修，去鉆機用戶的管道閥門布置位置遠離支管根部，此種布置雖然不違背基本的工藝流程要求，但擴大了管道泄露失控的范圍。

圖4 海水管網(wǎng)布置示意圖

因此，針對后續(xù)海水系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計，優(yōu)化的可靠性保證措施建議如下：平臺設(shè)備布置設(shè)計時，考慮設(shè)置一銅鎳材質(zhì)海水管匯，隔斷閥統(tǒng)一布置到管匯處。此種方法雖然增加一定的費用，但可將玻璃鋼管系泄露失控風險降到最低。

4 結(jié)束語

本文對玻璃鋼管道失效原因及可靠性保證措施進行了分析說明，為工程設(shè)計和管理人員拓展設(shè)計和管理思維提供了良好實踐，希望為后續(xù)類似項目提供工程借鑒。