海洋柔性管道發(fā)展研究

孟嘉巖

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300459）

0 引言

隨著海洋油氣田開發(fā)的深入，海洋管道作為海洋油氣資源最主要的運輸媒介，對其的研究工作也越來越受到關注。海洋管道主要分為兩類，分別是鋼管和復合材料柔性管。相比鋼管，柔性管自20 世紀70 年代早期開始在北海投入使用以來，以其良好的特性和使用優(yōu)勢逐漸在海洋油氣資源開發(fā)中占據(jù)顯著地位，已經(jīng)成為近海石油天然氣領域商業(yè)發(fā)展的關鍵設備。

柔性管按照不同的制造工藝可以分為粘結(jié)型和非粘結(jié)型兩種，其中非粘結(jié)型柔性管各層結(jié)構(gòu)之間相互獨立，可以滑動，雖然加大了制造難度，但也使得其具有更強的競爭力。目前在柔性管技術的研究和工業(yè)應用上，非粘結(jié)型柔性管道占比非常大。

目前，柔性管供應商、工程公司和終端使用者等通過密切的合作，已經(jīng)建立了基于柔性管生命周期的工業(yè)流程，對管道的設計、制造、運輸、鋪設、操作以及完整性管理等方面，給出了一系列具體的要求和規(guī)范。但需要注意的是，現(xiàn)階段柔性管道的相關技術和操作規(guī)范具有很強的壟斷性和獨立性，還沒有可以遵守的國際規(guī)范。目前應用最廣泛的標準是美國石油協(xié)會的API 17J、18J 等[1]。世界上最大的三家柔性管道制造商分別是法國的德西尼布公司、英國的油田服務公司和丹麥的NKT Flexibles 公司，其各自有自己的設計研發(fā)團隊來負責管道截面設計、質(zhì)量檢測、工藝設備開發(fā)等工作，為其工程團隊提供柔性管生產(chǎn)服務[2]。

1 非粘結(jié)型柔性管道結(jié)構(gòu)特性

非粘結(jié)型柔性管到是溝通海下油氣田和浮式生產(chǎn)平臺的關鍵設備，在許多領域都有應用，例如石油和天然氣的生產(chǎn)立管；注水、注氣管道；氣體舉升通道；石油和天然氣外輸管道；鉆井設備；海底靜態(tài)管路等。在不同應用條件下，對于柔性管管徑、強度、柔性、耐溫性等特性的要求有所不同。

非粘結(jié)型柔性管道的性質(zhì)與其管壁結(jié)構(gòu)密切相關（圖1）。非粘結(jié)型柔性管是一種復合結(jié)構(gòu)，構(gòu)成它的材料很多，包括聚合物材料、金屬材料、人造纖維和泡沫材料等，不同的材料在強度、延展性、塑性、熱膨脹性等方面具有不同的特點。柔性管的每一層都具有特定的功能，并與其他層相互作用，而不同的應用條件也就形成了柔性管不同層結(jié)構(gòu)的組合[3-4]。

圖1 典型非粘結(jié)型柔性管截面

1.1 骨架

骨架層是柔性管最內(nèi)層的結(jié)構(gòu)，也是唯一直接接觸流體的金屬結(jié)構(gòu)，所以用作骨架的金屬材料必須與輸送流體的化學組成相適應。篩選材料的主要因素包括在操作環(huán)境下的耐腐蝕性、機械強度和價格。骨架層的作用是提供足夠的強度，來抵抗管道外部的靜水壓力，抵抗管道安裝和操作時的沖擊載荷，以及為內(nèi)襯層提供機械保護。骨架層是由折疊成S 形的金屬條螺旋相扣構(gòu)成的，每個S 形結(jié)構(gòu)彼此互鎖形成管狀，圓柱形結(jié)構(gòu)提供徑向的強度和剛度，截面間的相互滑移提供彎曲柔性（圖2）。這樣的制造模式也決定了骨架層是一個開放式結(jié)構(gòu)，流體能夠以很小的速率穿過骨架層。

圖2 典型骨架層結(jié)構(gòu)

1.2 內(nèi)襯層

骨架層外的內(nèi)襯層是密封層，由熱塑性材料擠壓而成。在一些應用中常采用在密封層內(nèi)外增設犧牲層的多層結(jié)構(gòu)，犧牲層的作用是防止相鄰金屬層結(jié)構(gòu)對密封層構(gòu)成損傷。由于骨架層的開放性結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯層是暴露于輸送流體中的，在選擇內(nèi)襯層材料時要考慮輸送流體的溫度和化學特性。目前最常用的內(nèi)襯層材料有3 種，分別是高密度聚乙烯（HDPE）和交聯(lián)聚乙烯（XLPE）、聚酰胺纖維（PA11 或PA12）以及聚偏氟乙烯（PVDF）。通常不同的內(nèi)襯層材料都有各自的商品名稱，而且大部分采用了受保護的專利技術。

1.3 管道環(huán)

內(nèi)襯層和外護套層之間的環(huán)狀部分是管道環(huán)，管道環(huán)是開放型結(jié)構(gòu)，沒有壓力屏障。當管道中輸送高壓流體時，流體將會滲透內(nèi)襯層進入管道環(huán)，造成內(nèi)壓力積聚，嚴重時會導致外護套層爆裂。為了防止管道環(huán)內(nèi)壓力過大，通常超壓1～2 bar（1 bar=0.1 MPa）時會在管道環(huán)的末端開通風孔。在管道建造階段，管道環(huán)內(nèi)的空間充滿了空氣。而在管道運行期間，由于外護套層損傷、海水進入管道環(huán)、泄漏等原因，管道環(huán)內(nèi)的物質(zhì)化學組成會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生腐蝕隱患、影響其剩余服役壽命。

1.4 壓力鎧裝層

壓力鎧裝層的主要功能是支持內(nèi)襯層和抵抗內(nèi)壓引起的環(huán)向應力，同時壓力鎧裝層也是能夠抵抗沖擊載荷和偶然載荷的強度構(gòu)件。壓力鎧裝層是由高強度的軋制碳鋼構(gòu)成的互鎖結(jié)構(gòu)，目前常用的截面結(jié)構(gòu)如圖3 所示，這些截面結(jié)構(gòu)大多數(shù)情況下是受保護的專利技術。

圖3 壓力鎧裝層互鎖截面

1.5 中間護套層

沒有骨架層的光滑內(nèi)徑管很容易受到水侵入管道環(huán)帶來的外部壓力的傷害，所以當外部壓力超過管道內(nèi)襯層的潰敗壓力時，需要在壓力鎧裝層外增加中間護套層。中間護套層通常使用和內(nèi)襯層一樣的材料。

1.6 抗拉鎧裝層

抗拉鎧裝層是由兩層或四層鎧裝金屬條以30°～35°的捻角度構(gòu)成，主要功能是抵抗由內(nèi)壓和外部載荷引起的軸向應力以及提供管道的扭轉(zhuǎn)強度。當管道承受軸向載荷時，抗拉鎧裝層會“自傷”來避免管道發(fā)生扭轉(zhuǎn)，而對于造成鎧裝層開卷（鳥籠結(jié)構(gòu)）的某方向上的扭轉(zhuǎn)載荷來說，該層的扭轉(zhuǎn)強度和剛度就很弱。該層金屬的截面形狀是矩形或接近矩形，由碳鋼或低合金鋼冷軋制成。通常鎧裝層金屬并沒有標準化的材料等級，材料等級大多情況下是由管道供應商擁有專利。根據(jù)美國腐蝕工程師協(xié)會的文件，抗拉鎧裝層金屬按極限抗拉強度可分為酸金屬（極限抗拉強度低于900 MPa）和甜金屬（極限抗拉強度1200～1500 MPa），針對柔性管不同的設計需求，抗拉鎧裝層金屬的強度需要進行優(yōu)化。

1.7 復合鎧裝層

水深超過2000 m 的深水作業(yè)中，傳統(tǒng)柔性管的重量不僅給管道敷設設備和敷設船造成了很大負擔，也給浮式生產(chǎn)平臺帶來很大風險。因此可以用纖維加固的聚合物制成的復合鎧裝層來代替金屬抗拉鎧裝層，能顯著降低管道的重量?，F(xiàn)在碳纖維復合鎧裝層已經(jīng)成功應用于柔性立管，基于這項技術的極限水深柔性立管也正在開發(fā)中。

1.8 防磨層

受到周期性彎曲的柔性立管，它的抗拉鎧裝層金屬和相鄰鋼性層之間會產(chǎn)生顯著的接觸面應力，從而造成周期性滑移。如果兩層鋼性鎧裝層直接接觸，就可能發(fā)生磨損或磨蝕失效。因此在鋼性鎧裝層之間要設置防磨帶。防磨帶通常使用1 mm 左右的Rilsan（耐綸11 型酰胺纖維）材料，它不具有防裂漏功能，管道環(huán)中的液體可以通過。該層承受巨大的接觸面應力，并會產(chǎn)生很大的滑移幅度，例如設計使用壽命為20 年的柔性管，累計滑移量達50 km。在服役過程中，如果防磨層失效，會造成管道使用壽命急劇縮短。

1.9 防屈曲層

柔性管在建造和停車期間易受到扭轉(zhuǎn)載荷和軸向壓縮載荷的作用，這些載荷可能會導致抗拉鎧裝層產(chǎn)生徑向屈曲或鳥籠現(xiàn)象，以及抗拉鎧裝層金屬條帶的側(cè)向屈曲。因此在抗拉鎧裝層外需設置防屈曲層，它一般是由芳族聚酰胺（一種輕質(zhì)高強度合成纖維）或玻璃纖維制成的加強帶構(gòu)成。

1.10 隔熱層

當柔性管需要進行隔熱處理時，在抗拉鎧裝層和外護套層之間需要設置隔熱層，隔熱層材料通常是泡沫材料或固體隔熱材料。

1.11 外護套層

外護套層一般位于柔性管基礎結(jié)構(gòu)的最外層，通常會受到有沖擊載荷、侵蝕、撕裂載荷以及內(nèi)外壓力載荷等，外護套層大多由HDPE（高密度乙烯）或Rilsan 材料制成，其作用是密封阻止海水入侵，防止鋼性鎧裝層腐蝕，并對鋼性鎧裝層提供機械防護。據(jù)統(tǒng)計，約40%的柔性立管失效是由外護套層損傷導致的。

1.12 彎曲加強件

柔性管末端是一個端部構(gòu)件，柔性管的所有層都在一個非常復雜的結(jié)構(gòu)中被錨固，管道所受的彎曲載荷在此處會產(chǎn)生非常大的應力集中，從而對管道的剛度和強度構(gòu)成威脅。因此在管道和端部設備之間需要設置一個用于剛度過渡的彎曲加強件。彎曲加強件結(jié)構(gòu)由聚亞安酯制成，尺寸一般較大、長約數(shù)米，端部直徑大于1.5 m，重量超過1.5 t。需要注意的是，彎曲加強件的設計壽命要與柔性管的設計運行壽命相同。

1.13 光滑內(nèi)徑柔性管路

有骨架層的柔性管稱為粗糙內(nèi)徑管，沒有骨架層的柔性管稱為光滑內(nèi)徑管。當輸送流體不含氣體成分或其他適宜條件下，可以使用流動損失小、運行成本低的不含骨架層的光滑內(nèi)徑柔性管。光滑內(nèi)徑管管路的缺陷是，當外護套層出現(xiàn)損傷時外部靜水壓力會直接作用于內(nèi)襯層，因此抗外部靜水壓力能力有限?；诖?，光滑內(nèi)徑管需要在抗拉鎧裝層和壓力鎧裝層間設置防潰敗層，利用壓力鎧裝層的強度來抵抗?jié)≥d荷。

2 非粘結(jié)型柔性管失效模式

柔性管的多層結(jié)構(gòu)存在多種失效模式，粘結(jié)型管道和非粘結(jié)性管道的失效模型大致相同。這些失效模式在柔性管生命周期的每個階段都有可能發(fā)生，尤其是在運輸、安裝和操作階段，事故發(fā)生的情況相對集中[5-7]。據(jù)統(tǒng)計，58%的失效是由外護套層損傷導致的，19%的失效是由水淹管道環(huán)面事故導致的。下面從柔性管生命周期的不同階段分別進行討論。

2.1 設計和制造階段

在柔性管的設計和制造階段，由于水下動力作用，管件鎧裝層會疲勞失效，導致其無法承受很大的壓力并發(fā)生泄漏。針對該類型的失效，可以引入增塑PVDF 材料（這是一種抗壓、耐高溫的塑性材料），同時還應注意減小端部接口的荷載。

2.2 運輸階段

失效模式也會出現(xiàn)在與包裝、保存和裝船固定相關的運輸過程中。在該過程中可能出現(xiàn)腐蝕、侵蝕失效。其失效機理是，內(nèi)骨架暴露于海水及擴散性物質(zhì)中，從而導致抗拉、抗壓鎧裝層的腐蝕。因此，不僅應重點關注柔性管材料的選取，還應設計陰極保護系統(tǒng)、增加骨架層厚度和減少沙粒含量。另外，柔性管的外護套層很容易受到掉落的貨物和起吊貨物碰撞的傷害。如果外部破損點位于不利位置，并且沒有在安裝前進行維修，損壞的外護套層可直接導致管道失效。

2.3 安裝和回收階段

在安裝或回收期間，最常見的故障是對管子外護套層的厚度損傷。如果外護套層損傷處于飛濺區(qū)，陰極保護不起作用或作用有限，且容易接觸氧氣，那么腐蝕損壞就會迅速產(chǎn)生，管道完整性將受到破壞。另一個故障模式是橫向屈曲，其失效機理是在高靜水壓力（深水）環(huán)境下，管道過度彎曲或受壓力載荷過大，導致抗拉鎧裝層因過度張緊或屈曲而失效。

2.4 操作階段

在操作過程中可能出現(xiàn)的失效模式較為復雜。

（1）疲勞失效。對于柔性立管所使用的所有材料，在橫截面處都可能會出現(xiàn)機械疲勞。骨架是將冷軋薄鋼帶制成一個環(huán)環(huán)相扣的柔性結(jié)構(gòu)，制造精度低或負載過大都可能改變骨架的性能，從而造成骨架層的疲勞失效。

（2）腐蝕。如果外部護套層損壞，管道中的鎧裝層金屬將暴露于海水中。如果沒有有效的犧牲電極保護，管線將被腐蝕。另外，對于柔性管道中的外護套層損壞，即使管道兩端均連接到陽極，也會存在氧化腐蝕。

（3）潰敗。柔性管有兩種不同的崩潰情況，一是在光滑內(nèi)徑管道中內(nèi)部壓力襯管的崩潰，二是在粗糙內(nèi)徑管道中骨架和壓力襯管的崩潰。為預防此類型失效發(fā)生可采取以下措施：增加骨架層金屬層數(shù)、增加壓力鎧裝層或內(nèi)部壓力護套層厚度（光滑內(nèi)徑管）、修改結(jié)構(gòu)設計或安裝設計以減少載荷、加裝防泄漏的中間夾層以及增加骨架層或壓力鎧裝層的面積慣性矩。

（4）屈曲失效。在一定的限度內(nèi)，柔性管可能在壓縮荷載作用下發(fā)生屈曲。極端情況下，屈曲荷載可能導致管道過度彎曲和無序化（鳥籠）。柔性管道的屈曲模型大致分為三類，包括：應力過大導致的側(cè)向屈曲、由于彈性不穩(wěn)造成的側(cè)向屈曲和徑向屈曲。這三類失效的潛在機理都是由于外護套層的受損或破裂導致的應力集中，或管線受到軸向壓應力和彎曲應力過大導致過壓失效。

3 柔性管道完整性管理

柔性管道的更換成本很高，失效事故更是會帶來災難性的后果。為保證柔性管道運行的安全性和經(jīng)濟性，需要建立柔性管道完整性管理計劃IMP。管道完整性管理計劃在設計階段建立，需要放眼整個生命周期，考慮到運行中的監(jiān)測、檢測和測試活動，同時在實施中要時刻注意對運行效果的評估，以對完整性管理計劃進行反饋和更新[8]。完整性管理計劃的關鍵步驟如圖4 所示。

圖4 柔性立管完整性管理的關鍵步驟

目前的實踐情況表明，完整性管理計劃的實施，有助于柔性管道系統(tǒng)的性能改進，有助于降低故障發(fā)生概率，同時也有助于降低各種操作風險。柔性管道完整性管理計劃的內(nèi)容主要分為3 個部分——檢測、測試和監(jiān)控，另外反饋也是該計劃的重要內(nèi)容之一。一般來說，一個綜合性的完整性管理系統(tǒng)應該能夠較早地識別出管道系統(tǒng)的各種問題，并有機會提早采取措施、防止事故發(fā)生。

3.1 檢測

柔性管道最常見的檢測手段是ROV（水下機器人）視覺檢測。對ROV 進行進一步改進和優(yōu)化可以使其應用于某一特定的組件和區(qū)域。目前應用于近海柔性管的檢測手段有：

（1）ROV 近距離視覺檢測。

（2）甲板層人工近距離視覺檢測。

（3）水上攀援近距視覺檢測。

（4）內(nèi)部遠程攝像機檢測。

3.2 測試

由于大量的沖水事故造成了管道環(huán)測試頻次的增加，目前通常的做法是在安裝后不久進行一輪測試，以提供參考值。在這輪測試中將發(fā)現(xiàn)主要通過厚度損傷外護套層和排氣口及閥門的問題。之后需要進行定期輪回大量測試來判斷系統(tǒng)狀態(tài)，并對長期運行趨勢進行追蹤。目前柔性管海上作業(yè)采用的測試手段有：

（1）安裝、改進、維修后進行管道壓力測試。

（2）為識別完整的外護套層和鑒別液態(tài)成分進行環(huán)空或壓力測試。

（3）為識別環(huán)形空間和可能的腐蝕過程進行環(huán)腔氣體抽樣和分析。

（4）浸沒在油品和射流中的聚合物試件壽命檢測。

（5）為分析CO2、H2S 含量進行管內(nèi)流體成分測試。

3.3 監(jiān)控

監(jiān)測壓力、溫度和流量情況是油氣井過程和控制系統(tǒng)的一部分，同樣的設備也應用于在柔性立管完整性管理的情況下監(jiān)控。近海柔性管道系統(tǒng)使用的監(jiān)控手段有：

（1）管徑壓力監(jiān)控，監(jiān)測海底和頂部傳感器的壓降和壓力變化率/周期。

（2）管徑溫度監(jiān)控，監(jiān)測溫度變化率/周期。

（3）通風環(huán)流動壓力和流量監(jiān)測。

（4）環(huán)境載荷監(jiān)控和/或浮臺運動及偏移監(jiān)控。

（5）管徑流量變化率，特別是與壓降有關的變化率監(jiān)控。

4 結(jié)束語

近年來，大多數(shù)的柔性管供應商已經(jīng)制定了自己的具體規(guī)范，國際標準文件也在制定之中。對已有標準的修正和擴大范圍的交流，是把行業(yè)經(jīng)驗傳遞給所有柔性管道事業(yè)參與者的最好的方法。但是這些文件的更新和修改是費時較長，專利保護給技術交流帶來的困難和阻力也很大。目前我國的柔性管道事業(yè)正在積極開展，盡管已經(jīng)取得了一些研究成果，但相較世界先進技術水平來講還有很長的路要走。為此，應該抓住海洋油氣資源開發(fā)力度不斷加強的契機，提高柔性管的研究和應用水平，逐步掌握海洋柔性管設計制造的核心技術，為我國海洋油氣開發(fā)提供保障。