海上平臺(tái)壓力管道常見損傷模式分析

紀(jì)玉磊

（中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 300452）

0 引言

在能源報(bào)國的浪潮中，我國海上油氣平臺(tái)數(shù)量在不斷增加，如何確保其安全生產(chǎn)也日漸成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)于海上平臺(tái)而言，壓力管道是其重要構(gòu)成，且已納入《海上石油專業(yè)設(shè)備目錄》管理范疇。因此對(duì)海上平臺(tái)壓力管道進(jìn)行損傷模式分析，既是確保海上平臺(tái)安全的基礎(chǔ)，也是極其重要的工作。

1 海上平臺(tái)壓力管道安全運(yùn)行重要性分析

1）海上平臺(tái)壓力管道承擔(dān)著將油氣從井口采油樹輸送海管前各流程之間傳遞的關(guān)鍵任務(wù)，壓力管道的任何泄露和損壞都會(huì)在帶來油氣損失的同時(shí)還可能引發(fā)環(huán)境污染，從而對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)和海洋生物多樣性造成嚴(yán)重影響，這不僅會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成長期的破壞，還會(huì)給漁業(yè)、旅游業(yè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來巨大損失。

2）海上平臺(tái)壓力管道的安全運(yùn)行與平臺(tái)的安全、穩(wěn)定性密切相關(guān)。管道的損傷可能導(dǎo)致油氣泄漏，在海上平臺(tái)有限的空間內(nèi)更加大了火災(zāi)和爆炸等事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，這不僅會(huì)對(duì)平臺(tái)上的工作人員的生命安全造成危害，還會(huì)對(duì)整個(gè)平臺(tái)的安全運(yùn)營造成嚴(yán)重威脅。因此，確保海上平臺(tái)壓力管道的安全運(yùn)行是保障工作人員安全以及平臺(tái)安全生產(chǎn)的重要前提。

3）海上平臺(tái)壓力管道的安全運(yùn)行對(duì)于能源供應(yīng)的穩(wěn)定存在重要意義。海上平臺(tái)是開采海洋油氣資源的主要基地，而壓力管道是將這些資源傳輸?shù)年P(guān)鍵通道，如果其出現(xiàn)損壞或泄漏，而又無法停產(chǎn)或走旁通的情況下將導(dǎo)致能源供應(yīng)中斷，從而影響到國家的能源安全戰(zhàn)略。因此，保障海上平臺(tái)壓力管道的安全運(yùn)行對(duì)于保障能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性至關(guān)重要。

總之，海上平臺(tái)壓力管道的安全運(yùn)行對(duì)于保護(hù)海洋環(huán)境、確保平臺(tái)安全、維護(hù)能源供應(yīng)具有十分重要的意義。相關(guān)工作人員必須最大限度地減少管道損壞和泄漏的發(fā)生，確保海上平臺(tái)壓力管道的安全運(yùn)行。

2 海上平臺(tái)壓力管道損傷類型

通過對(duì)大量海上平臺(tái)壓力管道損傷案例進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，這些案例大體上可以分為三類，一是腐蝕；二是環(huán)境開裂；三是其他損傷。下文將對(duì)這幾種類型的管道損傷問題進(jìn)行簡單分析。

2.1 腐蝕

其可以分為三類，分別是保溫層下腐蝕、內(nèi)腐蝕和大氣腐蝕。海上平臺(tái)壓力管道的損傷中，海洋環(huán)境引起的保溫層下腐蝕是一個(gè)常見問題。海上石油平臺(tái)上的壓力管道所處區(qū)別于陸地的環(huán)境，如高濕高鹽、海上風(fēng)和暴曬、平臺(tái)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)及海上涂裝質(zhì)量等，會(huì)導(dǎo)致管道表面的防腐層受損，使得管道金屬本體直接暴露于大氣中，而海上空氣中和受潮的巖棉中含量較高的氯離子的作用下，產(chǎn)生保溫層下腐蝕，多為片狀疏松銹蝕層。這種腐蝕減薄對(duì)于海上平臺(tái)壓力管道的安全運(yùn)行具有嚴(yán)重影響。一方面管道金屬的減薄會(huì)導(dǎo)致管道的本體強(qiáng)度和承載能力下降，增加了管道破裂和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面腐蝕物質(zhì)的積聚又更容易吸附水分和氯離子，造成管道腐蝕進(jìn)一步加劇，進(jìn)一步加速管道壽命的縮減。保溫層下腐蝕一般有一定的特征：其主要位于臨海側(cè)濕度較大的區(qū)域、露天區(qū)域、晝夜溫差容易出現(xiàn)凝露的海域區(qū)域，常發(fā)生的部位是管線涂層破損部位、焊接接頭部位（涂層結(jié)合或存在表面飛濺等）、管支架連接處、穿甲板管線（護(hù)管未封堵或封堵前段管線）、管線豎直轉(zhuǎn)水平區(qū)域、異種鋼焊接部位；常顯現(xiàn)區(qū)域?yàn)楣芫€保溫出現(xiàn)破損外部有銹蝕痕跡、密封不嚴(yán)的部位，保溫不連續(xù)的部位。

內(nèi)腐蝕，多是因?yàn)閮?nèi)部介質(zhì)影響，當(dāng)管道內(nèi)部介質(zhì)中存在腐蝕性物質(zhì)或化學(xué)物質(zhì)（常見為硫化細(xì)菌、硫化氫、酸性介質(zhì)等）時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)與管道金屬表面發(fā)生作用，從而導(dǎo)致局部腐蝕的發(fā)生。海上壓力管道內(nèi)腐蝕大多表現(xiàn)為管道金屬表面的局部腐蝕，少數(shù)呈現(xiàn)針孔或均勻腐蝕，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)纬纱┛仔孤?。碳鋼一般呈杯狀點(diǎn)蝕狀態(tài)，不銹鋼一般層表面蝕坑。局部的內(nèi)腐蝕一旦產(chǎn)生其腐蝕速率一般會(huì)持續(xù)加劇，故局部內(nèi)腐蝕的危害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其均勻腐蝕[1]。內(nèi)腐蝕產(chǎn)生的因素往往是多種因素的組合，如垢下和細(xì)菌。內(nèi)腐蝕的產(chǎn)生往往遵循一定的規(guī)律，如介質(zhì)中的硫化氫、細(xì)菌含量較高的管，易產(chǎn)生積垢的部位（包含死管段、流速緩慢的管段和豎直變水平的變向區(qū)域），故在壓力管道的運(yùn)行管理中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注特征區(qū)域。

大氣腐蝕是因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境中氯離子腐蝕導(dǎo)致的，其同保溫層下腐蝕的明顯區(qū)別在于大氣腐蝕無保溫層。這種腐蝕減薄通常表現(xiàn)為管道金屬表面的銹蝕等，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致金屬表面的減薄和損壞。其腐蝕多發(fā)生于以下區(qū)域：①無保溫的管道，且位于風(fēng)側(cè)濕度較大的區(qū)域（舷外、帶纜走道、露天管線），即平臺(tái)周邊腐蝕程度大于平臺(tái)內(nèi)部管線。②管線涂層破損部位、焊接接頭部位（涂層結(jié)合或存在表面飛濺等）、管支架連接處、穿甲板管線（護(hù)管未封堵或封堵前段管線）、現(xiàn)場可能出現(xiàn)冷凝水區(qū)域、異種鋼焊接部位。③主要存在碳鋼管線（海上），重點(diǎn)關(guān)注閉排、開排、柴油管線及氣田、氮?dú)庀到y(tǒng)等易忽略的管線。管道的大氣腐蝕相對(duì)較易發(fā)現(xiàn)，故一般在初期進(jìn)行涂層修復(fù)即可較好地解決此類問題。

圖2 某平臺(tái)生產(chǎn)水管道內(nèi)腐蝕

圖3 某平臺(tái)天然氣管道大氣腐蝕

2.2 裂紋

根據(jù)裂紋成形原因的不同可將其分為管道制造裂紋、安裝裂紋（焊接裂紋）和使用中的裂紋。制造裂紋主要是管線在成形過程中產(chǎn)生的裂紋，其一般母材靠近端部區(qū)域（非熱影響區(qū)）產(chǎn)生，沿軸向方向進(jìn)行拓展，一般可呈現(xiàn)多條，長短不一，通常在母材表面，打磨可消除。原因應(yīng)為在軋制過程中遇到加熱不良、表面存在雜質(zhì)、加工方法不當(dāng)?shù)仍騕2]。安裝裂紋主要是焊接裂紋，主要存在焊縫及熱影響區(qū)，其與焊縫成形及應(yīng)力集中有關(guān)。焊接裂紋又分為熱裂紋和冷裂紋。熱裂紋一般發(fā)生在焊縫的結(jié)晶過程中，由于應(yīng)力和偏析的作用產(chǎn)生，多發(fā)生于焊縫，焊接完成后可發(fā)現(xiàn)，此類裂紋由于焊接完成后較容易檢測發(fā)現(xiàn)。故其在實(shí)過程中發(fā)現(xiàn)的概率并不大，且可通過焊接工藝進(jìn)行控制。冷裂紋則是焊接時(shí)冷卻到200～300 ℃產(chǎn)生的裂紋，一般位于熱影響區(qū)，少部分見于焊縫。由于其一般不會(huì)立即出現(xiàn)，須經(jīng)過一段的孕育期，可能在很長時(shí)間后才會(huì)慢慢出現(xiàn)，建造安裝期間的無損檢測可能無法檢測出，有一定的隱蔽性，因此，冷裂紋是壓力管道運(yùn)行過程中重點(diǎn)關(guān)注的缺陷。其中現(xiàn)場焊口作為壓力管道運(yùn)行過程中出現(xiàn)冷裂紋最多的焊縫，需重點(diǎn)關(guān)注。一方面現(xiàn)場焊口海上焊接時(shí)海上相對(duì)空氣濕度和溫度較低，會(huì)造成管道焊縫表面熔覆金屬的快速冷卻產(chǎn)生應(yīng)力和增加熔覆金屬中的氫含量，尤其是在某些現(xiàn)場焊口安裝時(shí)本身存在高拘束應(yīng)力。因此更容易產(chǎn)生。壓力管道使用中的裂紋常見的是疲勞裂紋，當(dāng)壓力管道受到小于屈服強(qiáng)度的交變應(yīng)力時(shí)，在應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)產(chǎn)生疲勞源。在疲勞源的附近會(huì)產(chǎn)生裂紋源，并進(jìn)行拓展和延伸，最終造成壓力管道失效。其一般起源于熱影響區(qū)，與應(yīng)力方向呈90°方向拓展。如某平臺(tái)注水泵出口管線的第一個(gè)彎頭焊縫附近，由于承受內(nèi)部交變載荷的沖擊，在彎頭沿流向方向出現(xiàn)最長約550 mm的疲勞裂紋。分析是在焊縫附近由于焊接存在高應(yīng)力區(qū)域，注水泵在運(yùn)行管內(nèi)產(chǎn)生的高強(qiáng)交變載荷作用下在焊縫熱影響區(qū)附近產(chǎn)生疲勞源，并萌生裂紋沿管道母材方向拓展。注水泵出口彎頭疲勞裂紋和平臺(tái)原油管線延遲裂紋如下圖4，圖5所示。

圖4 注水泵出口彎頭疲勞裂紋

圖5 某平臺(tái)原油管線延遲裂紋

2.3 其他損傷

其主要包括管道彎曲變形移位、法蘭密封漏氣、設(shè)備材質(zhì)表面破損等[3]。管道彎曲形變是指管道在使用過程中由于受到外部力量作用而發(fā)生的形變。海上平臺(tái)環(huán)境復(fù)雜，常常受到海浪、風(fēng)力、平臺(tái)沉降等的影響，或現(xiàn)場安裝不規(guī)范，這可能導(dǎo)致管道發(fā)生彎曲形變，而且這一現(xiàn)象多發(fā)生在管道直線段或彎管處，其程度和形式也可能各不相同。這種損傷會(huì)對(duì)管道的正常運(yùn)行和安全性產(chǎn)生重大影響，不僅會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)流體阻力增加，從而影響流體的傳輸效率，還會(huì)增加管道的應(yīng)力和應(yīng)變，可能導(dǎo)致管道的疲勞破裂或塑性變形，同時(shí)可能影響管道附屬設(shè)備的正常連接，導(dǎo)致設(shè)備故障和損壞。

至于法蘭密封失效則是指管道法蘭連接處的密封系統(tǒng)無法有效的阻止流體泄漏或外部環(huán)境介質(zhì)進(jìn)入管道。法蘭是海上平臺(tái)壓力管道常用的連接方式，其重要性在于確保管道的密封性和穩(wěn)定性。這種損傷的發(fā)生是因?yàn)榉ㄌm連接處的密封墊片因?yàn)殚L期使用或受到外部環(huán)境影響而老化、磨損或破裂，導(dǎo)致密封性能下降，也可能是因?yàn)榉ㄌm連接處的螺栓緊固力不足或不均勻，也會(huì)導(dǎo)致法蘭密封失效，還可能是因?yàn)榉ㄌm連接處的表面粗糙度不符合要求，或者連接處存在雜質(zhì)、腐蝕等缺陷。一旦發(fā)生這種損傷將會(huì)對(duì)海上平臺(tái)壓力管道運(yùn)行和安全性造成嚴(yán)重影響。首先，泄漏的流體會(huì)造成能源資源的浪費(fèi)，還可能對(duì)環(huán)境造成污染。其次，外部環(huán)境介質(zhì)的進(jìn)入可能導(dǎo)致管道內(nèi)部的腐蝕、堵塞或其他損壞，從而降低管道的可靠性和壽命。最后，法蘭密封失效還可能引起流體不均勻?qū)е鹿艿腊l(fā)生振動(dòng)、泄漏擴(kuò)展或破裂等嚴(yán)重事故，對(duì)人員和設(shè)備造成威脅。為了預(yù)防和控制法蘭密封失效，海上平臺(tái)壓力管道需要采取一系列的措施，先要確保法蘭連接的耐腐蝕性能和密封性能，還需對(duì)法蘭連接處進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理密封失效的問題，同時(shí)需在法蘭連接處使用適當(dāng)?shù)木o固力和密封墊片，確保法蘭連接的可靠性和密封性。此外，加強(qiáng)對(duì)法蘭連接處的表面處理和清潔，減少雜質(zhì)和腐蝕的影響。

壓力管道外部損傷和內(nèi)部沖蝕也是壓力管道檢驗(yàn)檢測中常遇見的問題。壓力管道外部損傷常出現(xiàn)在海上平臺(tái)壓力管道的安裝和使用過程中，由于吊裝、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行過程中，受到撞擊等載荷，出現(xiàn)劃傷、劃痕、凹陷變形等。其出現(xiàn)變形區(qū)域容易造成應(yīng)力集中，且管道凹陷狀態(tài)影響管道內(nèi)介質(zhì)正常流動(dòng)，形成湍流。影響管道的正常運(yùn)行安全。管道的沖蝕則是壓力管道運(yùn)行過程中固液氣三相或其組合發(fā)生沖擊或相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的材料表面機(jī)械剝落加速的過程。其一般呈現(xiàn)為局部損傷，呈溝槽狀，具有強(qiáng)烈的方向性。多見于流速較快存在流速變化、方向變化的區(qū)域，如彎頭、三通、變徑等管件及調(diào)節(jié)閥后，及泵、壓縮機(jī)出口等區(qū)域。沖蝕一般有較為強(qiáng)的規(guī)律，可根據(jù)內(nèi)部介質(zhì)，流速等進(jìn)行初步判斷。

3 防范海上平臺(tái)壓力管道損傷的措施

為了防范海上平臺(tái)壓力管道損傷的出現(xiàn)，需要采取一系列措施：①合理選擇材料和涂層保護(hù)。在設(shè)計(jì)和建造海上平臺(tái)壓力管道時(shí)，應(yīng)選擇具有良好抗腐蝕性能的材料，如不銹鋼、耐腐蝕合金等，而且需對(duì)管道進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐繉颖Ｗo(hù)，如環(huán)氧涂層、防腐漆等，這樣就可以形成一層保護(hù)膜來隔離管道與外界環(huán)境接觸，減少腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。②開展壓力管道定期檢驗(yàn)和維護(hù)。通過定期驗(yàn)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)腐蝕、裂紋和其他損傷的跡象，以便及時(shí)采取維修整改措施，以防止其損傷加劇拓展造成其最終失效。③增加壓力管道的基線檢測，通過對(duì)建造后的壓力管道進(jìn)行統(tǒng)一檢測，確認(rèn)其現(xiàn)場建造安裝符合設(shè)計(jì)要求，避免出現(xiàn)壓力管道運(yùn)行時(shí)遺留問題影響安全生產(chǎn)，如部分管線劇烈振動(dòng)進(jìn)而造成管道疲勞失效的現(xiàn)象。④加強(qiáng)各個(gè)單位（生產(chǎn)、建造、檢測）與設(shè)計(jì)單位的溝通，建立有效的問題反饋機(jī)制，形成良性的循環(huán)，在易出現(xiàn)問題的部位增加相應(yīng)防護(hù)措施，持續(xù)改進(jìn)。

4 結(jié)束語

綜上，對(duì)于海上平臺(tái)而言，壓力管道在其中發(fā)揮著重要作用，是平臺(tái)正常運(yùn)行的重要組成，但是因?yàn)楦鞣N因素的影響，其很容易出現(xiàn)損傷，比較常見的就是腐蝕、裂紋和管道彎曲變形、法蘭連接失效、沖刷外部損傷等，而一旦出現(xiàn)這些問題將會(huì)對(duì)海上平臺(tái)的平穩(wěn)安全運(yùn)行、能源持續(xù)供應(yīng)、海洋環(huán)境等都造成很大影響。基于此，就需要對(duì)管道損傷類型進(jìn)行分析，對(duì)損傷原因進(jìn)行研究，這樣才能針對(duì)性采取措施，從而可以最大限度地減少管道失效和泄漏的發(fā)生。