FPSO柔性立管失效模式與原因分析

楊貴強 劉振國 張紹謙 亓俊良

（中海油能源發展采油服務公司，天津塘沽，郵編：300452）

1.0 前言

為確保FPSO柔性立管系統安全、可靠，中海油能源發展采油服務公司針對國內國際FPSO柔性立管的資料進行了收集整理，旨在開展立管完整性管理RIM(Riser Integrity Management)研究，對立管系統全生命周期內各種潛在危害因素進行綜合的、一體化的管理。在對106個柔性立管或管道（跨接軟管等）資料收集分析中獲知，有21個（20%）發生過損傷或失效事件。在發生過損失或失效的事件中，16個（76%）發生在安裝期間，5個（24%）發生在正常操作過程中。柔性立管的設計壽命為12年左右，大多數的失效都發生在服役的前四年內。以下對柔性立管的失效模式和失效原因進行分析。

2.0 FPSO柔性立管失效模式

FPSO柔性立管的失效模式主要有以下5種情況。

2.1 外套損傷

最常見的損傷和失效模式是外套損傷，大多數的損傷發生在安裝階段。外套損傷會導致柔性立管環面被淹沒，對于立管來說這是非常嚴重的，立管的設計壽命可能會減少為2年。因此即使損傷是很小的，最終也可能會產生很嚴重的后果，到目前為止有很多立管因損傷而被替換的例子。

2.2 不銹鋼內襯管（或稱內套）腐化

大部分柔性立管的內部抗壓層是采用PA-11材料，PA-11腐化失效的案例很多，這是立管面臨的比較重要的問題。在統計分析中，立管失效多數發生服役的前四年。美國石油組織正在對PA-11老化問題進行研究工作，準備提出這種材料的適用范圍。

2.3 聚偏氟乙稀終端部件失效

與其他利用熱塑性材料的管道相比，聚偏氟乙稀熱膨脹系數較高。因此，由周期循環的溫度改變引起的不銹鋼內襯管持續的膨脹與收縮導致了不銹鋼內襯管逐漸脫離終端裝置。這種失效模式不是很多，這類立管失效模式的解決方式是用新設計的終端設備進行替換。

2.4 抗拉鎧裝損傷

抗拉鎧裝損傷（鳥籠化）是柔性立管失效的一種較重要的模式。它一般發生在立管被繃緊時，同時這種損傷出現在局部性的而不是整個立管的長度范圍內。

2.5 通風口堵塞

當通風口堵塞時油氣滲入內孔，最后環面壓力過高外套爆裂或不銹鋼內襯管塌陷。由此得出的教訓是進行完整性測量時應定期檢測通風口是否堵塞，同時，應檢測在工廠驗收試驗時是否清潔。

3.0 FPSO柔性立管潛在的失效原因

3.1 溫度

相對于鋼制立管，柔性立管可接受的溫度范圍要低一些。而且考慮柔性立管外部的一些地方(如末端裝置)也會由于長時間在“高”溫度下導致性能衰減。以下為應用于柔性立管內部抗壓層的聚合物材料。

1)聚酰胺-11(PA-11)

在長時間高溫作用并且飽和度超過80%的液/氣混合流作用下，這種聚合物對自由態水以及溶解態水都很敏感。另外，如果水的成分中PH值較低，也會加速立管的老化，因為酸類以及化學反應會對聚合材料產生不利的影響。當然，這取決于酸的濃度與作用時間。

2)聚偏氟乙烯(PVDF)

PVDF作為立管的內壓防護層在英國地區被廣泛使用。該材料對含水量不敏感，并且能夠能在溫度升高的條件下抵御大多數油氣中的化學物質。PVDF相對PA-11有更高的熱膨脹系數，所以，也更容易在熱循環應力作用下產生裂紋。API 17J規定PVDF允許的最大應變量為3.5%。

3)高密度聚乙烯(HDPE)

HDPE并沒有作為抗壓層材料被廣泛使用，一般用于注水管以及低壓/低溫的液體產品。HDPE有良好的耐酸(取決于濃度)以及耐水能力。這種聚合物對氧化敏感，由于聚合物的應變以及溫度，可能出現環境載荷應力裂紋。

3.2 壓力

操作壓力越大，疲勞和減壓過程所造成的性能衰減就越大。立管的內部壓力引起的柔性立管系統不同層之間的高接觸壓力，導致了應力大幅增加。壓力也增加了立管磨損造成的傷害以及由于在腐蝕環狀環境中所造成的腐蝕-疲勞損傷。

3.3 產液成分

CO2，H2S氣體水溶液會加速腐蝕，液體中的酸性以及飽和水的成分會對淹沒環形空間內的碳鋼裝甲線的性能衰減以及PA-11壓力層的老化產生不利影響。

3.4 疲勞

疲勞損傷也是導致立管性能衰減的重要原因。立管疲勞的敏感區域（取決于水深以及系統設計）一般在抗彎加強筋或喇叭口區域、觸地點、中部水深拱曲、垂彎曲以及中拱區。在腐蝕性環境、高溫壓的CO2/H2S、高應力的情況下，立管的疲勞壽命會顯著減少。

3.5 腐蝕

腐蝕本身并不是柔性立管性能衰減的主要原因。柔性立管的不銹鋼內襯管或者裝甲線的腐蝕速率取決于環境，也取決于材料選擇以及材料與管內流體的契合程度。

3.6 磨損

不銹鋼內襯管的磨損與管的彎曲有關，彎曲半徑越小，潛在的磨損等級越高。潛在的磨損與流體速度，含沙量，運輸的是氣體或者液體直接有關。干氣體比液化氣的磨損能力要高。含沙量是磨損首要考慮的因素。不銹鋼內襯管上的材料磨損被認為是柔性立管上的失效點。

3.7 水垢/蠟質的形成

柔性立管內水垢的形成會造成堵塞，并影響到立管的柔性、質量以及極限破裂情況。另外，水垢對防止立管老化可能起到好的影響，因為水垢在立管的聚合物壓力層上起到絕緣的作用。

3.8 渦激振動

由于流體流過不銹鋼內襯管的突擴或突縮，導致了渦激振動。在特定的流量下，渦激振動的頻率與立管結構的固有頻率接近，可以產生共振現象，這種現象很容易發生。雖然還沒有柔性立管因為這種原因而造成損壞，這個問題依然值得關注。

3.9 輔助設備

與柔性立管一起使用的輔助設備也是完整性管理策略當中的一部分。

1)浮力塊

在服役過程中浮力塊的丟失依然不可避免，并且立管系統外形設計的強度決定了類似的事件的重要性。應充分評估浮力塊缺失所產生的影響。

2)抗彎加強筋與轉塔/甲板的接口

作為立管完整性管理的一部分，抗彎加強筋與浮體或者固定式結構的接口是柔性立管的關鍵部位。抗彎加強筋處在一個不容易進行詳細檢查的地方，因此，對于抗彎加強筋與轉塔/甲板的接口，進行組裝的基本水平的檢查就需要進行嚴格限制。

對于抗彎加強筋與轉塔/甲板連接結構的陰極保護系統也應處在監控狀態下。低水平的保護導致腐蝕以及疲勞問題，而過高水平陰極保護則容易引起氫脆現象。

3)立管基座

立管基座把柔性立管限制為特定的形狀，需要對基座的過度旋轉、軸承載荷等方面進行監控。

3.1 0意外事故

意外事故包括物體掉落、碰撞、拖錨、重物滑落等等。根據沖擊的嚴重程度以及立管所采取的防護程度，它們會對柔性立管會造成不同程度的破壞。大部分的損傷或者失效發生在立管安裝過程。

由于意外事故，會造成在聚合材料中的溝、刻痕等沖擊損傷。對于這種損傷需要及時進行評估，防止潛在的裂紋增長。

3.1 1制造缺陷

1)輔助設備

輔助設備上不合格的焊接質量以及不規范的焊口形狀將縮短使用壽命。

噴漆保護系統或者陰極保護系統設計應該符合DNV RP B401標準。在陰極保護系統中，使用高強度的螺栓或者雙頭螺栓可能容易受氫脆的影響，應遵守陰極保護兼容性優先的原則。

與抗彎加強筋和轉塔裝配的關鍵的法蘭連接如果采用了不合適的雙頭螺栓連接，就會在連接處產生極大的疲勞載荷。在關鍵部位不應使用人工上緊。

2)抗彎加強筋

抗彎加強筋易受聚亞安酯以及金屬鑲嵌塊中的制造缺陷的影響，應該對抗彎加強筋以及保護外套上的疲勞敏感區域加以足夠的重視。推薦對抗彎加強筋中的高應力焊縫進行保護，防止暴露在海水中，從而避免潛在的腐蝕疲勞情況。

聚亞安酯與金屬鑲嵌塊的連接非常重要，不合格的金屬與聚合物的連接會導致抗彎加強筋過早失效。