柔性立管運(yùn)營風(fēng)險分析與維護(hù)管理建議

杜圣道

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳518000）

1 概述

海洋油氣柔性立管是海上油氣田開發(fā)工程重要的設(shè)施之一，是FPSO（浮式生產(chǎn)儲卸油系統(tǒng)）油輪上連接輸油輸氣海底管道的重要組成部分。柔性立管長期位于水下，管道內(nèi)層為脫鹽脫水后的油氣、管道外側(cè)為海水，柔性立管受外界洋流、浪涌、溫度變化、臺風(fēng)等長期作用可能造成疲勞，海生物的生長、管內(nèi)介質(zhì)的溫度、壓力、流速等，改變?nèi)嵝粤⒐苁芰顟B(tài)和承壓狀態(tài)、腐蝕速率等。由于鋼帶在大部分時間內(nèi)處于滑移狀態(tài)，其與相鄰層之間的摩擦系數(shù)將對疲勞損傷結(jié)果產(chǎn)生巨大的影響（柔性立管結(jié)構(gòu)與各層名稱如圖1、表1）。因此，影響柔性立管實際壽命的風(fēng)險因素可歸納為腐蝕和疲勞的雙重作用。

2 柔性立管面臨的風(fēng)險分析

冷凝水在環(huán)空層形成后不易排出管外，可能部分甚至全部充滿環(huán)形空間。冷凝水在CO2/H2S 的作用下形成腐蝕性環(huán)境，誘發(fā)環(huán)空金屬層發(fā)生腐蝕，在“腐蝕-疲勞”雙重作用下縮短管道服役壽命，因此腐蝕環(huán)境對柔性立管的壽命影響至關(guān)重要。

運(yùn)營期間定期對FPSO 柔性立管環(huán)形空間進(jìn)行檢測監(jiān)測，如果環(huán)空層已形成腐蝕環(huán)境，那么抗拉層鋼帶應(yīng)該也已經(jīng)發(fā)生腐蝕，腐蝕會造成鋼帶截面尺寸減小，并且可能會造成摩擦系數(shù)增大。在無具體測量數(shù)據(jù)的情況下，為了考慮由于腐蝕而造成鋼帶減薄的影響，可根據(jù)國外油田實際工程項目的經(jīng)驗，可假設(shè)鋼帶的腐蝕速率為每個截面均腐蝕0.02mm/year，根據(jù)立管服役時間，可估算出鋼帶的實際截面尺寸，考慮腐蝕所造成的表面粗糙度增加，摩擦系數(shù)取規(guī)范中定義的上限0.2。保守計算，如果考慮鋼帶發(fā)生腐蝕，摩擦系數(shù)選取最大值，校驗最終計算得到的疲勞壽命是否能夠滿足運(yùn)營要求。

另外根據(jù)FPSO 所處的海洋環(huán)境，浪涌、洋流、bend stiffener（彎曲保護(hù)器）所處環(huán)境溫度、內(nèi)部輸送介質(zhì)密度、內(nèi)部運(yùn)行壓力、立管上端外部靜水壓、立管下端外部靜水壓，均會改變?nèi)嵝粤⒐艿氖芰顟B(tài)，對柔性立管的疲勞構(gòu)成威脅。因此，除設(shè)計階段充分考慮洋流、浪涌、臺風(fēng)的外力之外，運(yùn)營階段也要嚴(yán)格控制輸送介質(zhì)的參數(shù)，保證各項參數(shù)平穩(wěn)且在設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)。

3 基于腐蝕監(jiān)測的疲勞分析

當(dāng)前柔性立管運(yùn)營管理還不夠規(guī)范化，部分油田柔性立管在運(yùn)營期間未進(jìn)行過環(huán)空的檢測與化驗分析，相關(guān)歷史基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較為缺乏。近年來，隨著設(shè)備設(shè)施完整性管理的逐漸完善，柔性立管環(huán)空檢測工作等越來越廣泛應(yīng)用。從某FPSO 柔性立管環(huán)空檢測的結(jié)果判斷，環(huán)空金屬盡管采用了具有一定耐酸性的“Sour 800 grade”材料，但由于環(huán)形空間大部分已浸沒在海水中，加之內(nèi)管CO2、H2S 等酸性氣體的滲透，在環(huán)空中形成了非常復(fù)雜的腐蝕環(huán)境，金屬材料局部發(fā)生中等甚至嚴(yán)重腐蝕程度的可能性較高，但真實的腐蝕狀態(tài)以及對未來腐蝕速率的預(yù)測難以量化確定。

根據(jù)某柔性立管廠家給出的操作與維護(hù)手冊，環(huán)空一旦暴露在海水中，其服役壽命將顯著降低。由于缺少歷史檢測數(shù)據(jù)，柔性立管環(huán)空目前真實的腐蝕狀態(tài)與腐蝕速率未知，僅通過軟件計算預(yù)測的軟管剩余壽命不能作為運(yùn)營管理的唯一參考依據(jù)。

為了確定柔性立管外保護(hù)層是否存在疲勞裂紋型損傷，建議盡快采用ROV 水下機(jī)器人對外保護(hù)層的完整性開展排查，還可以用磁力應(yīng)變檢測系統(tǒng)MAPS、數(shù)字成像技術(shù)CT、電磁波技術(shù)等給出準(zhǔn)確的鋼帶腐蝕數(shù)據(jù)。根據(jù)排查結(jié)果評估嚴(yán)重程度，確定損傷等級并根據(jù)廠家推薦的方法進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)實際檢測得到的鋼帶減薄尺寸，進(jìn)行疲勞壽命的評估更加具有參考性。

如果環(huán)空檢測氣體樣本、液體樣本的酸性、金屬離子等均在正常范圍內(nèi)，則不必采用ROV 水下機(jī)器人等進(jìn)行柔性立管的完整性排查，可采用經(jīng)濟(jì)便捷的軟件模擬方法，計算的柔性立管危險點、預(yù)測的剩余壽命可作為運(yùn)營管理的重要理論依據(jù)。

圖1 柔性立管結(jié)構(gòu)示意圖

表1 柔性立管各層材料名（右）

4 維護(hù)管理建議

一旦發(fā)現(xiàn)立管段環(huán)形空間存在腐蝕環(huán)境，從柔性立管完整性管理的角度，建議對柔性立管定期進(jìn)行環(huán)空檢測，并對檢測結(jié)果保持長期記錄，為使用壽命后期的壽命評估提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。并且建議定期使用ROV 或潛水員對立管外包覆層的完整性以及犧牲陽極的消耗進(jìn)行觀測和記錄。尤其針對環(huán)空層已經(jīng)被基本浸沒的情況，必須要保證其環(huán)空排氣閥的通暢性。具體建議如下：

（1）水下ROV 或潛水員外部目視檢測，檢測內(nèi)容包括：外包覆層完整性、立管附屬構(gòu)件完整性、立管構(gòu)型及路由、海生物附著情況。確保外包覆層無破損，立管附屬構(gòu)件無脫落、破裂、腐蝕等情況，立管構(gòu)型及路由與設(shè)計相比無重大偏離，監(jiān)測海生物附著厚度。

（2）環(huán)空排氣閥檢查，確保環(huán)空排氣通暢，尤其對于柔性立管下端接頭，如有海生物附著堵塞排氣通道則需要及時進(jìn)行清理。

（3）犧牲陽極檢查，檢查犧牲陽極消耗情況，根據(jù)犧牲陽極的消耗速率，可以判斷是否有外包覆層破損導(dǎo)致金屬層發(fā)生腐蝕的情況發(fā)生。

（4）運(yùn)行溫度監(jiān)測，監(jiān)測有無超溫情況并記錄運(yùn)行數(shù)值；運(yùn)行壓力監(jiān)測，監(jiān)測有無超壓情況并記錄運(yùn)行數(shù)值。

（5）抗拉層鋼帶腐蝕尺寸檢測，由于本次環(huán)空檢測所給出環(huán)空層內(nèi)的腐蝕環(huán)境情況推斷柔性管抗拉層鋼帶應(yīng)該已經(jīng)開始發(fā)生腐蝕，但是具體的腐蝕程度需要通過相關(guān)檢測（如磁力應(yīng)變檢測系統(tǒng)MAPS、數(shù)字成像技術(shù)CT、電磁波技術(shù)）給出準(zhǔn)確的鋼帶腐蝕數(shù)據(jù)，并根據(jù)給出的鋼帶減薄尺寸重新計算疲勞壽命。

（6）定期環(huán)空檢測，在未來設(shè)計使用年限內(nèi)，建議每2 至3 年進(jìn)行一次環(huán)空檢測，以便掌握環(huán)形空間的動態(tài)變化情況和外包覆層的完整性，以及排氣系統(tǒng)的通暢性，為立管的安全運(yùn)行提供保障。