海底油氣管道腐蝕失效風險及預警方法

王亞儒(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6作業公司，天津 300459)

0 引言

海底管道屬于海洋油氣運輸的主要模式，如果管道發生問題，就會嚴重影響到油氣的運輸效率，并污染環境，要是非常嚴重還會導致人員傷亡和財產大量損失，可見腐蝕影響非常大，必須采取有效的預警方法。預警是現階段避免海底油氣管道腐蝕失效風險的主要方法。文章借助極限狀態方程和蒙特卡羅法，確定出了海底管道腐蝕失效的預警等級與界限，并成立了海底油氣管道腐蝕失效風險預警模型，進而開展研究[1]。

1 海底管道腐蝕失效的探究

1.1 海底油氣管道腐蝕失效的類型

首先，根據海底管道腐蝕失效的部位可將腐蝕分成兩種類型，即內腐蝕與外腐蝕。其中，導致內腐蝕的原因包括：防腐設計不合理、施工質量不過關以及防腐管理不到位等等。其次，根據海底管道腐蝕的形式以及海底管道腐蝕的特點可將腐蝕分成兩種類型，即體積型腐蝕與平面型腐蝕。其中，常見的海底油氣管道體積型腐蝕有3種，分別為：均勻腐蝕、局部腐蝕以及點腐蝕；常見的海底油氣管道平面型腐蝕有兩種，分別為：焊接裂紋腐蝕與應力裂紋腐蝕。對于均勻腐蝕來說，此腐蝕會勻稱分布在管道的表面；對于局部腐蝕來說，此腐蝕會集中分布在管道的某個區域，根據區域的不同還可將腐蝕分成以下幾種情況，分別為：電偶腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、磨損腐蝕與氫脆腐蝕；對于點腐蝕來說，此腐蝕會不斷向深處蔓延，最終造成油氣管道出現腐蝕穿孔現象。

1.2 導致海底油氣管道腐蝕失效的主要原因

導致海底油氣管道腐蝕失效的原因就是海水腐蝕，因為海洋中具有多種鹽類、微生物、泥沙以及溶解氣體等等，這些物質都具有很大的腐蝕性，所以導致海水對油氣管道的腐蝕性極大。通常影響腐蝕速度的因素有很多，如：鹽的種類、鹽的濃度、溫度、氧含量、流速以及海洋生物等。另外，因為海水中具有許多高濃度的氯離子，使得金屬在海水中難以鈍化，僅有少量的金屬會在海水中鈍化，由于海水的導電性很強，所以腐蝕速度非常快。因此，必須注意海底油氣管道腐蝕情況，尤其是海洋大氣區與飛濺帶處，這些位置非常容易發生腐蝕。

1.3 海底油氣管道腐蝕失效的后果

因為海洋環境會給油氣管道帶來很大的腐蝕風險，如果管道出現失效情況，其后果都是極其嚴重的，輕則導致油氣泄漏，污染生態環境，重則會造成停工，引發火災等情況。據調查發現，過去的20多年間，我國共出現了19件海底管道失效情況，基本上每年至少發生1件泄漏事件。海底油氣管道的腐蝕失效后果是難以想象的，帶來的后果是難以承受的，相關單位和企業必須重視管道腐蝕的失效性，及時的發現問題，同時及時解決問題。

2 海底油氣管道失效風險預警過程

海底油氣管道會受許多因素的影響，極易發生腐蝕失效情況，常見的影響因素包括：管材性能、介質屬性、周圍環境以及防護設施等。通常腐蝕失效有兩種情況，一種是隨著時間的增加，腐蝕深度會越來越大，直到穿透管道，使其出現泄漏，另一種是管壁的局部越來越薄，使得承壓能力越來越小，當運行壓力大于腐蝕處的壓力時，管道就會于此產生破裂，從而造成管道泄漏。要想避免海底油氣管道發生腐蝕失效，就必須采用風險預警機制，經過識別和探究造成管道腐蝕失效風險的原因，來判斷失效風險的現狀，并預計失效風險的趨勢，通過趨勢分析油氣管道失效的可能性，對分析的結果進行及時的措施處理，采取合理的方法和控制措施。風險預警的整體過程中比較繁瑣，涉及到的環節比較多，具體分為以下幾個大步驟，主要包括：腐蝕失效風險分析、評估和預測。具體工作內容主要包括以下3方面：(1)大量的收集相關信息，主要收集的是管道的屬性和規格等等數據，通過分析出的數據判斷腐蝕的程度和速率，通過相關模型分析，預測失效的風險和趨勢；(2)因為腐蝕原因不確定，所以應當利用概率分析管道腐蝕失效的機制；(3)參照有關標準規范確定管道風險等級，并依據失效風險程度得到預警的警度，從而分析警度能否接受，以決定是否使用預警方法排除風險[2]。

3 海底油氣管道腐蝕失效風險預測模型

3.1 失效極限狀態下的方程

因為結構性能是在極限狀態下展開的，所以極限狀態是區別結構是否可靠的界限狀態。用隨機變量X=(X1，X2，……，Xn)表示影響結構性能的基本隨機變量，用功能函數g(X)表示結構的工作狀態，于是結構工作狀態可用以下3種形式展開表現，第一種形式是Z=g(X)>0，代表結構可靠；第二種形式是Z=g(X)=0，代表結構處于極限；第三種形式是Z=g(X)<0，代表結構失效。把結構極限狀態方程作為結構承載力和外界載荷的差值，就能得到：

式中：Z為結構功能函數；C為結構承載能力；L為結構外界載荷。

對于腐蝕穿孔極限狀態下的方程來說，其主要采用的是挪威船級社規范，并根據管道單腐蝕失效類型得出管道的最大腐蝕深度不可大于管道壁的85%，所以管道腐蝕穿孔的極限狀態下的方程就可用最大腐蝕深度和實際腐蝕深度之間的差進行表示：

式中：Zd為腐蝕穿孔的結構功能函數；dc為管道最大腐蝕深度，在此為管壁厚的85%；d(T)為管道實際腐蝕深度。因為管道的實際腐蝕深度和腐蝕速率有著很大的關系，當管道出現腐蝕現象時，其腐蝕會向管道的軸向與徑向不斷延伸，所以腐蝕可從兩個參數展開研究，即軸向長度和徑向深度，由此腐蝕過程的表達式具有以下兩個，分別為：

式(3)～(4)中：d0為管道最初的腐蝕深度；vd為徑向腐蝕速率；L(T)為管道軸向腐蝕長度；L0為軸向最初的腐蝕長度；vl為軸向腐蝕速率；T為預計時間；T0為初始時間。對于破裂失效極限狀態下的方程來說，其主要采用的是管道破裂失效機制，所以破裂失效極限狀態下的方程可用管道失效壓力和正常運行壓力的差進行表示，即：

式中：Zp為管道破裂失效的結構功能函數；Pf為管道腐蝕處的失效壓力；Po為管道正常運行壓力，通常管道的正常運行壓力是可以確定的，所以僅需要計算腐蝕處的失效壓力。

3.2 海底油氣管道腐蝕失效概率的確定

經過對腐蝕數據的調查研究能夠發現，管道腐蝕速率的變化是有統計性的，特別符合隨機過程，其中蒙特卡羅法就是運用的隨機形式，通過隨機變量的數值序列得出近似解的一種方法，此方法非常適合用在具有確定概率模型的數學求解當中，所以蒙特卡羅法能夠良好用于海底油氣管道腐蝕失效極限狀態當中，能夠準確得出管道腐蝕失效的概率。通過管道腐蝕失效極限狀態下的方程和結構3種運行狀態就能得到管道腐蝕失效概率Pf的表達式，即Pf=P(Z<0)，然后運用計數法得到管道腐蝕失效概率，就是在模擬過程中記錄結構失效(Z<0)的次數，最后通過失效次數和總模擬次數之比就能得出失效頻率，也就是失效概率[3]。

4 海底油氣管道腐蝕失效風險預警方法的實例

在此以某海底油氣管道為例，此海底油氣管道的長度是500 m、外徑是711.2 mm、管壁厚度是14.3 mm，運行壓力是6.7 MPa，管道運用的是API5LX60材料，屈服強度是480 MPa，初始腐蝕深度是2 mm、初始腐蝕長度是4 mm。通過數學分布可知此管道的徑向腐蝕速率呈正態分布狀，即N(0.396 8，0.141 2)。因為軸向和徑向的腐蝕原因一樣，所以就將軸向腐蝕速率視為徑向腐蝕速率的2倍。

4.1 海底油氣管道腐蝕失效風險預警的界限確定

根據腐蝕深度允許值的相關標準，在此就將腐蝕深度的允許值和允許值的90%、60%、30%視作預警的閾值，從而確定了腐蝕深度預警的界限。在此依據的標準為DNV-RP-F107，將其規定的4類管線臨界失效概率用作預警的閾值。

4.2 海底油氣管道腐蝕穿孔風險預警的方法

從海底油氣管道腐蝕深度情況可知，管道在0～4.2年之間，都處于正常腐蝕當中，呈無警狀態；管道在4.2～13.4年之間，管壁會變薄，不過泄漏情況極低，呈現輕警狀態；管道在13.4～22.5年之間，管壁會更薄，泄漏情況會加大，此時呈中警狀態，需要注意；管道在22.5～25.6年之間，管壁會顯著變薄，極易發生泄漏，所以會呈現重警的狀態，必須采用一些控制方法，避免腐蝕加重；管道在25.6年以上，腐蝕深度會大于允許值，極易泄漏，所以呈巨警的狀態，必須立即降壓、修管。我們知道腐蝕深度預警在不同時期具有不同的狀態，表現在初期和中后期時表現的比較保守，這兩個時期表現的比較保守。在具體的實際發展過程中管道在初期時腐蝕的程度不深，腐蝕的面積比較少，整體的結構強度很大，前期預警不需要保守值，隨著時間的推移，管道中后期的腐蝕會不斷的加深，隨著腐蝕程度的加深，管道的結構屬性會發生變化，管道的結構屬性會不斷的下降，這時的預警值會比較的保守，我們知道管道腐蝕會受到許多外界因素的影響，主要的影響因素包括：環境、人工操作等，由于受到外界環境的影響，管道腐蝕的趨勢不會呈現出線性的變化，這時管道腐蝕穿孔概率的預警會更加的可靠和可信，這種預警會與實際的情況比較貼切和吻合。

4.3 關于海底油氣管道腐蝕破裂失效風險的方法

通過海底油氣管道腐蝕破裂失效概率情況可知，破裂概率處于預警下限 10-5、10-4、10-3、10-2時的年份分別對應的是13.4年、14.8年、17年、22年。管道在0～13.4年之間，管道壁的減少量很低，管道強度能夠良好承受運行壓力，管道呈無警狀態；管道在13.4～14.8年之間，管道壁會略有減少，所以呈輕警狀態；管道在14.8～17年之間，管道壁會不斷變薄，所以呈應中警狀態；管道在17～22年之間，管道破裂失效概率會處于10-3～10-2，表明管道在此期間很可能出現一次破裂失效，所以呈重警狀態；管道在22年以上時，失效概率會大于10-2，表明管道在此期間至少出現一次破裂失效情況，所以呈巨警狀態，應當立即使用有效的管控方法，以防止腐蝕發生，避免大范圍泄漏情況出現[4]。

4.4 海底油氣管道腐蝕失效剩余壽命的預警方法

首先，通過概率預計管道失效剩余壽命，將重警的下限視為臨界失效概率，就能得到管道腐蝕穿孔的剩余壽命是15年，管道破裂的剩余壽命是17年。另外，因為管道在15年的時候是腐蝕穿孔的轉折處，在14年的時候是破裂概率的轉折處，所以管道失效概率于此很可能突變，因此在該時間的時候，需要特別關注管道的運行情況，并制定檢修方案，加大管道的運行時間，腐蝕可以直接影響管道的運行時間，腐蝕失效的后果是比較嚴重的，因此，必須要保障管道的使用壽命[5]。

5 結語

通過上述內容可知，海底油氣管道經常發生腐蝕失效與破裂失效情況，必須運用有效的預警方法，成立海底油氣管道腐蝕失效風險預警模型，以準確對海底油氣管道腐蝕失效展開預警。因為管道的運行時間越長，管道的腐蝕程度與腐蝕失效概率會越大，所以在預計失效年份及預警級別時，應當結合管道腐蝕深度、失效概率、腐蝕失效預警等級展開，從而準確判斷失效的主要年份與預警等級，給管道失效風險防范帶來幫助，同時還能得到管道的失效概率突變時期，在此期間必須高度重視管道的運行情況，運用管控方法，避免泄漏情況出現。未來，風險預警評估會有更大的發展空間，可以應用在更多的領域。希望文章內容能對相關單位和企業有所幫助。