非粘結撓性復合軟管常見失效模式與失效原因分析

王長學，王鴻軒，高凌霄

非粘結撓性復合軟管常見失效模式與失效原因分析

王長學，王鴻軒，高凌霄

（中海油（天津）管道工程技術有限公司，天津 30045）

根據非粘結撓性復合軟管常見失效模式，結合軟管各結構層成型方式、材質、功能以及所處環境進行分析，闡明非粘結撓性復合軟管失效誘因以及失效的后果，有助于提高生產企業及使用單位的安全使用意識，有助于復合軟管監檢測的研究創新，有助于軟管行業的快速健康發展。

非粘結；軟管；失效

非粘結撓性復合軟管作為一種新型管材，由于具備耐腐蝕、彎曲剛度低、地形適應性好、單根管段長鋪設便捷、綜合成本低等優勢，目前中海油渤海、南海海域已經大量應用，現已服役軟管長度 超200 km。

典型軟管結構由骨架層、內壓密封層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層、外包覆層構成[1]。由于各個結構層既相互獨立，又相互配合，使得各個結構層功能得以發揮，從而實現管體結構功能；各結構層材質存在差異，且所處環境不同，導致復合軟管具備多種失效模式。本文目的在于針對軟管典型失效模式，分析軟管失效的誘因及失效原因，有助于提高生產企業及使用單位的安全使用意識，有助于復合軟管監檢測的研究創新，有助于復合軟管行業的快速健康發展。

1 軟管常見失效模式

1.1 軟管結構

非粘結撓性復合軟管結構如圖1所示。

圖1 非粘結撓性復合軟管

1.2 軟管失效類型

1.2.1 骨架層失效模式[2]

骨架層材質為不銹鋼，由鋼帶互鎖纏繞而成，其主要功能為支撐內管，防止內壓密封層承受外壓時產生壓潰。常見失效模式為骨架層腐蝕、解鎖變形、壓潰等，如圖2、圖3所示。

圖2 骨架層腐蝕

圖3 解鎖變形

1.2.2 內壓密封層失效模式[2]

內壓密封層的主要作用是對輸送的流體起到密封的作用，該層是由聚合物擠塑而成，其主要失效模式為老化、蠕變與起泡失效，如圖4至圖6所示。

圖4 老化

圖5 蠕變

圖6 起泡

1.2.3 抗壓鎧裝層失效模式

抗壓鎧裝層主要作用為抵抗來自于內壓和外部壓潰載荷的徑向力。該層是由Z字型金屬帶互鎖纏繞而成，該金屬帶的材質為碳鋼。其常見失效模式為腐蝕與解鎖變形失效，如圖7、圖8所示。

圖7 腐蝕失效應力開裂

圖8 解鎖變形

1.2.4 抗拉鎧裝層失效模式[2]

抗拉鎧裝層扁鋼為軟管提供軸向強度，軸向力可由內壓、重量、外部的動態載荷和安裝期間的拉伸力產生。該層的扁鋼由碳鋼制造，常見失效模式為腐蝕失效、疲勞斷裂、鳥籠，如圖9至圖11所示。

圖9 腐蝕失效

圖10 疲勞斷裂

圖11 鳥籠

1.2.5 外包覆層失效模式[2]

外包覆層的主要功能是阻止外部海水進入金屬鎧裝層，保護金屬鎧裝層防止海水對其造成腐蝕，同時也抵抗外部機械載荷對軟管的損傷。其常見失效模式為第三方造成外包覆層破損、外包覆層磨損、排氣系統異常導致外管破裂，如圖12至圖15所示。

圖12 老化開裂

圖13 第三方造成外包覆層破損

圖14 外包覆層磨損

圖15 排氣系統異常導致外管破裂

2 軟管失效原因分析

2.1 骨架層失效原因

2.1.1 腐蝕缺陷

骨架層直接與內部輸送介質接觸，輸送介質中CO2、H2S等氣體均會造成骨架層不銹鋼材料腐蝕，其腐蝕主要體現為均勻腐蝕、點腐蝕、沖刷腐蝕和SSC/HIC應力腐蝕。腐蝕的發生導致骨架層整體或者局部減薄，從而管體抗徑向外壓潰能力降低，管體易發生壓潰或橢圓；同時骨架層抗軸向拉伸能力降低，骨架層互鎖結構易發生變形或解鎖。

管體服役期間應關注內部輸送介質變化、輸送工況變化等，關注骨架層材料腐蝕狀況，確保骨架層材料腐蝕在可接受范圍內。

2.1.2 解鎖變形失效

骨架層互鎖結構具有彎曲撓性，但當彎曲半徑小于最小彎曲半徑、管線受到過大的外部拉力或是受到過大的外部壓力，骨架層互鎖結構受到過度擠壓，則容易發生變形或是解鎖，甚至是壓潰。

管體服役期間，由于海流沖刷導致管體埋設狀態發生變化，造成管體局部隆起以及懸跨，應關注管體在位狀態的彎曲半徑，避免出現過度彎曲現象，隆起及懸跨部位即時進行填埋壓塊處理。

2.2 內壓密封層失效原因

2.2.1 材料老化失效

內襯層和外包覆層是由高分子聚合物材料連續擠出制成，其作用為密封管道內的輸送流體，其直接與內部輸送介質接觸。非金屬材料在服役期間隨著使用時間的延長，材料性能衰退。材料性能衰退與輸送介質、溫度、pH、壓力等直接相關。通常生產廠家會針對目標應用環境進行老化壽命計算，但是當現場工況發生變化如溫度升高、介質組分變化、化學藥劑加入等均會影響材料老化速度。材料老化后力學性能衰退、韌性降低、裂紋敏感性降低，當其性能下降至低于應用工況要求時，會導致內壓密封層裂紋、斷裂、起泡等，從而引起失效。

服役期間應嚴格控制服役工況如溫度、壓力、介質組份、化學藥劑等，當運行工況發生重大變化時，宜進行適應性評價，確保材料老化壽命滿足服役要求。

2.2.2 蠕變引起密封失效

內壓密封層密封管道內輸送介質，其端部通過密封圈與內壓密封層之間擠壓形成密封。當內壓密封層材料隨服役年限增長，內壓密封層材料會發生蠕變，即內壓密封層材料發生變形導致密封圈與其之間擠壓力降低，從而引起密封面長度減少、密封壓力降低，進而引起密封失效，從而導致內壓密封層的密封與固定失效，管體發生泄漏。

2.2.3 材料起泡失效

若管體內輸送介質含氣體，如小分子氣體如甲烷、乙烷、CO2、H2S、水蒸氣等，小分子氣體會在內壓驅動下滲透穿過內壓密封層進入環形空間。管體停輸泄壓速度過快，則滲透至內壓密封層內的氣體快速釋，引起內壓密封層材料起泡，導致材料力學性能降低引起失效。

現場作業過程中應嚴格控制降壓速率，建議采取逐級降壓并穩壓的方式。

2.3 抗壓鎧裝層失效

2.3.1 腐蝕缺陷失效

抗壓鎧裝層介于內壓密封層與外包覆層之間，其不直接與內部輸送介質接觸，也不與外部海水介質接觸，其處于管體環形空間內。如2.2.3節中所述，小分子氣體中CO2、H2O以及H2S滲透至環形空間內，從而對抗壓鎧裝層碳鋼材料造成腐蝕甚至引起硫化物應力開裂?？箟烘z裝層為“Z”字形互鎖結構，腐蝕發生引起金屬層減薄，造成抗內壓能力降低；同時腐蝕會引起互鎖結凸臺減薄，進而引起抗壓鎧裝層結構解鎖。

管體服役期間，應關注環形空間內氣體組分及分壓，預測碳鋼材料腐蝕狀況。

2.3.2 解鎖變形失效

抗壓鎧裝層解鎖變形失效與骨架層解鎖變形失效機理一致，詳見2.1.2節。

2.4 抗拉鎧裝層失效

2.4.1 腐蝕失效

抗拉鎧裝層腐蝕失效與抗壓鎧裝層腐蝕失效機理一致，詳見2.3.1節。

2.4.2 疲勞斷裂

抗拉鎧裝層主要功能在于承受管體軸向拉伸荷載。針對于動態立管，波浪和水流作用到柔性立管和浮力塊上引起的動態載荷的不確定性，導致管道處于長期低頻拉伸負載下。立管接頭尾部位置扭矩不能釋放，扁鋼易于發生疲勞斷裂。

宜重點關注柔性立管接頭尾部立管位置，扁鋼發生斷裂，則管體外徑發生變化，且管體抗拉層失穩，管體發生扭轉變形。

2.4.3 崎嶇/鳥籠

當軟管受到軸向壓縮時，抗拉鎧裝層金屬線材向徑向移動，并產生高彎曲應力，導致軟管各層間產生間隙，過大的壓縮載荷會造成軟管徑向崎嶇，導致各金屬線材排列失序，造成抗拉鎧裝層結構失穩膨脹散開，并導致外包覆層破損。

2.5 外包覆層失效

2.4.1 材料老化失效

外包覆層老化失效機理與內壓密封層老化機理基本一致，詳見2.2.1節，但其不與內部介質接觸，而是直接與海水接觸，同時陽光照射會造成材料紫外老化。

2.4.2 外包覆層破損

軟管外包覆層破損是軟管主要失效模式，造成軟管外包覆層破損的誘因包括：第三方造成損傷、隆起與懸空管體根部磨損、由于過度彎曲引起的張力導致外包覆層破裂。

軟管外包覆層破損并不會直接導致管體結構功能失效，但其會導致海水進入軟管環形空間，造成環形空間內抗壓、抗拉層碳鋼鋼帶的腐蝕，導致管體抗壓、抗拉能力降低，進而導致管體發生失效。

2.4.3 外包覆層爆破

管體環形空間由于由氣體滲入，導致環形空間內存在氣體壓力。通常軟管接頭端部會安裝排氣閥門，當環形空間內壓力與外界壓力壓差達到排氣閥打開壓力時，排氣閥自動打開并排氣。

排氣閥位于管體接頭端部，由于外部異物或是海生物導致排氣閥不能正常打開，會導致軟管環形空間氣體壓力升高，導致軟管外包覆層破裂。

3 結束語

通過以上對非粘結撓性軟管的失效模式及失效原因的分析可知，軟管各結構層功能、成型方式、材質以及所處環境條件存在差異，各結構層存在多種失效模式。目前軟管監檢測通常采用鋼管的監檢測技術手段進行，但軟管各結構層失效模式與鋼管失效模式存在較大差異，亟須研發針對于軟管失效模式的監檢測技術手段。針對于軟管的失效模式，開展針對性監檢測技術開發，有助于減少軟管運行服役風險，提高軟管運行安全性。

［1］API SPEC 17J,Specification for Unbonded Flexible Pipe[S]. American Petroleum Institute,2009.

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［3］API RP 17B,Recommended Practice for Flexible Pipe[S].American Petroleum Institute, 2008.

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［7］LEIRA B,BERGE S,FERGESTAD D,et al.Life time extension of flexible risers:a generic case study[C]. Offshore Technology Conference,2015．

Analysis of Common Failure Modes and Failure Causes of Unbonded Flexible Pipe

,,

（CNOOC (Tianjin) Pipeline Engineering Technology Co., Ltd., Tianjin 300452, China）

According to the common failure modes of non-bonded flexible pipe, combined with the analysis of the forming method, material, function and environment of each structural layer of the pipe, the failure causes and consequences of non-bonded flexible composite pipe were clarified, which is helpful to improve the safety awareness of production enterprises and users, research and innovate composite pipe monitoring and testing methods.

Unbonding; Flexible pipe; Failure

2021-09-18

王長學（1988-），男，天津市人，工程師， 2011年畢業于山西農業大學生物技術專業，研究方向：管道腐蝕與防護。

P756.2

A

1004-0935（2022）06-0837-05