非粘結柔性立管抗拉層扁鋼斷裂失效監檢測技術現狀研究

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 300452）

由于石油勘探開采能力的提升，目前海洋石油已經由近海向深水區、超深水區發展。隨著越來越多的非粘結復合柔性立管應用于油田領域，其在役監檢測工作也日益受到廣泛關注。撓性立管失效的主要模式之一是抗拉鎧裝層扁鋼斷裂失效[1]。研究經驗表明抗拉層扁鋼失效主要發生在立管接頭尾部或立管彎曲限制器尾部，靠近立管末端的位置[2-3]。個別抗拉層扁鋼失效并不能直接導致柔性立管立即發生破壞，但是隨著扁鋼斷裂數量增加，其他扁鋼受力變大，剩余扁鋼加速斷裂，給軟管服役運行帶來重大隱患，最終導致管體泄漏甚至是斷裂，造成環境污染及重大經濟損失。

本文目的在于針對軟管抗鎧裝層失效模式，分析其失效誘因，并闡述國內外柔性立管疲勞斷裂監檢測技術研究現狀，分析各檢測技術優缺點，為國內柔性立管監測技術開發提供參考與借鑒。

1 柔性立管尾部扁鋼失效

1.1 失效主要原因

柔性立管抗拉鎧裝層為軟管提供軸向和扭轉剛度，抗拉鎧裝層在服役期間主要承受拉力與彎矩。柔性立管在海浪和海流的作用下會發生較大幅度擺動，同時受到內部介質的壓力作用，其長期處于低頻拉力與彎曲載荷條件下。一方面由于軟管扁鋼層各鋼帶在安裝過程中不能理想施加相同預應力，導致各別鋼帶在管體服役期間不能均勻受力，個別扁鋼受力較大，這為軟管抗拉鎧裝層扁鋼斷裂埋下隱患。另一方面，柔性立管在海浪和海流的作用下會發生較大幅度擺動，軟管端部接頭與平臺或是FPSO裙座固定，導致軟管根部扭矩不能釋放，受到較大彎曲應力。上述兩方面原因，導致柔性立管尾部扁鋼失效概率最大。

1.2 失效表現形式

當軟管抗拉層個別扁鋼斷裂后，軟管抗拉層失穩，抗拉鎧裝層各扁鋼受力重新分布，導致管道會發生瞬態和永久的扭轉和伸長變形,若不即時發現并采取措施，由于各扁鋼受力變大，將導致斷裂風險加劇。

圖1 抗拉層扁鋼斷裂導致管體扭轉變形

圖2 接頭尾部抗拉層扁鋼斷裂

2 國內外監檢測技術現狀

2.1 國內監檢測技術現狀

目前我國針對軟管鎧裝層扁鋼斷裂失效監測方法主要通過潛水員或ROV對軟管外觀進行定期視覺檢查，從而確定軟管的健康狀態。尚未對軟管抗拉鎧裝層扁鋼斷裂開展針對性監檢測技術開發。

外觀視覺檢查只有當軟管發生嚴重缺陷問題時才能被發現，而當管體鎧裝層個別鋼帶發生斷裂，并不能導致軟管外徑、外觀發生較大變形，即失效初期并不能通過視覺檢測有效發現，該檢測手段存在嚴重的滯后性問題。

2.2 國外監檢測技術現狀

2.2.1 扭轉角度攝像監測

扭轉角度攝像監測技術主要通過柔性立管接頭尾部管體位置安裝標尺，標尺固定于管體外壁。立管頂部位置固定安裝攝影監控探頭，攝影探頭中心與標尺中心對應。通過讀取攝影探頭中心與標尺偏轉角度，確定管體扭轉角度。當扭轉角度達到預定閾值時，系統發出報警，從而實現對柔性立管扭轉的實時監控。

優缺點分析：監測技術精度高，精度達到0.3°，能夠實施記錄管體扭轉變形狀態，并即時預警。

圖3 扭轉攝像監測技術

2.2.2 聲發射檢測技術[2]

抗拉層扁鋼斷裂時會發出強烈的聲音信號，該聲音信號振幅、聲頻與環境聲信號不同，可以被傳感器捕捉到，從而實現扁鋼斷裂的監測。

優缺點分析：現場工況極其復雜，容易受到外部噪音影響，因而對數據的解析需要豐富的數據庫和現場經驗。

2.2.3 震動監測

震動監測技術與聲發射監測技術類似，當軟管個別扁鋼發生斷裂時，由于抗拉層受力重新分布，會引起管體的震動。通過將震動加速傳感器布設于柔性立管外側，當扁鋼斷裂后，傳感器接收到震動信號，通過分析信號的頻率和振幅的變化，確定事件類型，分析是否為抗拉層扁鋼斷裂。同時根據各個傳感器布設間距以及傳感器接收信號的時間差，計算缺陷發生位置，從而實現缺陷的識別與定位。

圖4 聲發射監測技術

優缺點分析：非破壞實時監測技術，能夠即時發現缺陷并提出預警。系統誤報率高，需要根據現場應用收集信號數據庫，并建立信號與實際事件關系，從而實現各個異常信號的定性分析。

圖5 震動監測技術

2.2.4 磁測應力技術[4]

柔性軟管的抗拉層鋼帶是由碳鋼螺旋纏繞形成，碳鋼材料線材具備鐵磁性。鋼帶承擔管體的軸向拉伸荷載，通常處于低頻拉伸交變應力條件下。碳鋼材料應力變化會引起磁性改變，個別鋼帶斷裂后，斷裂鋼帶斷裂位置應力水平為零，且受力重新分布導致其他鋼帶受力變大，引起斷裂點及其周圍磁性發生變化。

磁測應力技術通過磁性探針磁化抗拉鎧裝層鋼帶，通過分析渦流強度，可以檢測每條鋼帶受力狀態，識別鋼帶是否存在斷裂。

優缺點分析：不需要耦合，不需要與外包覆層直接接觸即能進行檢測，數據分析復雜，須由專業技術人員解析，設備檢測精度高。

圖6 磁測抗拉層扁鋼應力檢測

2.2.5 立管外徑變形監測

巴西石油公司P20是由平臺11.5英寸動態柔性立管，通過FBG光纖監測管體外徑變化。軟管外壁綁扎不銹鋼薄鋼帶，鋼帶安裝固定后，將鋼帶外表面通過環氧樹脂膠水將布拉格光柵直接粘接于鋼帶外表面，光柵方向沿管道外表面圓周方向，每根鋼帶布設4個傳感器，包括3條FBG應力監測光纖以及1條FBG溫度補償監測光柵，通過測量管體外徑變化，間接評估管體的健康狀態。

圖7 軟管外徑變化監測

優缺點分析：鋼帶通過綁扎與軟管外壁固定，不能保證鋼帶與管體外壁同步應變，即應變監測不敏感，導致監測應變與管體外壁圓周方向真實應變存在差異，同時管體外徑變化受到壓力、溫度影響，光纖應變表現在管體圓周方向應變變化，并不能直接反饋管體是否發生扭轉變形，但是可以為柔性立管監管檢測提供指導。

2.2.6 軟管扭轉與伸長監測[3]

卡箍材質為玻璃纖維浸潤樹脂定型固化成型。卡箍預制時將FBG光柵傳感器布設于卡箍內，傳感器串聯連接；將接箍固定于軟管外壁，通過設計階段分析傳感器敏感性，從而實現軟管的扭轉與伸長變形監測。

優缺點分析：FBG傳感器布設于卡箍內部，得到了有效的保護。卡箍結構設計及傳感器布設方式設計，能夠實現軟管徑向扭轉變形和管體軸向伸長變形的實時監測。

圖8 扭轉與伸長監測

3 結束語

國外柔性立管監檢測技術已經較為成熟，并在持續快速發展。相比之下，國內尚處于起步階段，與國外檢測技術相比有巨大的差距。目前國內自主研發的柔性軟管已經在國內規模化應用，柔性立管接頭尾部扁鋼斷裂是柔性立管主要失效模式之一。國內采用的外觀檢測方法單一，且存在滯后性，不能及時反饋軟管健康狀態。本文總結柔性立管抗拉鎧裝層疲勞斷裂監測技術與研究現狀，并針對各個監測技術的優缺點給出意見，希望能給軟管監檢測領域提供一定參考。