海上平臺壓力管道常見損傷模式分析

紀玉磊

（中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 300452）

0 引言

在能源報國的浪潮中，我國海上油氣平臺數(shù)量在不斷增加，如何確保其安全生產(chǎn)也日漸成為社會關(guān)注的焦點。對于海上平臺而言，壓力管道是其重要構(gòu)成，且已納入《海上石油專業(yè)設備目錄》管理范疇。因此對海上平臺壓力管道進行損傷模式分析，既是確保海上平臺安全的基礎，也是極其重要的工作。

1 海上平臺壓力管道安全運行重要性分析

1）海上平臺壓力管道承擔著將油氣從井口采油樹輸送海管前各流程之間傳遞的關(guān)鍵任務，壓力管道的任何泄露和損壞都會在帶來油氣損失的同時還可能引發(fā)環(huán)境污染，從而對海洋生態(tài)系統(tǒng)和海洋生物多樣性造成嚴重影響，這不僅會對海洋環(huán)境造成長期的破壞，還會給漁業(yè)、旅游業(yè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來巨大損失。

2）海上平臺壓力管道的安全運行與平臺的安全、穩(wěn)定性密切相關(guān)。管道的損傷可能導致油氣泄漏，在海上平臺有限的空間內(nèi)更加大了火災和爆炸等事故的發(fā)生風險，這不僅會對平臺上的工作人員的生命安全造成危害，還會對整個平臺的安全運營造成嚴重威脅。因此，確保海上平臺壓力管道的安全運行是保障工作人員安全以及平臺安全生產(chǎn)的重要前提。

3）海上平臺壓力管道的安全運行對于能源供應的穩(wěn)定存在重要意義。海上平臺是開采海洋油氣資源的主要基地，而壓力管道是將這些資源傳輸?shù)年P(guān)鍵通道，如果其出現(xiàn)損壞或泄漏，而又無法停產(chǎn)或走旁通的情況下將導致能源供應中斷，從而影響到國家的能源安全戰(zhàn)略。因此，保障海上平臺壓力管道的安全運行對于保障能源供應的穩(wěn)定性和可持續(xù)性至關(guān)重要。

總之，海上平臺壓力管道的安全運行對于保護海洋環(huán)境、確保平臺安全、維護能源供應具有十分重要的意義。相關(guān)工作人員必須最大限度地減少管道損壞和泄漏的發(fā)生，確保海上平臺壓力管道的安全運行。

2 海上平臺壓力管道損傷類型

通過對大量海上平臺壓力管道損傷案例進行分析和統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，這些案例大體上可以分為三類，一是腐蝕；二是環(huán)境開裂；三是其他損傷。下文將對這幾種類型的管道損傷問題進行簡單分析。

2.1 腐蝕

其可以分為三類，分別是保溫層下腐蝕、內(nèi)腐蝕和大氣腐蝕。海上平臺壓力管道的損傷中，海洋環(huán)境引起的保溫層下腐蝕是一個常見問題。海上石油平臺上的壓力管道所處區(qū)別于陸地的環(huán)境，如高濕高鹽、海上風和暴曬、平臺設備運行產(chǎn)生的振動及海上涂裝質(zhì)量等，會導致管道表面的防腐層受損，使得管道金屬本體直接暴露于大氣中，而海上空氣中和受潮的巖棉中含量較高的氯離子的作用下，產(chǎn)生保溫層下腐蝕，多為片狀疏松銹蝕層。這種腐蝕減薄對于海上平臺壓力管道的安全運行具有嚴重影響。一方面管道金屬的減薄會導致管道的本體強度和承載能力下降，增加了管道破裂和泄漏的風險；另一方面腐蝕物質(zhì)的積聚又更容易吸附水分和氯離子，造成管道腐蝕進一步加劇，進一步加速管道壽命的縮減。保溫層下腐蝕一般有一定的特征：其主要位于臨海側(cè)濕度較大的區(qū)域、露天區(qū)域、晝夜溫差容易出現(xiàn)凝露的海域區(qū)域，常發(fā)生的部位是管線涂層破損部位、焊接接頭部位（涂層結(jié)合或存在表面飛濺等）、管支架連接處、穿甲板管線（護管未封堵或封堵前段管線）、管線豎直轉(zhuǎn)水平區(qū)域、異種鋼焊接部位；常顯現(xiàn)區(qū)域為管線保溫出現(xiàn)破損外部有銹蝕痕跡、密封不嚴的部位，保溫不連續(xù)的部位。

內(nèi)腐蝕，多是因為內(nèi)部介質(zhì)影響，當管道內(nèi)部介質(zhì)中存在腐蝕性物質(zhì)或化學物質(zhì)（常見為硫化細菌、硫化氫、酸性介質(zhì)等）時，這些物質(zhì)會與管道金屬表面發(fā)生作用，從而導致局部腐蝕的發(fā)生。海上壓力管道內(nèi)腐蝕大多表現(xiàn)為管道金屬表面的局部腐蝕，少數(shù)呈現(xiàn)針孔或均勻腐蝕，嚴重時甚至會形成穿孔泄露。碳鋼一般呈杯狀點蝕狀態(tài)，不銹鋼一般層表面蝕坑。局部的內(nèi)腐蝕一旦產(chǎn)生其腐蝕速率一般會持續(xù)加劇，故局部內(nèi)腐蝕的危害程度遠遠大于其均勻腐蝕[1]。內(nèi)腐蝕產(chǎn)生的因素往往是多種因素的組合，如垢下和細菌。內(nèi)腐蝕的產(chǎn)生往往遵循一定的規(guī)律，如介質(zhì)中的硫化氫、細菌含量較高的管，易產(chǎn)生積垢的部位（包含死管段、流速緩慢的管段和豎直變水平的變向區(qū)域），故在壓力管道的運行管理中應重點關(guān)注特征區(qū)域。

大氣腐蝕是因為海洋環(huán)境中氯離子腐蝕導致的，其同保溫層下腐蝕的明顯區(qū)別在于大氣腐蝕無保溫層。這種腐蝕減薄通常表現(xiàn)為管道金屬表面的銹蝕等，嚴重時還會導致金屬表面的減薄和損壞。其腐蝕多發(fā)生于以下區(qū)域：①無保溫的管道，且位于風側(cè)濕度較大的區(qū)域（舷外、帶纜走道、露天管線），即平臺周邊腐蝕程度大于平臺內(nèi)部管線。②管線涂層破損部位、焊接接頭部位（涂層結(jié)合或存在表面飛濺等）、管支架連接處、穿甲板管線（護管未封堵或封堵前段管線）、現(xiàn)場可能出現(xiàn)冷凝水區(qū)域、異種鋼焊接部位。③主要存在碳鋼管線（海上），重點關(guān)注閉排、開排、柴油管線及氣田、氮氣系統(tǒng)等易忽略的管線。管道的大氣腐蝕相對較易發(fā)現(xiàn)，故一般在初期進行涂層修復即可較好地解決此類問題。

圖2 某平臺生產(chǎn)水管道內(nèi)腐蝕

圖3 某平臺天然氣管道大氣腐蝕

2.2 裂紋

根據(jù)裂紋成形原因的不同可將其分為管道制造裂紋、安裝裂紋（焊接裂紋）和使用中的裂紋。制造裂紋主要是管線在成形過程中產(chǎn)生的裂紋，其一般母材靠近端部區(qū)域（非熱影響區(qū)）產(chǎn)生，沿軸向方向進行拓展，一般可呈現(xiàn)多條，長短不一，通常在母材表面，打磨可消除。原因應為在軋制過程中遇到加熱不良、表面存在雜質(zhì)、加工方法不當?shù)仍騕2]。安裝裂紋主要是焊接裂紋，主要存在焊縫及熱影響區(qū)，其與焊縫成形及應力集中有關(guān)。焊接裂紋又分為熱裂紋和冷裂紋。熱裂紋一般發(fā)生在焊縫的結(jié)晶過程中，由于應力和偏析的作用產(chǎn)生，多發(fā)生于焊縫，焊接完成后可發(fā)現(xiàn)，此類裂紋由于焊接完成后較容易檢測發(fā)現(xiàn)。故其在實過程中發(fā)現(xiàn)的概率并不大，且可通過焊接工藝進行控制。冷裂紋則是焊接時冷卻到200～300 ℃產(chǎn)生的裂紋，一般位于熱影響區(qū)，少部分見于焊縫。由于其一般不會立即出現(xiàn)，須經(jīng)過一段的孕育期，可能在很長時間后才會慢慢出現(xiàn)，建造安裝期間的無損檢測可能無法檢測出，有一定的隱蔽性，因此，冷裂紋是壓力管道運行過程中重點關(guān)注的缺陷。其中現(xiàn)場焊口作為壓力管道運行過程中出現(xiàn)冷裂紋最多的焊縫，需重點關(guān)注。一方面現(xiàn)場焊口海上焊接時海上相對空氣濕度和溫度較低，會造成管道焊縫表面熔覆金屬的快速冷卻產(chǎn)生應力和增加熔覆金屬中的氫含量，尤其是在某些現(xiàn)場焊口安裝時本身存在高拘束應力。因此更容易產(chǎn)生。壓力管道使用中的裂紋常見的是疲勞裂紋，當壓力管道受到小于屈服強度的交變應力時，在應力集中區(qū)域會產(chǎn)生疲勞源。在疲勞源的附近會產(chǎn)生裂紋源，并進行拓展和延伸，最終造成壓力管道失效。其一般起源于熱影響區(qū)，與應力方向呈90°方向拓展。如某平臺注水泵出口管線的第一個彎頭焊縫附近，由于承受內(nèi)部交變載荷的沖擊，在彎頭沿流向方向出現(xiàn)最長約550 mm的疲勞裂紋。分析是在焊縫附近由于焊接存在高應力區(qū)域，注水泵在運行管內(nèi)產(chǎn)生的高強交變載荷作用下在焊縫熱影響區(qū)附近產(chǎn)生疲勞源，并萌生裂紋沿管道母材方向拓展。注水泵出口彎頭疲勞裂紋和平臺原油管線延遲裂紋如下圖4，圖5所示。

圖4 注水泵出口彎頭疲勞裂紋

圖5 某平臺原油管線延遲裂紋

2.3 其他損傷

其主要包括管道彎曲變形移位、法蘭密封漏氣、設備材質(zhì)表面破損等[3]。管道彎曲形變是指管道在使用過程中由于受到外部力量作用而發(fā)生的形變。海上平臺環(huán)境復雜，常常受到海浪、風力、平臺沉降等的影響，或現(xiàn)場安裝不規(guī)范，這可能導致管道發(fā)生彎曲形變，而且這一現(xiàn)象多發(fā)生在管道直線段或彎管處，其程度和形式也可能各不相同。這種損傷會對管道的正常運行和安全性產(chǎn)生重大影響，不僅會導致管道內(nèi)流體阻力增加，從而影響流體的傳輸效率，還會增加管道的應力和應變，可能導致管道的疲勞破裂或塑性變形，同時可能影響管道附屬設備的正常連接，導致設備故障和損壞。

至于法蘭密封失效則是指管道法蘭連接處的密封系統(tǒng)無法有效的阻止流體泄漏或外部環(huán)境介質(zhì)進入管道。法蘭是海上平臺壓力管道常用的連接方式，其重要性在于確保管道的密封性和穩(wěn)定性。這種損傷的發(fā)生是因為法蘭連接處的密封墊片因為長期使用或受到外部環(huán)境影響而老化、磨損或破裂，導致密封性能下降，也可能是因為法蘭連接處的螺栓緊固力不足或不均勻，也會導致法蘭密封失效，還可能是因為法蘭連接處的表面粗糙度不符合要求，或者連接處存在雜質(zhì)、腐蝕等缺陷。一旦發(fā)生這種損傷將會對海上平臺壓力管道運行和安全性造成嚴重影響。首先，泄漏的流體會造成能源資源的浪費，還可能對環(huán)境造成污染。其次，外部環(huán)境介質(zhì)的進入可能導致管道內(nèi)部的腐蝕、堵塞或其他損壞，從而降低管道的可靠性和壽命。最后，法蘭密封失效還可能引起流體不均勻?qū)е鹿艿腊l(fā)生振動、泄漏擴展或破裂等嚴重事故，對人員和設備造成威脅。為了預防和控制法蘭密封失效，海上平臺壓力管道需要采取一系列的措施，先要確保法蘭連接的耐腐蝕性能和密封性能，還需對法蘭連接處進行定期檢查和維護，及時發(fā)現(xiàn)和處理密封失效的問題，同時需在法蘭連接處使用適當?shù)木o固力和密封墊片，確保法蘭連接的可靠性和密封性。此外，加強對法蘭連接處的表面處理和清潔，減少雜質(zhì)和腐蝕的影響。

壓力管道外部損傷和內(nèi)部沖蝕也是壓力管道檢驗檢測中常遇見的問題。壓力管道外部損傷常出現(xiàn)在海上平臺壓力管道的安裝和使用過程中，由于吊裝、運輸、安裝、運行過程中，受到撞擊等載荷，出現(xiàn)劃傷、劃痕、凹陷變形等。其出現(xiàn)變形區(qū)域容易造成應力集中，且管道凹陷狀態(tài)影響管道內(nèi)介質(zhì)正常流動，形成湍流。影響管道的正常運行安全。管道的沖蝕則是壓力管道運行過程中固液氣三相或其組合發(fā)生沖擊或相對運動產(chǎn)生的材料表面機械剝落加速的過程。其一般呈現(xiàn)為局部損傷，呈溝槽狀，具有強烈的方向性。多見于流速較快存在流速變化、方向變化的區(qū)域，如彎頭、三通、變徑等管件及調(diào)節(jié)閥后，及泵、壓縮機出口等區(qū)域。沖蝕一般有較為強的規(guī)律，可根據(jù)內(nèi)部介質(zhì)，流速等進行初步判斷。

3 防范海上平臺壓力管道損傷的措施

為了防范海上平臺壓力管道損傷的出現(xiàn)，需要采取一系列措施：①合理選擇材料和涂層保護。在設計和建造海上平臺壓力管道時，應選擇具有良好抗腐蝕性能的材料，如不銹鋼、耐腐蝕合金等，而且需對管道進行適當?shù)耐繉颖Ｗo，如環(huán)氧涂層、防腐漆等，這樣就可以形成一層保護膜來隔離管道與外界環(huán)境接觸，減少腐蝕的風險。②開展壓力管道定期檢驗和維護。通過定期驗，可以及時發(fā)現(xiàn)腐蝕、裂紋和其他損傷的跡象，以便及時采取維修整改措施，以防止其損傷加劇拓展造成其最終失效。③增加壓力管道的基線檢測，通過對建造后的壓力管道進行統(tǒng)一檢測，確認其現(xiàn)場建造安裝符合設計要求，避免出現(xiàn)壓力管道運行時遺留問題影響安全生產(chǎn)，如部分管線劇烈振動進而造成管道疲勞失效的現(xiàn)象。④加強各個單位（生產(chǎn)、建造、檢測）與設計單位的溝通，建立有效的問題反饋機制，形成良性的循環(huán)，在易出現(xiàn)問題的部位增加相應防護措施，持續(xù)改進。

4 結(jié)束語

綜上，對于海上平臺而言，壓力管道在其中發(fā)揮著重要作用，是平臺正常運行的重要組成，但是因為各種因素的影響，其很容易出現(xiàn)損傷，比較常見的就是腐蝕、裂紋和管道彎曲變形、法蘭連接失效、沖刷外部損傷等，而一旦出現(xiàn)這些問題將會對海上平臺的平穩(wěn)安全運行、能源持續(xù)供應、海洋環(huán)境等都造成很大影響。基于此，就需要對管道損傷類型進行分析，對損傷原因進行研究，這樣才能針對性采取措施，從而可以最大限度地減少管道失效和泄漏的發(fā)生。