FPSO柔性立管失效模式與原因分析

楊貴強(qiáng) 劉振國(guó) 張紹謙 亓俊良

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津塘沽，郵編：300452）

1.0 前言

為確保FPSO柔性立管系統(tǒng)安全、可靠，中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司針對(duì)國(guó)內(nèi)國(guó)際FPSO柔性立管的資料進(jìn)行了收集整理，旨在開(kāi)展立管完整性管理RIM(Riser Integrity Management)研究，對(duì)立管系統(tǒng)全生命周期內(nèi)各種潛在危害因素進(jìn)行綜合的、一體化的管理。在對(duì)106個(gè)柔性立管或管道（跨接軟管等）資料收集分析中獲知，有21個(gè)（20%）發(fā)生過(guò)損傷或失效事件。在發(fā)生過(guò)損失或失效的事件中，16個(gè)（76%）發(fā)生在安裝期間，5個(gè)（24%）發(fā)生在正常操作過(guò)程中。柔性立管的設(shè)計(jì)壽命為12年左右，大多數(shù)的失效都發(fā)生在服役的前四年內(nèi)。以下對(duì)柔性立管的失效模式和失效原因進(jìn)行分析。

2.0 FPSO柔性立管失效模式

FPSO柔性立管的失效模式主要有以下5種情況。

2.1 外套損傷

最常見(jiàn)的損傷和失效模式是外套損傷，大多數(shù)的損傷發(fā)生在安裝階段。外套損傷會(huì)導(dǎo)致柔性立管環(huán)面被淹沒(méi)，對(duì)于立管來(lái)說(shuō)這是非常嚴(yán)重的，立管的設(shè)計(jì)壽命可能會(huì)減少為2年。因此即使損傷是很小的，最終也可能會(huì)產(chǎn)生很?chē)?yán)重的后果，到目前為止有很多立管因損傷而被替換的例子。

2.2 不銹鋼內(nèi)襯管（或稱內(nèi)套）腐化

大部分柔性立管的內(nèi)部抗壓層是采用PA-11材料，PA-11腐化失效的案例很多，這是立管面臨的比較重要的問(wèn)題。在統(tǒng)計(jì)分析中，立管失效多數(shù)發(fā)生服役的前四年。美國(guó)石油組織正在對(duì)PA-11老化問(wèn)題進(jìn)行研究工作，準(zhǔn)備提出這種材料的適用范圍。

2.3 聚偏氟乙稀終端部件失效

與其他利用熱塑性材料的管道相比，聚偏氟乙稀熱膨脹系數(shù)較高。因此，由周期循環(huán)的溫度改變引起的不銹鋼內(nèi)襯管持續(xù)的膨脹與收縮導(dǎo)致了不銹鋼內(nèi)襯管逐漸脫離終端裝置。這種失效模式不是很多，這類(lèi)立管失效模式的解決方式是用新設(shè)計(jì)的終端設(shè)備進(jìn)行替換。

2.4 抗拉鎧裝損傷

抗拉鎧裝損傷（鳥(niǎo)籠化）是柔性立管失效的一種較重要的模式。它一般發(fā)生在立管被繃緊時(shí)，同時(shí)這種損傷出現(xiàn)在局部性的而不是整個(gè)立管的長(zhǎng)度范圍內(nèi)。

2.5 通風(fēng)口堵塞

當(dāng)通風(fēng)口堵塞時(shí)油氣滲入內(nèi)孔，最后環(huán)面壓力過(guò)高外套爆裂或不銹鋼內(nèi)襯管塌陷。由此得出的教訓(xùn)是進(jìn)行完整性測(cè)量時(shí)應(yīng)定期檢測(cè)通風(fēng)口是否堵塞，同時(shí)，應(yīng)檢測(cè)在工廠驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)是否清潔。

3.0 FPSO柔性立管潛在的失效原因

3.1 溫度

相對(duì)于鋼制立管，柔性立管可接受的溫度范圍要低一些。而且考慮柔性立管外部的一些地方(如末端裝置)也會(huì)由于長(zhǎng)時(shí)間在“高”溫度下導(dǎo)致性能衰減。以下為應(yīng)用于柔性立管內(nèi)部抗壓層的聚合物材料。

1)聚酰胺-11(PA-11)

在長(zhǎng)時(shí)間高溫作用并且飽和度超過(guò)80%的液/氣混合流作用下，這種聚合物對(duì)自由態(tài)水以及溶解態(tài)水都很敏感。另外，如果水的成分中PH值較低，也會(huì)加速立管的老化，因?yàn)樗犷?lèi)以及化學(xué)反應(yīng)會(huì)對(duì)聚合材料產(chǎn)生不利的影響。當(dāng)然，這取決于酸的濃度與作用時(shí)間。

2)聚偏氟乙烯(PVDF)

PVDF作為立管的內(nèi)壓防護(hù)層在英國(guó)地區(qū)被廣泛使用。該材料對(duì)含水量不敏感，并且能夠能在溫度升高的條件下抵御大多數(shù)油氣中的化學(xué)物質(zhì)。PVDF相對(duì)PA-11有更高的熱膨脹系數(shù)，所以，也更容易在熱循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋。API 17J規(guī)定PVDF允許的最大應(yīng)變量為3.5%。

3)高密度聚乙烯(HDPE)

HDPE并沒(méi)有作為抗壓層材料被廣泛使用，一般用于注水管以及低壓/低溫的液體產(chǎn)品。HDPE有良好的耐酸(取決于濃度)以及耐水能力。這種聚合物對(duì)氧化敏感，由于聚合物的應(yīng)變以及溫度，可能出現(xiàn)環(huán)境載荷應(yīng)力裂紋。

3.2 壓力

操作壓力越大，疲勞和減壓過(guò)程所造成的性能衰減就越大。立管的內(nèi)部壓力引起的柔性立管系統(tǒng)不同層之間的高接觸壓力，導(dǎo)致了應(yīng)力大幅增加。壓力也增加了立管磨損造成的傷害以及由于在腐蝕環(huán)狀環(huán)境中所造成的腐蝕-疲勞損傷。

3.3 產(chǎn)液成分

CO2，H2S氣體水溶液會(huì)加速腐蝕，液體中的酸性以及飽和水的成分會(huì)對(duì)淹沒(méi)環(huán)形空間內(nèi)的碳鋼裝甲線的性能衰減以及PA-11壓力層的老化產(chǎn)生不利影響。

3.4 疲勞

疲勞損傷也是導(dǎo)致立管性能衰減的重要原因。立管疲勞的敏感區(qū)域（取決于水深以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)）一般在抗彎加強(qiáng)筋或喇叭口區(qū)域、觸地點(diǎn)、中部水深拱曲、垂彎曲以及中拱區(qū)。在腐蝕性環(huán)境、高溫壓的CO2/H2S、高應(yīng)力的情況下，立管的疲勞壽命會(huì)顯著減少。

3.5 腐蝕

腐蝕本身并不是柔性立管性能衰減的主要原因。柔性立管的不銹鋼內(nèi)襯管或者裝甲線的腐蝕速率取決于環(huán)境，也取決于材料選擇以及材料與管內(nèi)流體的契合程度。

3.6 磨損

不銹鋼內(nèi)襯管的磨損與管的彎曲有關(guān)，彎曲半徑越小，潛在的磨損等級(jí)越高。潛在的磨損與流體速度，含沙量，運(yùn)輸?shù)氖菤怏w或者液體直接有關(guān)。干氣體比液化氣的磨損能力要高。含沙量是磨損首要考慮的因素。不銹鋼內(nèi)襯管上的材料磨損被認(rèn)為是柔性立管上的失效點(diǎn)。

3.7 水垢/蠟質(zhì)的形成

柔性立管內(nèi)水垢的形成會(huì)造成堵塞，并影響到立管的柔性、質(zhì)量以及極限破裂情況。另外，水垢對(duì)防止立管老化可能起到好的影響，因?yàn)樗冈诹⒐艿木酆衔飰毫由掀鸬浇^緣的作用。

3.8 渦激振動(dòng)

由于流體流過(guò)不銹鋼內(nèi)襯管的突擴(kuò)或突縮，導(dǎo)致了渦激振動(dòng)。在特定的流量下，渦激振動(dòng)的頻率與立管結(jié)構(gòu)的固有頻率接近，可以產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這種現(xiàn)象很容易發(fā)生。雖然還沒(méi)有柔性立管因?yàn)檫@種原因而造成損壞，這個(gè)問(wèn)題依然值得關(guān)注。

3.9 輔助設(shè)備

與柔性立管一起使用的輔助設(shè)備也是完整性管理策略當(dāng)中的一部分。

1)浮力塊

在服役過(guò)程中浮力塊的丟失依然不可避免，并且立管系統(tǒng)外形設(shè)計(jì)的強(qiáng)度決定了類(lèi)似的事件的重要性。應(yīng)充分評(píng)估浮力塊缺失所產(chǎn)生的影響。

2)抗彎加強(qiáng)筋與轉(zhuǎn)塔/甲板的接口

作為立管完整性管理的一部分，抗彎加強(qiáng)筋與浮體或者固定式結(jié)構(gòu)的接口是柔性立管的關(guān)鍵部位。抗彎加強(qiáng)筋處在一個(gè)不容易進(jìn)行詳細(xì)檢查的地方，因此，對(duì)于抗彎加強(qiáng)筋與轉(zhuǎn)塔/甲板的接口，進(jìn)行組裝的基本水平的檢查就需要進(jìn)行嚴(yán)格限制。

對(duì)于抗彎加強(qiáng)筋與轉(zhuǎn)塔/甲板連接結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)系統(tǒng)也應(yīng)處在監(jiān)控狀態(tài)下。低水平的保護(hù)導(dǎo)致腐蝕以及疲勞問(wèn)題，而過(guò)高水平陰極保護(hù)則容易引起氫脆現(xiàn)象。

3)立管基座

立管基座把柔性立管限制為特定的形狀，需要對(duì)基座的過(guò)度旋轉(zhuǎn)、軸承載荷等方面進(jìn)行監(jiān)控。

3.1 0意外事故

意外事故包括物體掉落、碰撞、拖錨、重物滑落等等。根據(jù)沖擊的嚴(yán)重程度以及立管所采取的防護(hù)程度，它們會(huì)對(duì)柔性立管會(huì)造成不同程度的破壞。大部分的損傷或者失效發(fā)生在立管安裝過(guò)程。

由于意外事故，會(huì)造成在聚合材料中的溝、刻痕等沖擊損傷。對(duì)于這種損傷需要及時(shí)進(jìn)行評(píng)估，防止?jié)撛诘牧鸭y增長(zhǎng)。

3.1 1制造缺陷

1)輔助設(shè)備

輔助設(shè)備上不合格的焊接質(zhì)量以及不規(guī)范的焊口形狀將縮短使用壽命。

噴漆保護(hù)系統(tǒng)或者陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該符合DNV RP B401標(biāo)準(zhǔn)。在陰極保護(hù)系統(tǒng)中，使用高強(qiáng)度的螺栓或者雙頭螺栓可能容易受氫脆的影響，應(yīng)遵守陰極保護(hù)兼容性優(yōu)先的原則。

與抗彎加強(qiáng)筋和轉(zhuǎn)塔裝配的關(guān)鍵的法蘭連接如果采用了不合適的雙頭螺栓連接，就會(huì)在連接處產(chǎn)生極大的疲勞載荷。在關(guān)鍵部位不應(yīng)使用人工上緊。

2)抗彎加強(qiáng)筋

抗彎加強(qiáng)筋易受聚亞安酯以及金屬鑲嵌塊中的制造缺陷的影響，應(yīng)該對(duì)抗彎加強(qiáng)筋以及保護(hù)外套上的疲勞敏感區(qū)域加以足夠的重視。推薦對(duì)抗彎加強(qiáng)筋中的高應(yīng)力焊縫進(jìn)行保護(hù)，防止暴露在海水中，從而避免潛在的腐蝕疲勞情況。

聚亞安酯與金屬鑲嵌塊的連接非常重要，不合格的金屬與聚合物的連接會(huì)導(dǎo)致抗彎加強(qiáng)筋過(guò)早失效。