基于風險檢查的海洋立管腐蝕失效分析

龔凡明，余建星，郝曉楠，柴 松，景海泳，張貴珍

（天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室；建筑工程學院，天津300072）＊

立管是連接海底管線和海上平臺或者FPSO的重要設施，對深水油氣開采具有重大作用［1］。近年來，發生了多起立管腐蝕失效事故，造成了嚴重的經濟損失和環境破壞［2－3］。因此，對海洋立管腐蝕失效進行有效的風險分析是非常必要的。

但是，不能為了減小風險而盲目地進行檢查，這樣會造成不必要的檢查，不符合經濟性的要求［4］。因此，需要確定何時需要進行檢查，檢查什么部位，何時進行維修［5］。本文采用風險檢查方法對立管腐蝕失效進行分析，制定既滿足安全性要求又滿足經濟性要求的檢查計劃。

1 立管的腐蝕失效類型

立管的失效模式可以分為內部腐蝕、外部腐蝕2種失效模式，同一失效模式下也存在不同的失效類型。

1） 內部腐蝕 內部腐蝕是在生產過程中管壁變薄的主要原因，腐蝕是一個復雜的類型，取決于立管內產品組成、使用的水的類型、操作工況等因素。其失效類型分為3類：①CO2腐蝕；②清理用水腐蝕；③微生物腐蝕。

2） 外部腐蝕 外部腐蝕主要是由于海水或者空氣引起的，根據立管外部防護情況可以分為3種失效類型：①無隔離層，且無防護層情況下的外部腐蝕；②無隔離層，但有防護層情況下的外部腐蝕；③有隔離層情況下的外部腐蝕。

2 腐蝕失效概率計算方法

立管腐蝕失效概率隨時間的增加而變化，在初始缺陷的測量、腐蝕率的確定以及實際操作壓力方面都存在一定的不確定性，可以采用可靠性的方法計算立管在此失效類型下的失效概率。

2.1 缺陷增長率的評估方法

在不同的失效類型下，缺陷的增長率將不同，用腐蝕率表示其腐蝕速度。不同失效類型的腐蝕率確定方法如下：

1） CO2腐蝕 CO2腐蝕率的計算可以參照挪威石油標準化組織（NORSOK）的 M－506文件［6］，此計算模型是對處于不同溫度、pH值、CO2濃度和管壁剪切力情況下碳鋼管CO2腐蝕率的計算。

2） 清理用水腐蝕 清理用水引起的腐蝕速率隨著流速、氧氣含量和溫度的增加而增大，并且與水的類型相關，具體數值可以參考DNV－RP－G101附錄 B［7－8］。

3） 微生物腐蝕 微生物腐蝕一般發生在存在厭氧碳水化合物系統的碳鋼管中，其造成的內部腐蝕失效概率與清理用水的類型、管壁厚度有關，具體數值可以參考DNV－RP－G101附錄B。

4） 無隔離層且無防護層的情況下外部腐蝕由于未隔離的碳鋼管暴露在海洋環境中，容易發生外部腐蝕。腐蝕率會隨著溫度的增加和外部防護層的損壞而減小，未隔離且無防護層的碳鋼管的外部腐蝕率是溫度的函數，具體數值可以參考DNV－RPG101附錄B。

5） 無隔離層但有防護層情況下的外部腐蝕與未隔離且無防護層的立管相比，防護層可以對腐蝕起到大的減輕效果，該減輕效果可以用（100－覆蓋率）／100表示，稱為減小因子。在計算時，必須考慮防護層的覆蓋率隨時間的變化，如果進行過維修，需要特殊考慮。

6） 有隔離層情況下的外部腐蝕 當隔離層存在孔隙時，海水將通過孔隙進入隔離層，對立管的外壁造成破壞。腐蝕率隨著進入的海水量和溫度的增加而增加，腐蝕率的具體值可以參考DNV－RPG101附錄B。

2.2 極限狀態函數的確定方法

在存在缺陷的情況下，采用DNV推薦的破裂模型計算立管的極限壓力。

立管承受的載荷為內部操作壓力pop，其標準差一般取為0.05。

其極限狀態函數為

式中：pcapacity為含缺陷立管的極限承載壓力，pop為立管內部操作壓力。

2.3 失效概率的計算方法

根據極限狀態函數，可以采用改進的一次二階矩法計算立管的失效概率［9］，即

3 檢查計劃的制定方法

在制定檢查計劃之前，需要確定立管的可接受失效概率值。可接受的立管失效概率值與立管內產品類型有關。根據立管所在區域以及其人工操作情況。立管的安全等級為高［7］，其可接受的最大失效概率值定為10－5。因此，當失效概率將要超越10－5時，需要對立管進行檢查或者維修，檢查和維修主要針對缺陷處。

應該把最新的檢查結果作為制定下次檢查計劃的信息，把分析流程再完成1次，以確定再次檢查的時間和位置。因此，風險檢查方法是一個循環的反饋過程，可以根據最新的檢查信息及時、準確地更新檢查計劃。

4 分析實例

本文以CO2腐蝕失效類型為例，確定立管的檢查計劃。

4.1 立管相關數據

立管和檢查報告相關數據如表1所示。

表1 立管相關數據

4.2 腐蝕率

根據以上立管的詳細數據，參照NORSOK M－506文件中CO2腐蝕率的計算方法，計算出4個參數：

式中：Kt為溫度系數；fCO2為 CO2揮發系數；f（pH）t為pH系數；S為管壁剪切力。

因此，年腐蝕量計算結果為

其標準差取為0.01mm／a。

4.3 失效概率

由于最后1次檢查時間是2009年，可以計算T年后的新缺陷尺寸。

極限狀態函數為

其中，σu＝1.09σs＝1.09×550＝599.5MPa。

正態分布變量Ymodel均值為1，變異系數為0.1。d0服從均值為7.2mm，標準差為0.174mm的正態分布。L0服從均值為68mm，標準差為0.174 mm的正態分布。C服從均值為0.18mm，標準差為0.01mm的正態分布。pop服從均值為8MPa，標準差為0.05MPa的正態分布。

采用改進的一次二階矩法計算立管的失效概率，編制Matlab程序，可以計算出立管的失效概率曲線，如圖1所示。

圖1 立管失效概率隨時間變化曲線

4.4 檢查計劃

根據圖1，可以確定需要在2016年對立管的內部缺陷進行檢查和維修，重點檢查部位是2009年檢查到的缺陷處。此外，應該將檢查結果進行反饋，進行下一次檢查計劃的制定。

5 結論

1） 風險檢查方法可以為立管制定最佳檢查計劃，其檢查計劃是在風險分析結果基礎上，參照立管失效概率的可接受準則制定的。檢查計劃能確定最合理的檢查時間和最需要檢查的位置，既可以滿足安全要求，又可以避免不必要的檢查。

2） 本文提出的風險檢查方法成功應用到立管腐蝕失效中，對于水下生產系統中的其他管線的腐蝕失效，可以參考本文的風險檢查方法制定檢查計劃。

［1］宋青武.海洋立管風險評價與安全措施研究［D］.天津：天津大學，2009.

［2］曹 靜，夏秋玲.立管完整性管理分析［J］.中國造船，2007，48（1）：654－659.

［3］張長智，王桂林.深水開發中的幾種新型混合生產立管系統［J］.石油礦場機械，2010，39（9）：20－25.

［4］孫 粲，謝發勤.油鋼管的CO2和H2S腐蝕及防護技術進展［J］.石油礦場機械，2009，38（5）：55－61.

［5］DNV Recommended Practice，RP－F101，Corroded Pipeline［S］.2010.

［6］NORSOK Standard，M－506，CO2Corrosion Rate Calculation Model［S］.2005.

［7］DNV Recommended Practice，RP－G101，Risk Based Inspection of Offshore Topsides Static Mechanical Equipment［S］.2010.

［8］DNV Offshore Standard，OS－F101，Submarine Pipeline Systems［S］.2010.

［9］余建星，郭振邦，徐 慧，等.船舶與海洋結構物可靠性原理［M］.天津：天津大學出版社，2001：18－23.