柔性立管運營風險分析與維護管理建議

杜圣道

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳518000）

1 概述

海洋油氣柔性立管是海上油氣田開發工程重要的設施之一，是FPSO（浮式生產儲卸油系統）油輪上連接輸油輸氣海底管道的重要組成部分。柔性立管長期位于水下，管道內層為脫鹽脫水后的油氣、管道外側為海水，柔性立管受外界洋流、浪涌、溫度變化、臺風等長期作用可能造成疲勞，海生物的生長、管內介質的溫度、壓力、流速等，改變柔性立管受力狀態和承壓狀態、腐蝕速率等。由于鋼帶在大部分時間內處于滑移狀態，其與相鄰層之間的摩擦系數將對疲勞損傷結果產生巨大的影響（柔性立管結構與各層名稱如圖1、表1）。因此，影響柔性立管實際壽命的風險因素可歸納為腐蝕和疲勞的雙重作用。

2 柔性立管面臨的風險分析

冷凝水在環空層形成后不易排出管外，可能部分甚至全部充滿環形空間。冷凝水在CO2/H2S 的作用下形成腐蝕性環境，誘發環空金屬層發生腐蝕，在“腐蝕-疲勞”雙重作用下縮短管道服役壽命，因此腐蝕環境對柔性立管的壽命影響至關重要。

運營期間定期對FPSO 柔性立管環形空間進行檢測監測，如果環空層已形成腐蝕環境，那么抗拉層鋼帶應該也已經發生腐蝕，腐蝕會造成鋼帶截面尺寸減小，并且可能會造成摩擦系數增大。在無具體測量數據的情況下，為了考慮由于腐蝕而造成鋼帶減薄的影響，可根據國外油田實際工程項目的經驗，可假設鋼帶的腐蝕速率為每個截面均腐蝕0.02mm/year，根據立管服役時間，可估算出鋼帶的實際截面尺寸，考慮腐蝕所造成的表面粗糙度增加，摩擦系數取規范中定義的上限0.2。保守計算，如果考慮鋼帶發生腐蝕，摩擦系數選取最大值，校驗最終計算得到的疲勞壽命是否能夠滿足運營要求。

另外根據FPSO 所處的海洋環境，浪涌、洋流、bend stiffener（彎曲保護器）所處環境溫度、內部輸送介質密度、內部運行壓力、立管上端外部靜水壓、立管下端外部靜水壓，均會改變柔性立管的受力狀態，對柔性立管的疲勞構成威脅。因此，除設計階段充分考慮洋流、浪涌、臺風的外力之外，運營階段也要嚴格控制輸送介質的參數，保證各項參數平穩且在設計參數范圍內。

3 基于腐蝕監測的疲勞分析

當前柔性立管運營管理還不夠規范化，部分油田柔性立管在運營期間未進行過環空的檢測與化驗分析，相關歷史基礎數據較為缺乏。近年來，隨著設備設施完整性管理的逐漸完善，柔性立管環空檢測工作等越來越廣泛應用。從某FPSO 柔性立管環空檢測的結果判斷，環空金屬盡管采用了具有一定耐酸性的“Sour 800 grade”材料，但由于環形空間大部分已浸沒在海水中，加之內管CO2、H2S 等酸性氣體的滲透，在環空中形成了非常復雜的腐蝕環境，金屬材料局部發生中等甚至嚴重腐蝕程度的可能性較高，但真實的腐蝕狀態以及對未來腐蝕速率的預測難以量化確定。

根據某柔性立管廠家給出的操作與維護手冊，環空一旦暴露在海水中，其服役壽命將顯著降低。由于缺少歷史檢測數據，柔性立管環空目前真實的腐蝕狀態與腐蝕速率未知，僅通過軟件計算預測的軟管剩余壽命不能作為運營管理的唯一參考依據。

為了確定柔性立管外保護層是否存在疲勞裂紋型損傷，建議盡快采用ROV 水下機器人對外保護層的完整性開展排查，還可以用磁力應變檢測系統MAPS、數字成像技術CT、電磁波技術等給出準確的鋼帶腐蝕數據。根據排查結果評估嚴重程度，確定損傷等級并根據廠家推薦的方法進行修復。根據實際檢測得到的鋼帶減薄尺寸，進行疲勞壽命的評估更加具有參考性。

如果環空檢測氣體樣本、液體樣本的酸性、金屬離子等均在正常范圍內，則不必采用ROV 水下機器人等進行柔性立管的完整性排查，可采用經濟便捷的軟件模擬方法，計算的柔性立管危險點、預測的剩余壽命可作為運營管理的重要理論依據。

圖1 柔性立管結構示意圖

表1 柔性立管各層材料名（右）

4 維護管理建議

一旦發現立管段環形空間存在腐蝕環境，從柔性立管完整性管理的角度，建議對柔性立管定期進行環空檢測，并對檢測結果保持長期記錄，為使用壽命后期的壽命評估提供數據和依據。并且建議定期使用ROV 或潛水員對立管外包覆層的完整性以及犧牲陽極的消耗進行觀測和記錄。尤其針對環空層已經被基本浸沒的情況，必須要保證其環空排氣閥的通暢性。具體建議如下：

（1）水下ROV 或潛水員外部目視檢測，檢測內容包括：外包覆層完整性、立管附屬構件完整性、立管構型及路由、海生物附著情況。確保外包覆層無破損，立管附屬構件無脫落、破裂、腐蝕等情況，立管構型及路由與設計相比無重大偏離，監測海生物附著厚度。

（2）環空排氣閥檢查，確保環空排氣通暢，尤其對于柔性立管下端接頭，如有海生物附著堵塞排氣通道則需要及時進行清理。

（3）犧牲陽極檢查，檢查犧牲陽極消耗情況，根據犧牲陽極的消耗速率，可以判斷是否有外包覆層破損導致金屬層發生腐蝕的情況發生。

（4）運行溫度監測，監測有無超溫情況并記錄運行數值；運行壓力監測，監測有無超壓情況并記錄運行數值。

（5）抗拉層鋼帶腐蝕尺寸檢測，由于本次環空檢測所給出環空層內的腐蝕環境情況推斷柔性管抗拉層鋼帶應該已經開始發生腐蝕，但是具體的腐蝕程度需要通過相關檢測（如磁力應變檢測系統MAPS、數字成像技術CT、電磁波技術）給出準確的鋼帶腐蝕數據，并根據給出的鋼帶減薄尺寸重新計算疲勞壽命。

（6）定期環空檢測，在未來設計使用年限內，建議每2 至3 年進行一次環空檢測，以便掌握環形空間的動態變化情況和外包覆層的完整性，以及排氣系統的通暢性，為立管的安全運行提供保障。