海底柔性軟管安裝施工失效原因分析

楊 進，魯學蕾，吳 帆

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

與傳統的雙層海底鋼管相比，柔性軟管的靈活性、使用壽命、抗拉壓等性能更加突出，在深水油氣田開發中的使用范圍更加廣泛。海底柔性軟管是現代深海油氣運輸中的一部分，近幾年來在結構、運輸、鋪設等方面能夠更好地滿足深海油氣輸送的要求，作為我國海域石油以及天然氣運輸載體已經越來越普遍。不過，在充滿各種未知風險的深海水底鋪設海底柔性軟管，經常會遇到很多如軟管扭轉、結構破損或壓潰等失效現象。因此，對柔性軟管陸地倒管、海上安裝及運營期間潛在的失效原因進行分析，并提出相應的處理方案，將有效提高海底柔性軟管的施工效率及適用性。

1 柔性軟管組成及安裝形式

1.1 組成形式

海底柔性軟管是由聚合物和金屬層通過物理連接方式結合而成，可以分為非粘結型柔性軟管和粘結型柔性軟管兩種類型。其中，粘結型柔性軟管是由幾層組成，層與層之間粘結固定，不會產生相對位移；非粘結型柔性軟管則是由幾個獨立的層組成，層與層之間沒有固定的連接，允許層與層之間的相對位移。由于粘結型柔性軟管的制作過程需要硫化環節，制造長度受到限制，常用于較短的工程應用，所以非粘結型柔性軟管成為柔性軟管的主流結構形式（圖1）。

圖1 非粘結型柔性軟管組成

1.2 安裝形式

柔性軟管安裝通常有水平鋪設和垂直鋪設兩種模式，采用水平鋪設方式進行作業時，軟管自卷管盤或卷筒導出，經甲板導向裝置進入水平張緊器夾持并控制速度，最后通過下水橋入水，產品末端通常使用船舶吊機下放至海床（圖2）。

圖2 水平鋪設模式

2 柔性軟管安裝施工失效分析

由于安裝施工不當引起的海底柔性軟管失效是軟管在鋪管船陸地倒管、海上鋪設過程中，對柔性軟管的倒管、鋪設、收尾等處理不當而引起的軟管結構性損壞的綜合體現，主要表現出軟管內彎曲皺褶、外部打扭或爆裂等失效現象。導致軟管安裝施工失效的原因主要有以下4 種。

2.1 軟管截面失效

在軟管安裝施工期間，當軟管發生正扭轉（即軟管扭轉方向與鎧裝鋼絲繩層同向）則軟管內部扭力將對軟管截面產生拉伸作用，反之則會對軟管截面產生壓縮作用（圖3）。軟管界面拉伸或壓縮則會導致軟管截面內部扭轉，嚴重時則會導致鎧裝鋼絲強度失效、骨架層壓潰失效、外護套失效等故障。因此，需通過分析軟管原始設計參數，在充分考慮軟管正反扭轉的情況下，計算分析3 種失效模式下該軟管截面最大允許扭轉角度。

圖3 軟管截面扭轉分析

2.2 軟管整體失效

柔性軟管由制造工廠倒運至運輸船舶或由運輸船舶倒運至鋪設船舶的過程中，倒管裝備路由、軟管纏繞半徑變化、軟管存儲高度變化及管道殘余曲率等因素均會導致軟管整體扭轉（圖4）。通過對2018年南海文昌某海域23 km 處國產軟管陸地倒管過程扭轉分析發現，摩擦系數、張緊器拉力、倒管速度對整體扭轉沒有影響，而纏繞半徑、存儲高度、殘余曲率對整體扭轉影響顯著。

圖4 軟管倒管路由圖

2.3 軟管鋪設失效

當鋪設在海底的海底柔性軟管承受的彎矩超過其極限彎矩時，海底柔性軟管會發生彎曲現象，彎曲達到一定程度后柔性軟管會產生折疊。折疊中的柔性軟管的環向應力超過其極限環向應力時，此時柔性軟管會在折疊附件發生打扭，環向應力越大打扭越嚴重。在彎矩、環向應力、內壓力等的作用下，應力在彎曲的折疊段處開始響應，變形沿著柔性軟管向軟管的打扭處靠攏，由多種力引發的變形在打扭處得以呈現，使軟管產生變形、爆裂、穿孔類破損等進而導致軟管失效。

（1）內彎曲皺褶失效。鋪管船在鋪管過程中對鋪管的速度和船舶的速度控制不當，會導致柔性軟管落入海底著泥點處于一個彎曲狀態，由于鋪管速度過快，柔性軟管便在著泥處產生余量累積，使軟管有一個極大的彎矩作用，超出了柔性軟管所能承受的極限抗彎能力，進而使這段柔性軟管產生內彎曲皺褶失效現象。

（2）打扭爆裂失效。長距離海底軟管在陸地倒管過程中內部積蓄著很多扭力，而柔性軟管在海上鋪設過程中蓄積的扭力會不斷積累且很不容易被覺察，帶有扭矩的柔性軟管被鋪設到海底后，扭矩得到自由的擴散、相互集中，當扭力集中到一定程度后便產生柔性軟管變形、折疊、爆裂破壞失效現象。

2.4 外力作用失效

外力作用也是海底柔性軟管失效因素中不可忽視的一個因素，其中包括第三方破壞失效和海床運動引起的失效。在海底柔性軟管失效中，雖然第三方破壞并非主要原因，但是對柔性軟管的失效卻有重要影響，例如，海上船舶拋錨、拖錨、收錨等，很容易出現錨直接撞擊海底柔性軟管的情況，從而導致破損失效。另外，工程作業船舶途經軟管上方作業，在未弄清楚軟管的鋪設情況下吊放工機具入海底，也存在損傷海底柔性軟管的風險。

海床運動實質上是海流、軟管、外力三方面力的共同作用，柔性軟管會因這些作用力而遭到破壞。淤泥質海床存在很大的流動性，細砂質或粉砂質海床在地震和風暴潮的作用下很容易發生液化現象。在波流沖刷下，砂質海床又會發生腐蝕。如果海底柔性軟管鋪設在上述3 種性質不穩定的海床上，則很可能由于海床沖刷、滑動、塌陷等海床運動造成軟管發生變形破壞或強度破壞從而引起失效。

3 柔性軟管安裝施工失效處理

3.1 優化軟管陸地倒運

陸地倒運海底柔性軟管是預防柔性軟管安裝施工失效的關鍵點，即大長度軟管由一個存儲裝備向另一個存儲裝備傳遞、纏繞軟管的過程，海底柔性軟管的倒管過程將直接影響到鋪設時安全性。施工單位應分析研究倒管過程中軟管的受力過程、倒管裝備及路徑選擇，明確倒管甲板布置及倒管路徑，分析倒管過程軟管失效模式，同時進行時域動力分析，考慮各種失效模式的柔性軟管極限扭轉角度。

在陸地倒運軟管過程中，應采用以下方式避免軟管扭轉失效：①周期性監控軟管標記線排列狀態，軟管截面最大允許扭轉角度不超過最大允許扭轉角度；②倒軟管至卷管盤內圈與底層時易發生扭轉，應注意監測纜筐內軟管標記線扭轉角度；③如果軟管扭轉角度超過臨界值或管道上盤的第一圈后，則需要松開張緊器釋放扭矩；④布局要盡量避免曲率面陡變，盡量保證裝載臂的位置和角度平緩。

3.2 優化軟管海上鋪設

海底柔性軟管的鋪設成功與否決定著海底柔性軟管使用的效率與質量，軟管儲存的關鍵點在于消除內部扭力。南海某平臺間軟管曾經由于在倒管過程中帶有很多扭力，致使鋪設后柔性軟管在海底扭力集中，引起管段打扭爆裂的失效現象。合理的鋪設必須是鋪管船與海底柔性軟管入泥速度保持在一個合理的范圍內，還應當避免在海床復雜的地貌進行鋪設，以提高海底柔性軟管的安全性，降低海床運動、漁網拖拉、墜物撞擊等破壞引起的軟管失效概率。

4 結束語

海底柔性軟管是現代海洋油氣輸運中不可或缺的組成部分，但在復雜多變的海底環境中，不可避免因各種因素而發生失效現象。從海底柔性軟管的設計、建造、倒管及鋪設等方面對軟管失效進行分析，找出會引起軟管失效的因素，根據失效因素提出相應的處理方案。針對性地解決海底柔性軟管失效問題，在一定程度上會降低海底柔性軟管失效的概率，為將來海洋石油發展提供一定的借鑒和經驗。