海底管道完整性管理方法

李麗瑋，裴曉梅，曹 靜

（中海油研究總院，北京 100028）

0 引言

海底管道和立管系統是用于將海底油氣資源順利輸送至平臺或陸上終端的通道。海底管道和立管系統包括與其相關的所有支撐、閥門、法蘭、三通、彎管、變徑管及連接器等。在水下設施中，管道系統終止于與采油樹的連接點或蝶閥處，與其他海底設施的連接系統是海底管道系統的一部分[1]。海底管道和海洋立管是保障海上油氣資源暢通輸送的生命線，自1985年以來，我國海底管道建成數量已經超過330條，累計長度已超過了6 300 km，管徑范圍為2 in～30 in（1 in＝2.54 cm），截面結構有單層管、雙層保溫管、單層保溫管和子母管等，輸送介質包括油、氣、水和油氣水混輸，這些管道或管網的運行狀況直接關系到海上油氣田的安全生產，一旦發生失效或事故，不但會帶來嚴重的生命財產損失，還會造成嚴重的海洋環境污染和惡劣社會影響。

據統計，我國海底管道已發生多起不同程度的故障，位于前2位的是第三方沖擊失效和內部腐蝕失效。由于與陸上管道相比，海底管道服役條件復雜，從而帶來了檢測難、維修難、費用高的現狀，如：我國海上某油田原油管道設計服役年限10年，但投產運行3年后既因CO2、細菌腐蝕發生了內腐蝕穿孔失效，不計停產損失，僅更換費用就高達4億元人民幣。因此，不論是國內還是國外，都在加強對海底管道和立管完整性管理，2005—2006年，中海油加盟參加了由挪威船級社（DNV）牽頭組織、18家石油公司/專業公司/研究機構組成的“立管完整性管理推薦做法”規范DNV-RP-F206編制委員會；2007—2009年，中海油加盟參與了由挪威船級社牽頭組織，6家油公司/專業公司/研究機構組成的“海底管道完整性管理推薦做法”規范DNV-RP-F206編制委員會，參與了2部標準編制的全過程，學習了國外經驗也開始引進了管道完整性管理的理念，經過十多年的探索，在海底管道完整性管理方面積累了一定的經驗。

1 海底管道完整性管理體系內容

海底管道完整性管理的目的是將以前發生失效或事故后的被動響應，改進為通過監測、檢測等手段及時識別危害管道安全的危險、失效因素，對各種潛在危害因素制定合理的、必要的檢測、維護、維修計劃和實施方案，進行綜合的、一體化的管理[2]，使海底管道從設計、建造、安裝、服役、延壽直至棄置全生命周期內始終處于受控狀態，保持系統物理和功能上的完整，避免或盡量降低因失效、事故帶來的油氣田停產、人員損傷、搶維修費用和海洋環境污染。

海底管道完整性管理是長期、反復循環的過程，通常由風險評估和完整性管理計劃、檢測/監測/測試、完整性評估和減緩/預防/修復4個過程組成，見圖1。完整性評估與風險評估的不同點是完整性評估是核實與標準規范及接受準則的一致性，不直接給出失效概率及后果評估，而風險評估是直接給出失效概率及后果評估。完整性管理包括建立完整性、維持完整性2個階段，建立完整性階段由概念設計、基本設計、詳細設計、安裝設計、涂覆預制和海上安裝等階段組成，維持完整性階段是指管道從投產運行直至棄置[3]?？刂乒艿劳暾缘拇胧┌z測、監測、測試和完整性評估，改善完整性的措施包括內部減緩、外部預防以及修復。內部減緩措施包括限制操作參數（如：最高操作壓力、最高介質溫度和流速等）、注入化學藥劑（減少結垢、避免水合物生成）和定期清管（移除垢、砂和積液等）。外部預防主要解決管土相互作用及支撐問題（如：側向屈曲、隆起屈曲、海床穩定性、防第三方沖擊保護和自由懸跨等，外部預防措施包括：拋石、混凝土墊被、灌漿袋、保護結構、礫石覆蓋和挖溝埋設等）[2]。

圖1 海底管道完整性管理流程圖

2 海底管道完整性管理推薦方案

我國海底管道設計建設時面臨著高溫、高壓、高腐蝕性介質，臺風、涌浪、內波和強底流等海洋環境，以及海床土壤沉積物運移、沙波沙脊、淺層氣和沙土液化等挑戰。梳理和分析我國海底管道失效原因，除了挖沙作業、船錨鉤掛等船只作業沖擊失效占主要原因外，次之便是因投產后管道輸送介質CO2、H2S含量較設計之初增大、細菌腐蝕、砂沉積致緩蝕劑效果減弱和緩蝕劑本身效果不佳等引起的鋼管內壁腐蝕失效。

1）我國某油田混輸管道，設計時CO2含量不到1%，可是實際生產時CO2含量增加到25%以上，由于含液輸送，使該管道投產運行幾年后便發生嚴重的腐蝕穿孔失效（見圖2），導致油田停產。

圖2 CO2 腐蝕穿孔失效

2）我國某油田混輸管道設計時要求注入的緩蝕劑效率至少要達到85%，可是運行期間通過對實際注入緩蝕劑效果的評價，發現實際注入濃度低帶來效果不足30%，由于緩蝕劑注入劑量不足（見圖3），從而加快了海底管道內壁鋼材腐蝕速度，嚴重威脅著管道的安全運營。

圖3 不同緩蝕劑注入濃度下的碳鋼腐蝕形態

管道失效帶來的經濟損失巨大，需將海底管道失效從事故后的被動響應改善成事前預防，實現DNV-RP-F206規范所述的海底管道全生命周期的綜合、一體化完整性管理，建議對于新建和已經在運行的海底管道各有側重，如：對于新建海底管道，建立包括概念設計、基本設計、詳細設計、安裝設計、竣工設計、投入運行和廢棄各階段的管道數據庫，尤其要關注介質組份、設計壓力、設計溫度、操作壓力、操作溫度、材料選擇、緩蝕劑注入、腐蝕監測方案、檢測和維護修復要求等信息。對于投入運行的海底管道，重點關注介質組份變化、壓力溫度變化、緩蝕劑注入效率、埋設深度、懸跨、內外腐蝕檢測和維修維護記錄等。針對海底管道生命周期不同階段需要關注的重點問題加強管理，通過預防或減緩措施把海底管道事故降至最低，現將關鍵因素的管理方法總結簡述如下[4-5]。

2.1 設計階段

1）重點關注的問題

（1）輸送介質溫度、壓力、CO2、H2S和蠟等含量。

（2）工程物探、工程地質、水文氣象資料。

（3）路由選擇與優化。

（4）立管及膨脹彎的布置與保護。

（5）腐蝕評估與材料選擇。

（6）緩蝕劑效率及加注要求。

（7）外涂層及陽極。

（8）材料采辦、施工鋪設技術要求。

（9）船舶過往頻繁區域設置船舶自動識別系統或警示標識。

2）建議的管理方法

（1）合理選擇設計壓力、設計溫度，并根據CO2、H2S含量及分壓合理選擇管道材料。

（2）路由避開錨區、軍事禁區、斷層、淺層氣、液化區、沙波沙脊、陡坡區；盡可能與等深線垂直，并避免與強流向垂直。

（3）根據落物、拋錨、拖錨等分析結果合理提出管道埋深、交叉跨越、穿越航道要求。

（4）建立管盡可能設置在導管架內側，若必須設置在外側，則避開平臺卸貨區和靠船區，例如，建議加設保護結構；平臺附近裸露的膨脹彎，建議上覆混凝土墊等保護裝置。

（5）外涂層及陽極設計滿足輸送介質溫度及服役年限的要求。

（6）明確緩蝕劑加入及效率要求。

（7）對于含蠟量高、析蠟溫度高的管道明確清管頻率。

（8）嚴格要求材料采辦規格書中的化學成分、碳當量、屈強比和管端橢圓度/壁厚等。

（9）明確施工、鋪設過程中起始鋪設、正常鋪設、棄管回收等技術要求，尤其關注張力、托管架角度、濕屈曲和著泥點等監測要求。

（10）明確提出基線檢測要求，重點關注鋪設路由、埋設深度、交叉跨越及懸跨處理等實際狀態與設計的偏差。

（11）必要區域設置警示標識和船舶自動識別系統。

2.2 采辦階段

1）重點關注的問題

（1）鋼管材料化學成分、碳當量、屈強比、管端橢圓度/壁厚和直度等。

（2）原材料質量、焊縫質量、金相組織、機械性能試驗和腐蝕試驗等。

2）建議的管理方法

（1）招標過程中嚴格審查供貨商資質，評標過程嚴格控制與技術要求的偏差。

（2）派代表或聘請第三方監理進駐制管廠全程跟蹤制管質量。

2.3 涂覆預制階段

1）重點關注的問題

（1）外涂層，如：FBE、PE、PP和熱縮帶等對鋼管打磨和預熱溫度等要求。

（2）陽極焊接及與鋼管電連通要求。

（3）混凝土涂覆養護、強度試驗等要求。

（4）端部保護。

2）建議的管理方法

（1）派代表或聘請第三方監理進駐涂覆預制廠，按照規格書要求全程跟蹤、控制質量。

（2）記錄與設計要求的技術偏差。

2.4 安裝、鋪設階段

1）重點關注的問題

（1）鋪管船定位精度。

（2）現場節點焊縫、熱縮帶纏繞、陽極安裝等質量控制。

（3）張緊器張力、托管架傾角、著泥點等監測、控制與跟蹤記錄。

（4）棄管、回收跟蹤與記錄。

（5）鋪設軌跡跟蹤與記錄。

（6）膨脹彎下放、法蘭連接、交叉跨越處理跟蹤與記錄。

（7）清管、試壓、排水、干燥跟蹤與記錄。

（8）挖溝埋設或其他保護措施跟蹤與記錄。

2）建議的管理方法

（1）嚴格焊接程序評定及焊接人員資質考評。

（2）審核施工船與設備能力、船長及主要操控人員能力與資質。

（3）派代表或聘請第三方監理在鋪管船上24 h跟蹤監督施工鋪設質量，發現問題及時終止及采取補救措施。

（4）鋪設過程中發現新問題及時上報。

（5）評定棄管、回收對管道的損傷。

（6）竣工文件要記錄并反映管道實際鋪設路由、實際埋深和交叉處理狀態。

2.5 運行階段

1）重點關注的問題

（1）實際輸送介質的溫度、壓力、CO2、H2S、蠟等含量。

（2）水文氣象條件。

（3）基線檢測、智能內檢測。

（4）緩蝕劑配方及加注點。

（5）蠟、砂沉積狀態。

（6）管道附近電位、電場測量。

（7）其他油氣田后期接入管道強度、壽命評估。

（8）內/外腐蝕、第三方損傷修復措施。

（9）鋪設后調查或檢測。

2）建議的管理方法

（1）分析實測值與設計值的偏差，評價鋼管材料的適應性。

（2）超出設計溫度、設計壓力，采取降溫、降壓輸送措施。

（3）底流超出設計值時，評估海床穩定性及懸跨，根據評估結果采取加強措施。

（4）據介質組分變化及時調整緩蝕劑配方，每種緩蝕劑加注前用試驗方法評價緩蝕劑效率。

（5）投產1年后開展基線檢測，記錄管道路由、埋設、懸跨、交叉跨越等與竣工文件的偏差，對于輸送腐蝕性介質強的管道實施智能內檢測，評價內腐蝕速率與設計的偏差。

（6）蠟、砂沉積管道開展定期清管。

（7）根據實測電場、電位評價管道涂層、陽極狀態。

（8）檢查警示標識完整性和船舶自動識別系

統功能正常性。（9）定期根據監測、監測等結果開展管道完整性評估。

3 結論

本文在分析我國海底管道事故原因的基礎上，通過對DNV-RP-F116“海底管道完整性管理”規范的學習，結合我國海底管道多年來的管理經驗，為保證管道健康、安全、環保運行，提出了設計、采辦、涂覆預制、安裝鋪設、運行生命周期各階段影響管道安全運行的需重點關注的問題，以及預防及改進建議，提出的海底管道完整性管理指導性方案具有可實施性和可操作性。