非黏結柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕機理與安全評價研究進展

陳嚴飛，江 楠，何明暢，侯富恒，王春莎，張左旻

（中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室/城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京102249）

據國際能源署統計，全球海洋石油探明儲量為354.7 億t，占全球總儲量的20.1%，海洋天然氣探明儲量為95 萬億m3，占全球總儲量的57.2%，海洋石油與天然氣資源總體探明率分別為23.7%和30.6%［1］。其開發具有重要戰略意義，而非黏結柔性管道作為海洋油氣開發的重要裝備，具有抗腐蝕能力強、彎曲剛度較小、可發生較大變形等優點，近年來被廣泛地應用于世界各海洋油氣田。

非黏結柔性管道是一種復合多層結構的管道，層間無黏接，允許各層間的滑動，其結構如圖1所示［2］，包括骨架層、內襯層、抗壓鎧裝層、耐磨層、抗拉鎧裝層和外包覆層。其中抗拉鎧裝層由矩形截面螺旋鋼絲纏繞而成，用于承載軸向拉力、扭矩和彎矩，為確保管道自身的扭矩平衡，通常為偶數層，鋼絲材料一般為碳鋼或低合金鋼［3］。

圖1 典型非黏結柔性管道結構Fig.1 Typical structure of unbonded flexible pipe

如圖2所示，內襯層和外包覆層之間的環形空間被稱為環空（annulus）［4］，包括抗壓鎧裝層、耐磨層、抗拉鎧裝層以及各層間的間隙，其中間隙空間約占環空總體積的5%到15%，在柔性管道制造階段會在間隙中填充潤滑油，附著于鎧裝層表面形成可防腐油膜［5］。另外，耐磨層的結構會影響環空中流體的流動，耐磨層采用高分子聚合物纏繞，纏繞層間會存在間隙，使得流體能自由通過；靜態柔性管道通常未設耐磨層［5-6］，流體更易在環空各層間流動。管內酸性氣體的滲透、環空內水的冷凝和外包覆層破裂導致的海水進入，使得環空出現易于發生腐蝕的環境，造成鎧裝層的腐蝕。

圖2 柔性管道環空示意Fig.2 Annulus of flexible pipe

由于抗拉鎧裝層鋼絲在環空中位置特殊，很難通過內部或外部檢測確認鋼絲上的腐蝕和裂紋缺陷，而且管道不同位置的環空條件差異較大，例如海底管段環空氣壓大于淺海段的環空氣壓，使抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕環境模擬較為困難。圖3 為抗拉鎧裝層腐蝕的情況［5，7］，其可能造成兩種后果：1）鋼絲金屬截面損失導致柔性管道負載能力降低；2）被腐蝕表面不均勻，導致局部應力增大和應力集中現象，以致疲勞抗力降低，顯著影響鋼絲在風浪流等載荷下的疲勞壽命，甚至引起抗拉鎧裝層產生裂紋。

圖3 抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕Fig.3 Tensile armor layer corrosion

針對非黏結柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕機理與安全評價進行綜述，首先介紹腐蝕機理研究進展，再對檢測方法和設備、腐蝕疲勞壽命評估和腐蝕應對措施進行總結，指出其中的薄弱環節，為抗拉鎧裝層腐蝕預防和檢測評估提供一定參考。

1 抗拉鎧裝層腐蝕機理

1.1 影響環空腐蝕環境的因素

柔性管道中影響環空腐蝕環境的主要因素包括氣體、水和空氣，這些因素共同作用，使得環空環境出現變化，腐蝕過程也變得復雜。

1）環空內的氣體。環空內的氣體通常來自管內氣體滲透，只有外包覆層破損或排氣系統閥門故障時氣體會從外界進入。環空內氣體組成由管內輸送介質所含氣體決定，氣體壓力則取決于排氣口的布置，兩者對環空內腐蝕環境均有影響，例如處于深海的管段，靜水壓力較高，環空壓力較立管段高，通常所含的腐蝕氣體（如CO2、H2S）的分壓也較高，相對立管段更易發生腐蝕。溫度下降時，環空內氣體壓力下降，當低于外界壓力時，外界氣體和液體會從損壞的閥門或外包覆層破損處進入環空，致使利于腐蝕發生的環境出現。

目前有學者對環空內氣體的滲透和冷凝進行了一些研究。張冬娜等［8］使用差壓法研究了內襯材料為高密度聚乙烯（HDPE）時氣體的滲透行為，發現CO2和CH4滲透系數隨溫度升高而增加，CO2擴散系數隨溫度增加變化不明顯，但溶解度系數逐漸增加，CH4則與之相反。Wang 等［9］提出了一個描述多相流模型，描述了氣體滲透柔性管道內襯層的過程及其在環空中的冷凝過程，研究發現氣體只能在濃度梯度較大的窄縫處滲透，不同流型的氣體滲透率相對偏差可達2倍以上，冷凝的液體隨著時間推移而累積。

2）環空內的水。水為腐蝕提供了反應條件，環空內的水主要來源于管內的冷凝水和管外海水。一是冷凝水，當環空中溫度低于環空中水蒸氣的露點時，水蒸氣會冷凝，而當冷凝水足夠多時，水將聚集并從傾斜表面流下，聚集在柔性管道下垂彎曲處、立管段的底端或輸送管線中的低點。排氣管中的冷凝水也是一個潛在來源。二是管外海水，當外包覆層上有孔時，海水通過孔進入環空，形成水柱并壓縮環空內氣體，最終兩者達到相對平衡。當外包覆層上有兩個或以上的孔，海水會在孔間形成的通路中循環，造成富含氧氣的水環境，促進腐蝕發生。圖4為兩種情況的示意。

圖4 兩種情況下環空內水的分布情況Fig.4 Water distribution in annulus under two conditions

有部分學者開發了模型并預測了完好柔性管道內冷凝水體積。Lefebvre等［10］基于成熟的預測環空環境的設計軟件MOLDITM，結合質量傳遞、聚合物材料的物理參數、環空的熱力學方程，開發出3DIFF 模型來描述環空三維特征及其對柔性管道逸度剖面的影響，隨后預測了某在役管道環空中冷凝水的體積，與數據庫對比發現預測結果較為保守，同時計算了CO2在水中的擴散速度，通過試驗發現兩者結果非常吻合。

3）空氣進入。海洋環境下，進入環空的空氣攜帶氧氣和水蒸氣，環空內形成含氧潮濕環境，促使腐蝕發生。當海面以上的外包覆層發生破損時，攜帶豐富水蒸氣的空氣就會進入；另外，當環空內氣體壓力因溫度下降而降低時，空氣會從設計不當的排氣系統吸入，同時攜帶排氣系統內的冷凝水回流到環空中。

引發環空腐蝕的因素中，最為關鍵的是氣體和水，酸性氣體溶于水使環空環境酸化，導致抗拉鎧裝層金屬發生化學腐蝕，其對整個腐蝕過程影響最大，而空氣的進入所帶來的氧氣，更多時候起到加快腐蝕發生的作用，不是抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕的決定因素。

1.2 非黏結柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕機理

抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕機理較為復雜，其與環空環境密切相關。

柔性管道中鎧裝層鋼絲腐蝕主要由酸性氣體CO2導致。CO2溶解于水中后電離出H+使環空環境酸化，鋼絲發生化學腐蝕，致使Fe 轉化為Fe2+，鋼絲表面出現腐蝕坑，水中Fe2+和C結合生成FeCO3，其會沉淀在鋼表面，形成有助于保持低腐蝕速率的保護層。腐蝕速率很大程度上取決于電解液的pH 值（電解液指冷凝水或溶解CO2的海水）。

目前國內外有學者對CO2環境下的抗拉鎧裝層開展了研究。Ropital 等［11］在溫度20℃、純CO2環境下測試了水體積與鋼表面積之比V/S在0.25～100 ml/cm2的腐蝕情況，發現腐蝕速率隨V/S的降低而降低。Underwood［12］通過含飽和CO2和CH4氣體的環空腐蝕試驗，研究了環空中海水進入或水冷凝對CO2腐蝕的影響，然后由電化學和失重測量量化腐蝕速率，得到運行條件下柔性管道中碳鋼鋼絲的腐蝕情況，發現腐蝕速率可能因溶液類型和環空淹沒情況或冷凝水占比而不同。Clements［13］總結已有的數據，用一條非線性曲線擬合數據點并外推出管道環空V/S典型值0.03 ml/cm2時的腐蝕速率，預測值為0.15 μm/a，研究結果表明在充滿水的、無氧的和密閉的環空環境下腐蝕速率會降低。Zhang等［14］通過浸泡試驗和電化學腐蝕試驗，研究了柔性管道用高強度鋼在CO2飽和鹽水溶液和CO2飽和蒸汽環境中的腐蝕行為，發現受試鋼在CO2飽和蒸汽環境中的腐蝕電流密度和腐蝕速率明顯比CO2飽和鹽水環境低，另外隨著腐蝕進行，腐蝕產物（主要為FeCO3）變得厚而致密，腐蝕電流密度顯著降低。劉軍等［15］從壓力、溫度、氣體和腐蝕介質等因素出發，研究了柔性軟管腐蝕過程CO的生成，其結果對完善CO2腐蝕機理有一定作用。

1.2.1 H2S對非黏結柔性管道抗拉鎧裝鋼絲腐蝕的影響

在許多油田生產環境中，H2S含量非常低，其通常可以忽略，但在一些情況，如開采時注水會導致硫化物還原菌的活性增加，產生H2S積累，H2S濃度不斷增大而影響腐蝕。一般情況下溶解在水中的H2S電離出H+，使得環空酸化，最終與抗拉鎧裝層鋼絲反應生成FeS 和H2，其中FeS 溶解度低，易析出沉淀在鋼表面。管道實際運行過程中，H2S 往往伴隨著濃度更高的CO2，H2S 的存在更多地體現在對CO2腐蝕的影響上，因此有必要研究兩者的關系。

一些學者對含H2S的環空腐蝕進行了研究。Taravel-Condat和Desamais［16］進行了高碳鋼在不同H2S、CO2分壓下的腐蝕試驗，發現與純CO2條件相比，當H2S 水平較高時，pH 值下降，腐蝕速率增加。Clements 和Ethridge［17］使用與Underwood［12］類似方法研究了含有飽和CO2和H2S 的環空內鋼絲的腐蝕情況，發現環空處于酸腐蝕環境下的腐蝕速率與甜腐蝕環境下相差不大。Schmitt和Horstemeier［18］發現H2S將與CO2腐蝕產物反應，生成硫化物，使得鋼表面的腐蝕物保護層組成發生變化。Liu 等［19］研究了低合金鋼在H2S/CO2飽和氣體和H2S/CO2飽和鹽水條件下的腐蝕機理，發現回火馬氏體組織結構的鋼在H2S/CO2飽和鹽水中的腐蝕速率大于在H2S/CO2飽和氣體中的腐蝕速率，H2S的加入抑制了FeCO3的形成。

由此可見，H2S對環空腐蝕環境和保護層均有影響，在分析H2S腐蝕時，不能簡單地認為環空中H2S濃度的增加會促進鋼絲的CO2腐蝕，還要考慮H2S的物相、H2S與CO2腐蝕產物之間的作用等因素。

1.2.2 O2對非黏結柔性管道抗拉鎧裝鋼絲腐蝕的影響

純氧氣環境下，鋼在含有溶解氧的海水中的腐蝕會生產Fe（OH）2，其繼續反應將會產生最終產物Fe（OH）3。氧氣腐蝕的速率受到溶解氧的濃度、溫度的影響，當水流動很慢時，氧氣濃度降低，腐蝕速率會變得相當低，而在氧氣濃度不變的情況下，腐蝕速率會隨著溫度的升高而增加。另外，鋼表面的腐蝕物保護層可以隔絕O2，減緩腐蝕發展。目前關于抗拉鎧裝層氧氣腐蝕機理及其影響的研究很少。Bardal［20］的研究表明，在飛濺區，即海水間斷地拍打管道的區域，保護性沉積物可能被沖走，使得氧氣參與腐蝕，腐蝕速率高達0.4 mm/a。

氧氣存在會影響CO2和H2S 腐蝕過程。Schmitt 和Horstemeier［18］發現在CO2環境中氧氣對腐蝕速率有很強的影響，會導致局部腐蝕，其可能會損壞環空中由CO2腐蝕產生的碳酸鐵保護層和高pH環境，使得碳酸鹽膜的保護作用變弱，環境酸化，CO2腐蝕速率增加。氧氣對H2S腐蝕也有影響，含氧海水進入含高濃度H2S的海底管道環空時可能會改變腐蝕機理和腐蝕速率，氧氣可能會與硫化氫反應生成腐蝕性很強的硫，這就可能造成腐蝕速率增加。

1.2.3 其他非黏結柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕影響因素

關于環空密閉和開放條件下的CO2腐蝕已有一定的研究，同時也有小部分學者研究了腐蝕后的產物生成和其他氣體對CO2腐蝕的影響，但是還有一些抗拉鎧裝層腐蝕的影響因素值得研究。王長學等［21］研究了環形空隙率對鎧裝層金屬腐蝕行為的影響，研究發現材料的腐蝕速率隨孔隙率的下降而減小。在發生CO2腐蝕的情況下，流動的冷凝水能帶走具有緩沖的Fe2+離子，促進CO2腐蝕反應的發生，加快腐蝕，并且海水中的氯化物可能會對保護膜造成局部損傷，導致點蝕發生，目前這些方面的研究很少，需要進一步試驗。另外，目前關于抗拉鎧裝層鋼絲鍍鋅層對腐蝕的影響、鋼絲滑動發生表面微動磨損時對腐蝕的影響，還未見報道，未來可進行相關研究。

2 非黏結柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕安全評價

2.1 非黏結柔性管道檢測與監測方法

非黏結柔性管道檢測主要有環空檢測與監測、外觀檢測和內部缺陷檢測，通過檢測可以探知環空環境和抗拉鎧裝層腐蝕程度。

2.1.1 環空檢測與監測

環空檢測主要用于檢測環空內水環境和氣體環境，是一種間接檢測腐蝕的方法，通過檢測或監測環空自由體積、環空壓力和排氣量等相關參數，對比數據庫數據，判斷柔性管道環空是否形成腐蝕環境以及腐蝕是否發生，但判斷準確度需要依靠管道歷史數據和試驗結果，同時可輔助判斷柔性管道外包覆層和排氣系統是否損壞。Dion 等［22］開發了SUBC-RACS 立管環空監測系統，該系統由閥門、傳感器和計算機等設備組成，可監測環空壓力和環空自由體積，傳感器檢測環空壓力、溫度和排氣量，數據傳輸至計算機后，由軟件生成壓力變化曲線并計算得到環空自由體積。在現場試驗中，該系統具有較好的魯棒性和可靠性。Matheus等［23-24］設計完善了一種射頻識別系統（RFID），其在制造時在柔性管道各層插入特殊設計的傳感器，通過測量傳感器的共振頻率偏移來檢測環空中的液態水。在實際應用中，該方法能有效地檢測到環空內被淹沒的區域。Raman 等［25］提出了如圖5 所示的環空氣體監測儀表系統（ISAGM），能深入了解環空壓力與氣體流動的動態行為并長期監測，為柔性管道評估提供環空排氣率和環空完整性相關數據，可應對環空淹沒和通風口堵塞導致的柔性管道損壞。武國營等［26］在國內首次應用環空檢測技術，采用國外測試設備進行密封保壓測試和氮氣壓力測試，檢測了某浮式生產儲油卸油裝置3根柔性管道的保壓壓力、環空剩余體積和環空排氣系統流量等數據，為評估柔性管道狀態和疲勞壽命提供依據。金星等［27］分析了環空檢測設備檢測的結果，指出應定期進行環空檢測并記錄環空體積可幫助判斷柔性管道運行狀態，其使用的環空檢測設備如圖6所示。

圖5 ISAGM結構Fig.5 ISAGM structure diagram

圖6 環空檢測設備示意Fig.6 Diagram of annulus detection equipment

2.1.2 外觀檢測和內部缺陷檢測

目前已有一些外觀檢測和內部缺陷檢測方法，下面介紹其原理［28-30］和應用。

外觀檢測主要是檢查柔性管道外包覆層是否損壞，一般由潛水員或遙控水下機器人（ROV）執行，ROV或深水潛水員負責最深段，淺水潛水員負責中間段，水面以上由滑動檢測裝置完成，檢測到損壞后，應立即予以確認和維修，防止海水和潮濕空氣進入環空，形成腐蝕環境。

內部缺陷檢測，一是超聲導波檢測技術，低頻扭曲波或縱波通過柔性管道每層時，會返回一定比例信號，探頭接收每層的外壁和內壁信號，通過計算機分析后，可獲得腐蝕深度圖像，由于超聲波在液體中穿透更強，因此更適合檢測環空被淹沒的柔性管道。Francis 和Chaves［28］結合有限元和神經網絡技術，使用超聲導波技術進行了柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕檢測，但是僅在環空內存在水時聲波才能穿透抗拉鎧裝層，其掃描結果如圖7 所示，圖中坐標軸表示掃描位置，右側數字代表鋼絲序號。二是渦流檢測技術，交流電流過線圈產生交變磁場，交變磁場穿過鎧裝層誘導渦流，產生二次感應磁場，探頭通過探頭線圈中的阻抗來測量二次感應磁場的幅值和相位，分析信號獲得抗拉鎧裝層腐蝕程度，該方法主要對表面和近表面的缺陷進行檢測，適用于檢測柔性管道裂紋、腐蝕坑和侵蝕，相較于磁漏檢測靈敏度更高。Innospection 公司［31］開發了MEC-FIT 柔性管道檢查工具，在磁鐵上使用渦流線圈，增強渦流穿透性，信號通過渦流傳感器接收，能夠檢測裂紋、腐蝕、壁厚損失等缺陷。

圖7 超聲導波檢測結果Fig.7 Detection result of ultrasonic inspection method

2.1.3 檢測設備

單一的檢測方法很難全面地獲取柔性管道狀態，如外表缺陷情況、內部腐蝕情況、環空環境等，因此綜合多種檢測方法的檢測機器成為新的研究方向。目前有以遙控潛水器（ROV）為搭載基礎的檢測機器，其攜帶超聲波探測器和攝像機等設備，一次可進行500 mm 長度全圓周高分辨率掃描，并實時傳輸數據，檢測精度可達0.1 mm，檢測器及檢測結果如圖8所示［32］。圖8中坐標軸代表掃描位置，黑色圓圈表示每條鋼絲上最小厚度測量值的位置。

圖8 Neptune檢測器及檢測結果Fig.8 Neptune detector and the detection result

在線立管檢測系統（IRIS）［33］是technipFMC 開發的一種多功能水下檢測工具，結合電磁檢測，超聲波檢測，X射線計算機層析成像等無損檢測技術，可以檢測柔性管道腐蝕、裂紋和破裂等缺陷，以及環空內是否進水。其可沿柔性管道獨立部署，遠程實時操控，進行表面掃描，依據掃描結果和開發的CAD 工具CANAFLEX，實現柔性截面建模，可協助制定各種檢查策略。其結構和掃描分析結果如圖9 所示，圖9（c）檢測段局部坐標系表示掃描區位置。

圖9 IRIS機器和分析結果Fig.9 Machine and analysis result of IRIS

2.2 非黏結柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕疲勞評估

抗拉鎧裝層鋼絲發生腐蝕會導致其疲勞壽命下降，發生事故的風險升高，需要對腐蝕鋼絲進行疲勞壽命評估，通常的做法是檢測和評估抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕程度，然后進行疲勞測試，得到S-N 曲線計算腐蝕疲勞壽命，因此，獲取不同腐蝕狀況下腐蝕疲勞壽命需要較多的試驗。

部分學者開展了不同條件下的腐蝕疲勞試驗，分析了腐蝕對柔性管道壽命的影響。Santos 等［34-35］研究了CO2分壓大小對柔性管道抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕疲勞行為的影響，進行不同CO2分壓下的腐蝕疲勞試驗，測得無CO2分壓下充氣海水（與空氣充分接觸）環境、3 bar 和10 bar CO2分壓下脫氣海水環境的S-N 曲線，發現高濃度CO2條件下柔性管道壽命明顯降低，10 bar CO2條件下比3 bar 時減少8%，比無CO2時減少29%，驗證了高濃度CO2會降低柔性管道壽命。該試驗結果可用于高濃度CO2環境的柔性管道設計和壽命評估，但要得到CO2影響壽命的濃度上限，需更多的試驗，其試驗方法可用于設計輸送含高濃度CO2流體的管道。Ottesen-Hansen 等［36］測試了不同應力范圍下的多個鋼絲，通過動態、撓度控制的四點彎曲疲勞試驗獲得了SN曲線，并提出了100 MPa應力內定性和定量比較鋼絲疲勞強度的方法，試驗中發現鋼絲的疲勞壽命在空氣中最長，其次是脫氧海水，最后是酸性環境（H2S），比較結果發現不同供應商提供的同等級鋼，在同一模擬環境中，疲勞壽命相似。Barnes 和Mclaughlin［37］使用高強度鋼制造的抗拉鎧裝層鋼絲，進行了4 種環空環境下的腐蝕疲勞試驗，并得到了鋼絲疲勞壽命，結果表明環空環境酸性越強，抗拉鎧裝層的疲勞壽命越短。

目前已有一些抗拉鎧裝層鋼絲疲勞壽命評估方法。API RP 17J規范［38］中規定抗拉鎧裝層疲勞分析采用Miner 法則和S-N 數據，若按標準規定條件下試驗得到的壓力值小于其承載極限，則可不使用Miner 法則。Kalman 等［39］結合API RP 17J［38］、API RP 17B［40］、DNV RP A203［41］規范，提出一套評估DeepFlex 柔性纖維增強管（FFRP）和柔性混合增強管（FHRP）的完整性流程，在性能評估階段依據API RP 17B標準對FFRP和FHRP進行動態疲勞測試。通常抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕疲勞壽命使用S-N曲線來計算，如式（1）所示：

其中，N為失效循環次數，ΔS為應力范圍，m為斜率參數（常數），C為常數。Berge 等［42］提出鎧裝鋼絲高周區疲勞壽命可按應變—壽命關系來描述，即總應變法評估，如式（2）所示：

其中，Δε為應變范圍（彈性和塑性）；Nf為失效逆轉系數（Nf= 2N，N為失效循環次數）；σ′f為疲勞強度系數，MPa；ε′f為疲勞延展指數；E為彈性模量，MPa；b為疲勞強度指數；c為疲勞延性指數。

在上述兩式中，式（2）等式右側第二項在高周區可忽略，在此基礎上，使用表面光滑的試樣進行疲勞試驗，與式（1）方法比較，得到疲勞強度指數b與參數m的關系為b=?1/m，一般b取值?0.05至?0.12，故m取值范圍為6至20，結果可為腐蝕疲勞壽命評估時S-N曲線的擬合提供參考。

一些學者的疲勞壽命分析可作為腐蝕疲勞壽命評估的參考。郝建伶等［43］根據環空檢測數據，選擇S-N曲線，建立柔性管道模型，通過雨流計數法得到的應力序列的疲勞周期，計算出柔性管道疲勞壽命。龐國良［44］考慮波浪、海流及上部平臺運動，計算得到立管熱點處的載荷響應時程，結合柔性管道數值模型，得到抗拉層應力響應時程，基于S-N 曲線和Miner 線性累計損傷理論，計算了立管不同抗拉層的疲勞壽命。朱佳等［45］建立柔性管道模型，計算了不同來浪角度浮體晃動背景下柔性管道的疲勞壽命，計算考慮了風浪數據，可對風浪流與腐蝕共同作用下的疲勞壽命評估提供參考。

還有部分學者考慮更多的影響因素，改進鋼絲腐蝕疲勞評估方法。Krishnan 等［46］考慮點蝕對鋼絲疲勞壽命的影響，在空氣和海水兩種環境下對無點蝕和預先點蝕的抗拉鎧裝層鋼絲試樣進行一系列小規模疲勞試驗，得到的數據可以為立管的設計和疲勞壽命評估提供參考。Favaro Borges 等［47］改進柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕疲勞評估方法，樣品在進行疲勞腐蝕試驗時，考慮了疲勞與腐蝕的共同作用，即在人工模擬海水環境中進行疲勞試驗，隨后對比原S-N 曲線，驗證了新S-N 曲線的可靠性，改進的方法能更準確地預測水淹環空條件下運行管道的剩余壽命。

關于抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕疲勞壽命，目前已有一些評估方法和結果，并在實際生產中得到應用，但由于海水中環境復雜，環空內條件變化，這些結果存在局限性，因此需要對各種環境中的鋼絲腐蝕進行試驗研究總結，得到適用性更廣的評估方法。

2.3 非黏結柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕應對措施

腐蝕應對措施主要圍繞避免外包覆層損壞、鋼材設計選擇、腐蝕防護評估開展，以盡可能延長柔性管道的壽命。

在安裝過程中，通過嚴格執行程序來減小外包覆層損壞的可能性。在運行過程中，要防止環空排氣系統堵塞導致外包覆層破裂，因此必須定期檢查和連續監測排氣量和排氣系統流量。

此外，還可以通過設計和研究合格的耐腐蝕鋼材來減輕腐蝕影響。Liu等［48］通過浸泡試驗，研究了用于柔性管道鎧裝層的高強度鋼的CO2腐蝕行為和氫致開裂行為（HIC、SSCC 和HE），發現按特定標準設計的回火馬氏體鋼材具有優良的抗HIC、SSCC、HE 和CO2腐蝕性能，而鐵素體則未達到抗HIC 和SSCC 標準。高秀華等［49］設計開發了一種低合金高強度海洋軟管用鋼，其屈服強度大于600 MPa，滿足抵抗氫脆、抗氫致開裂、抗應力腐蝕開裂的性能。這可以作為鋼絲材料選取的參考。

預防腐蝕要確保腐蝕防護有效程度。工程中平臺和柔性管道的陰極保護設計常常由不同團隊設計，導致立管直接與平臺主體連接時需要考慮兩者陰極保護的兼容性，即計算電流衰減，確定柔性管道陰極保護不受平臺陰極保護系統陽極影響的安裝位置［50］。非黏結柔性管道的腐蝕防護狀態評估研究極少，在進行評估時可參考海底鋼管的腐蝕防護評估方法和經驗，檢測保護電位有效性、犧牲陽極狀態等相關內容［51］。

在面對避免腐蝕或減輕腐蝕影響的問題時，要采取合理策略來處理。運行過程中發現腐蝕，通常是監測到數據異常，此時，應及時采取必要措施，對異常數據進行分析，找到腐蝕嚴重位置，快速部署檢測設備，并通過事故樹分析系統故障原因，開展維修補救行動［52］。Charlesworth 等［7］分析了英國石油公司某退役立管全生命周期的應對過程，該管道外包覆層曾出現破裂，在檢查發現后立即進行了修復，并在環空中注入緩蝕劑以減輕腐蝕和腐蝕疲勞的影響，最后柔性管道因鋼絲達到設計疲勞壽命而退役，解剖后發現管道聚合物層和鎧裝層的總體狀況良好，鋼絲和骨架層均只出現有限腐蝕，耐磨層出現磨損，疲勞試驗表明服役的抗拉鎧裝層鋼絲疲勞壽命與設計壽命相當，這說明英國石油公司采取的腐蝕應對措施和方案是有效的。

目前為減輕腐蝕帶來的完整性問題，應對措施主要圍繞檢測和監測結構完整、研究耐腐蝕材料、確保腐蝕防護有效進行，國內外學者均對此進行了研究，但國內的相關領域起步較晚，需要更多的試驗和運行經驗，開發出更成熟的解決措施。

3 結 語

抗拉鎧裝層是柔性管道的重要結構，鋼絲的腐蝕會影響柔性管道的服役壽命，嚴重時可能影響管道運行安全，因此研究腐蝕機理和腐蝕疲勞評估方法及應對措施具有重要意義。隨著非黏結柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕研究的深入，其腐蝕機理愈發清晰，腐蝕疲勞評估方法不斷完善，檢測方法和設備不斷升級，國內也在近幾年開始進行柔性管道的環空檢測，用于評估柔性管道狀態，但是由于環空環境復雜，現有的腐蝕機理理論、腐蝕疲勞評估方法和腐蝕應對措施仍不足以應對柔性管道環空內復雜多變的情況。對國內外腐蝕機理研究、檢測方法、腐蝕疲勞壽命評估和腐蝕應對措施進行總結，并給出建議，希望可以為下一步研究提供幫助：

1）非黏結柔性管道環空環境在破損狀態下的相關研究較少。破損柔性管道的應用環境復雜，管道受到內外環境的干擾，內部環空環境不斷變化。尤其是當外包覆層出現損壞，環空處于較為開放的環境時，內部的水環境、氣體環境、壓力等不穩定，使得抗拉鎧裝層鋼絲更易發生腐蝕。目前學者在管道完好情況下的氣體滲透速度、冷凝水和鋼絲腐蝕速率等方面有一定的研究，但在管道破損下抗拉鎧裝層腐蝕研究較少，如缺少外包覆層損壞持續時間對抗拉鎧裝層腐蝕反應類型及腐蝕速率影響的研究，未來需獲取相關數據為管道維搶修提供參考。

2）腐蝕機理中影響腐蝕因素的研究仍不夠全面。在研究抗拉鎧裝層腐蝕機理時，冷凝水流動、冷凝水積聚程度、O2等因素對CO2腐蝕的影響還需要進一步研究；環空內鋼絲腐蝕速率和腐蝕產物保護層與H2S積聚過程的關系值得考慮；海水中氯化物對點蝕和腐蝕產物的影響還要通過試驗進一步確認；鋼絲鍍鋅層、鋼絲微動磨損對腐蝕的影響還未有相關研究。

3）國內監測和檢測方法的研究和應用仍缺少經驗。柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕檢測已有較為成熟的方法和檢測設備，未來發展趨勢主要體現為檢測方法和設備一體化，即一次完成各個檢測，檢測結果互相驗證，并生成模型。國內柔性管道檢測起步較晚，仍需借助國外設備檢測環空環境，未來應積累檢測技術經驗，努力實現檢測設備國產化。

4）腐蝕疲勞試驗仍然處于研究單個腐蝕影響因素的階段。目前評估抗拉鎧裝層腐蝕疲勞壽命的方法為分別測定幾個腐蝕影響因素下的S-N 曲線來計算腐蝕疲勞壽命，而在實際生產中，多個因素綜合作用，共同影響環空腐蝕環境，使得腐蝕環境不同于實驗室模擬環境，單個因素下的試驗和試驗結果適用范圍較小，評估結果準確性較低，因此在進行抗拉鎧裝層腐蝕疲勞壽命研究時，應盡可能同時考慮多個腐蝕影響因素。

5）在未來，可通過發展柔性管道檢測監測技術和監測設備，盡可能多的獲取鋼絲腐蝕數據和環空環境數據，同時結合腐蝕疲勞試驗和有限元分析，建立和完善非黏結柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕疲勞數據庫，在此基礎上，研究復雜條件下腐蝕對鋼絲疲勞壽命的影響，盡可能量化各個影響因素，方便非黏結柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕分析，降低后續完整性管理成本。