海洋柔性管道發展研究

孟嘉巖

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300459）

0 引言

隨著海洋油氣田開發的深入，海洋管道作為海洋油氣資源最主要的運輸媒介，對其的研究工作也越來越受到關注。海洋管道主要分為兩類，分別是鋼管和復合材料柔性管。相比鋼管，柔性管自20 世紀70 年代早期開始在北海投入使用以來，以其良好的特性和使用優勢逐漸在海洋油氣資源開發中占據顯著地位，已經成為近海石油天然氣領域商業發展的關鍵設備。

柔性管按照不同的制造工藝可以分為粘結型和非粘結型兩種，其中非粘結型柔性管各層結構之間相互獨立，可以滑動，雖然加大了制造難度，但也使得其具有更強的競爭力。目前在柔性管技術的研究和工業應用上，非粘結型柔性管道占比非常大。

目前，柔性管供應商、工程公司和終端使用者等通過密切的合作，已經建立了基于柔性管生命周期的工業流程，對管道的設計、制造、運輸、鋪設、操作以及完整性管理等方面，給出了一系列具體的要求和規范。但需要注意的是，現階段柔性管道的相關技術和操作規范具有很強的壟斷性和獨立性，還沒有可以遵守的國際規范。目前應用最廣泛的標準是美國石油協會的API 17J、18J 等[1]。世界上最大的三家柔性管道制造商分別是法國的德西尼布公司、英國的油田服務公司和丹麥的NKT Flexibles 公司，其各自有自己的設計研發團隊來負責管道截面設計、質量檢測、工藝設備開發等工作，為其工程團隊提供柔性管生產服務[2]。

1 非粘結型柔性管道結構特性

非粘結型柔性管到是溝通海下油氣田和浮式生產平臺的關鍵設備，在許多領域都有應用，例如石油和天然氣的生產立管；注水、注氣管道；氣體舉升通道；石油和天然氣外輸管道；鉆井設備；海底靜態管路等。在不同應用條件下，對于柔性管管徑、強度、柔性、耐溫性等特性的要求有所不同。

非粘結型柔性管道的性質與其管壁結構密切相關（圖1）。非粘結型柔性管是一種復合結構，構成它的材料很多，包括聚合物材料、金屬材料、人造纖維和泡沫材料等，不同的材料在強度、延展性、塑性、熱膨脹性等方面具有不同的特點。柔性管的每一層都具有特定的功能，并與其他層相互作用，而不同的應用條件也就形成了柔性管不同層結構的組合[3-4]。

圖1 典型非粘結型柔性管截面

1.1 骨架

骨架層是柔性管最內層的結構，也是唯一直接接觸流體的金屬結構，所以用作骨架的金屬材料必須與輸送流體的化學組成相適應。篩選材料的主要因素包括在操作環境下的耐腐蝕性、機械強度和價格。骨架層的作用是提供足夠的強度，來抵抗管道外部的靜水壓力，抵抗管道安裝和操作時的沖擊載荷，以及為內襯層提供機械保護。骨架層是由折疊成S 形的金屬條螺旋相扣構成的，每個S 形結構彼此互鎖形成管狀，圓柱形結構提供徑向的強度和剛度，截面間的相互滑移提供彎曲柔性（圖2）。這樣的制造模式也決定了骨架層是一個開放式結構，流體能夠以很小的速率穿過骨架層。

圖2 典型骨架層結構

1.2 內襯層

骨架層外的內襯層是密封層，由熱塑性材料擠壓而成。在一些應用中常采用在密封層內外增設犧牲層的多層結構，犧牲層的作用是防止相鄰金屬層結構對密封層構成損傷。由于骨架層的開放性結構，內襯層是暴露于輸送流體中的，在選擇內襯層材料時要考慮輸送流體的溫度和化學特性。目前最常用的內襯層材料有3 種，分別是高密度聚乙烯（HDPE）和交聯聚乙烯（XLPE）、聚酰胺纖維（PA11 或PA12）以及聚偏氟乙烯（PVDF）。通常不同的內襯層材料都有各自的商品名稱，而且大部分采用了受保護的專利技術。

1.3 管道環

內襯層和外護套層之間的環狀部分是管道環，管道環是開放型結構，沒有壓力屏障。當管道中輸送高壓流體時，流體將會滲透內襯層進入管道環，造成內壓力積聚，嚴重時會導致外護套層爆裂。為了防止管道環內壓力過大，通常超壓1～2 bar（1 bar=0.1 MPa）時會在管道環的末端開通風孔。在管道建造階段，管道環內的空間充滿了空氣。而在管道運行期間，由于外護套層損傷、海水進入管道環、泄漏等原因，管道環內的物質化學組成會發生變化，從而產生腐蝕隱患、影響其剩余服役壽命。

1.4 壓力鎧裝層

壓力鎧裝層的主要功能是支持內襯層和抵抗內壓引起的環向應力，同時壓力鎧裝層也是能夠抵抗沖擊載荷和偶然載荷的強度構件。壓力鎧裝層是由高強度的軋制碳鋼構成的互鎖結構，目前常用的截面結構如圖3 所示，這些截面結構大多數情況下是受保護的專利技術。

圖3 壓力鎧裝層互鎖截面

1.5 中間護套層

沒有骨架層的光滑內徑管很容易受到水侵入管道環帶來的外部壓力的傷害，所以當外部壓力超過管道內襯層的潰敗壓力時，需要在壓力鎧裝層外增加中間護套層。中間護套層通常使用和內襯層一樣的材料。

1.6 抗拉鎧裝層

抗拉鎧裝層是由兩層或四層鎧裝金屬條以30°～35°的捻角度構成，主要功能是抵抗由內壓和外部載荷引起的軸向應力以及提供管道的扭轉強度。當管道承受軸向載荷時，抗拉鎧裝層會“自傷”來避免管道發生扭轉，而對于造成鎧裝層開卷（鳥籠結構）的某方向上的扭轉載荷來說，該層的扭轉強度和剛度就很弱。該層金屬的截面形狀是矩形或接近矩形，由碳鋼或低合金鋼冷軋制成。通常鎧裝層金屬并沒有標準化的材料等級，材料等級大多情況下是由管道供應商擁有專利。根據美國腐蝕工程師協會的文件，抗拉鎧裝層金屬按極限抗拉強度可分為酸金屬（極限抗拉強度低于900 MPa）和甜金屬（極限抗拉強度1200～1500 MPa），針對柔性管不同的設計需求，抗拉鎧裝層金屬的強度需要進行優化。

1.7 復合鎧裝層

水深超過2000 m 的深水作業中，傳統柔性管的重量不僅給管道敷設設備和敷設船造成了很大負擔，也給浮式生產平臺帶來很大風險。因此可以用纖維加固的聚合物制成的復合鎧裝層來代替金屬抗拉鎧裝層，能顯著降低管道的重量。現在碳纖維復合鎧裝層已經成功應用于柔性立管，基于這項技術的極限水深柔性立管也正在開發中。

1.8 防磨層

受到周期性彎曲的柔性立管，它的抗拉鎧裝層金屬和相鄰鋼性層之間會產生顯著的接觸面應力，從而造成周期性滑移。如果兩層鋼性鎧裝層直接接觸，就可能發生磨損或磨蝕失效。因此在鋼性鎧裝層之間要設置防磨帶。防磨帶通常使用1 mm 左右的Rilsan（耐綸11 型酰胺纖維）材料，它不具有防裂漏功能，管道環中的液體可以通過。該層承受巨大的接觸面應力，并會產生很大的滑移幅度，例如設計使用壽命為20 年的柔性管，累計滑移量達50 km。在服役過程中，如果防磨層失效，會造成管道使用壽命急劇縮短。

1.9 防屈曲層

柔性管在建造和停車期間易受到扭轉載荷和軸向壓縮載荷的作用，這些載荷可能會導致抗拉鎧裝層產生徑向屈曲或鳥籠現象，以及抗拉鎧裝層金屬條帶的側向屈曲。因此在抗拉鎧裝層外需設置防屈曲層，它一般是由芳族聚酰胺（一種輕質高強度合成纖維）或玻璃纖維制成的加強帶構成。

1.10 隔熱層

當柔性管需要進行隔熱處理時，在抗拉鎧裝層和外護套層之間需要設置隔熱層，隔熱層材料通常是泡沫材料或固體隔熱材料。

1.11 外護套層

外護套層一般位于柔性管基礎結構的最外層，通常會受到有沖擊載荷、侵蝕、撕裂載荷以及內外壓力載荷等，外護套層大多由HDPE（高密度乙烯）或Rilsan 材料制成，其作用是密封阻止海水入侵，防止鋼性鎧裝層腐蝕，并對鋼性鎧裝層提供機械防護。據統計，約40%的柔性立管失效是由外護套層損傷導致的。

1.12 彎曲加強件

柔性管末端是一個端部構件，柔性管的所有層都在一個非常復雜的結構中被錨固，管道所受的彎曲載荷在此處會產生非常大的應力集中，從而對管道的剛度和強度構成威脅。因此在管道和端部設備之間需要設置一個用于剛度過渡的彎曲加強件。彎曲加強件結構由聚亞安酯制成，尺寸一般較大、長約數米，端部直徑大于1.5 m，重量超過1.5 t。需要注意的是，彎曲加強件的設計壽命要與柔性管的設計運行壽命相同。

1.13 光滑內徑柔性管路

有骨架層的柔性管稱為粗糙內徑管，沒有骨架層的柔性管稱為光滑內徑管。當輸送流體不含氣體成分或其他適宜條件下，可以使用流動損失小、運行成本低的不含骨架層的光滑內徑柔性管。光滑內徑管管路的缺陷是，當外護套層出現損傷時外部靜水壓力會直接作用于內襯層，因此抗外部靜水壓力能力有限。基于此，光滑內徑管需要在抗拉鎧裝層和壓力鎧裝層間設置防潰敗層，利用壓力鎧裝層的強度來抵抗潰敗載荷。

2 非粘結型柔性管失效模式

柔性管的多層結構存在多種失效模式，粘結型管道和非粘結性管道的失效模型大致相同。這些失效模式在柔性管生命周期的每個階段都有可能發生，尤其是在運輸、安裝和操作階段，事故發生的情況相對集中[5-7]。據統計，58%的失效是由外護套層損傷導致的，19%的失效是由水淹管道環面事故導致的。下面從柔性管生命周期的不同階段分別進行討論。

2.1 設計和制造階段

在柔性管的設計和制造階段，由于水下動力作用，管件鎧裝層會疲勞失效，導致其無法承受很大的壓力并發生泄漏。針對該類型的失效，可以引入增塑PVDF 材料（這是一種抗壓、耐高溫的塑性材料），同時還應注意減小端部接口的荷載。

2.2 運輸階段

失效模式也會出現在與包裝、保存和裝船固定相關的運輸過程中。在該過程中可能出現腐蝕、侵蝕失效。其失效機理是，內骨架暴露于海水及擴散性物質中，從而導致抗拉、抗壓鎧裝層的腐蝕。因此，不僅應重點關注柔性管材料的選取，還應設計陰極保護系統、增加骨架層厚度和減少沙粒含量。另外，柔性管的外護套層很容易受到掉落的貨物和起吊貨物碰撞的傷害。如果外部破損點位于不利位置，并且沒有在安裝前進行維修，損壞的外護套層可直接導致管道失效。

2.3 安裝和回收階段

在安裝或回收期間，最常見的故障是對管子外護套層的厚度損傷。如果外護套層損傷處于飛濺區，陰極保護不起作用或作用有限，且容易接觸氧氣，那么腐蝕損壞就會迅速產生，管道完整性將受到破壞。另一個故障模式是橫向屈曲，其失效機理是在高靜水壓力（深水）環境下，管道過度彎曲或受壓力載荷過大，導致抗拉鎧裝層因過度張緊或屈曲而失效。

2.4 操作階段

在操作過程中可能出現的失效模式較為復雜。

（1）疲勞失效。對于柔性立管所使用的所有材料，在橫截面處都可能會出現機械疲勞。骨架是將冷軋薄鋼帶制成一個環環相扣的柔性結構，制造精度低或負載過大都可能改變骨架的性能，從而造成骨架層的疲勞失效。

（2）腐蝕。如果外部護套層損壞，管道中的鎧裝層金屬將暴露于海水中。如果沒有有效的犧牲電極保護，管線將被腐蝕。另外，對于柔性管道中的外護套層損壞，即使管道兩端均連接到陽極，也會存在氧化腐蝕。

（3）潰敗。柔性管有兩種不同的崩潰情況，一是在光滑內徑管道中內部壓力襯管的崩潰，二是在粗糙內徑管道中骨架和壓力襯管的崩潰。為預防此類型失效發生可采取以下措施：增加骨架層金屬層數、增加壓力鎧裝層或內部壓力護套層厚度（光滑內徑管）、修改結構設計或安裝設計以減少載荷、加裝防泄漏的中間夾層以及增加骨架層或壓力鎧裝層的面積慣性矩。

（4）屈曲失效。在一定的限度內，柔性管可能在壓縮荷載作用下發生屈曲。極端情況下，屈曲荷載可能導致管道過度彎曲和無序化（鳥籠）。柔性管道的屈曲模型大致分為三類，包括：應力過大導致的側向屈曲、由于彈性不穩造成的側向屈曲和徑向屈曲。這三類失效的潛在機理都是由于外護套層的受損或破裂導致的應力集中，或管線受到軸向壓應力和彎曲應力過大導致過壓失效。

3 柔性管道完整性管理

柔性管道的更換成本很高，失效事故更是會帶來災難性的后果。為保證柔性管道運行的安全性和經濟性，需要建立柔性管道完整性管理計劃IMP。管道完整性管理計劃在設計階段建立，需要放眼整個生命周期，考慮到運行中的監測、檢測和測試活動，同時在實施中要時刻注意對運行效果的評估，以對完整性管理計劃進行反饋和更新[8]。完整性管理計劃的關鍵步驟如圖4 所示。

圖4 柔性立管完整性管理的關鍵步驟

目前的實踐情況表明，完整性管理計劃的實施，有助于柔性管道系統的性能改進，有助于降低故障發生概率，同時也有助于降低各種操作風險。柔性管道完整性管理計劃的內容主要分為3 個部分——檢測、測試和監控，另外反饋也是該計劃的重要內容之一。一般來說，一個綜合性的完整性管理系統應該能夠較早地識別出管道系統的各種問題，并有機會提早采取措施、防止事故發生。

3.1 檢測

柔性管道最常見的檢測手段是ROV（水下機器人）視覺檢測。對ROV 進行進一步改進和優化可以使其應用于某一特定的組件和區域。目前應用于近海柔性管的檢測手段有：

（1）ROV 近距離視覺檢測。

（2）甲板層人工近距離視覺檢測。

（3）水上攀援近距視覺檢測。

（4）內部遠程攝像機檢測。

3.2 測試

由于大量的沖水事故造成了管道環測試頻次的增加，目前通常的做法是在安裝后不久進行一輪測試，以提供參考值。在這輪測試中將發現主要通過厚度損傷外護套層和排氣口及閥門的問題。之后需要進行定期輪回大量測試來判斷系統狀態，并對長期運行趨勢進行追蹤。目前柔性管海上作業采用的測試手段有：

（1）安裝、改進、維修后進行管道壓力測試。

（2）為識別完整的外護套層和鑒別液態成分進行環空或壓力測試。

（3）為識別環形空間和可能的腐蝕過程進行環腔氣體抽樣和分析。

（4）浸沒在油品和射流中的聚合物試件壽命檢測。

（5）為分析CO2、H2S 含量進行管內流體成分測試。

3.3 監控

監測壓力、溫度和流量情況是油氣井過程和控制系統的一部分，同樣的設備也應用于在柔性立管完整性管理的情況下監控。近海柔性管道系統使用的監控手段有：

（1）管徑壓力監控，監測海底和頂部傳感器的壓降和壓力變化率/周期。

（2）管徑溫度監控，監測溫度變化率/周期。

（3）通風環流動壓力和流量監測。

（4）環境載荷監控和/或浮臺運動及偏移監控。

（5）管徑流量變化率，特別是與壓降有關的變化率監控。

4 結束語

近年來，大多數的柔性管供應商已經制定了自己的具體規范，國際標準文件也在制定之中。對已有標準的修正和擴大范圍的交流，是把行業經驗傳遞給所有柔性管道事業參與者的最好的方法。但是這些文件的更新和修改是費時較長，專利保護給技術交流帶來的困難和阻力也很大。目前我國的柔性管道事業正在積極開展，盡管已經取得了一些研究成果，但相較世界先進技術水平來講還有很長的路要走。為此，應該抓住海洋油氣資源開發力度不斷加強的契機，提高柔性管的研究和應用水平，逐步掌握海洋柔性管設計制造的核心技術，為我國海洋油氣開發提供保障。