陳嚴飛 何明暢 宗 優(yōu) 董紹華 閻宇峰 張 曄 劉 昊 曹 靜

1.“油氣管道輸送安全”國家工程實驗室·中國石油大學(xué)（北京） 2.“工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析”國家重點實驗室·大連理工大學(xué)3. 中海油研究總院有限責(zé)任公司

1 研究背景

非粘結(jié)柔性軟管具有柔性良好、適應(yīng)性強、鋪設(shè)速度快、可回收等優(yōu)點，是目前海洋油氣田開發(fā)中的關(guān)鍵設(shè)施。非粘結(jié)柔性軟管由金屬層與非金屬層復(fù)合而成。金屬層由金屬鋼帶互鎖或螺旋纏繞而成，非金屬層由復(fù)合材料組成，層與層之間并不通過化學(xué)工藝粘接，能夠進行相對運動，使其具有良好的柔性。根據(jù)內(nèi)部是否有骨架層，可將其分為光滑型和粗糙型[1]。典型非粘結(jié)柔性軟管結(jié)構(gòu)如圖1所示，由內(nèi)至外依次為骨架層、內(nèi)襯層、抗壓鎧裝層、耐磨層、內(nèi)抗拉鎧裝層、耐磨層、外抗拉鎧裝層、外包覆層。其中骨架層通常由不銹鋼制成，主要用于承受徑向靜水壓力，并提供足夠的剛度支撐內(nèi)襯層；內(nèi)襯層由尼龍等聚合材料制成，用于形成管內(nèi)輸送介質(zhì)流通的密閉空間；抗壓鎧裝層由碳鋼制成，主要功能為承受徑向內(nèi)壓；耐磨層由聚合物材料制成，減少金屬層間磨損；抗拉鎧裝層的材料通常為碳鋼，用于承受管道的軸向載荷以及彎矩和扭矩；外包覆層同樣由聚合物材料制成，用于隔絕外部環(huán)境。此外，可根據(jù)實際需要增加其他功能層，如保溫層、抗鳥籠帶等[2]。

圖1 典型非粘結(jié)柔性軟管結(jié)構(gòu)示意圖

柔性軟管由多層金屬和非金屬復(fù)合而成，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，加上所處海洋環(huán)境惡劣，使柔性軟管的失效模式更加多樣。近10年國內(nèi)外非粘結(jié)柔性軟管失效事件統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。筆者綜述了柔性軟管的壓潰、爆破、過度拉伸、壓縮屈曲、過度彎曲、過度扭轉(zhuǎn)、疲勞和腐蝕這8種常見失效模式，總結(jié)了影響軟管失效的主要因素，并給出降低柔性軟管失效風(fēng)險的預(yù)防和控制措施，可以為柔性軟管設(shè)計和運行管理提供參考。

圖2 柔性軟管失效事件統(tǒng)計圖[3]

2 主要失效模式研究進展

2.1 柔性軟管壓潰失效

柔性軟管壓潰失效是由于外壓載荷超過骨架層極限承載力而發(fā)生的徑向屈曲。柔性軟管制造商給出的管道壓潰壓力通常為“濕壓潰”壓力，即外包覆層破裂，靜水壓力直接作用于內(nèi)襯層上的情況，載荷完全由骨架層承受。而外包覆層完好、環(huán)空（內(nèi)襯層與外包覆層間的空間）中無積水情況下發(fā)生的壓潰為“干壓潰”。由于“濕壓潰”忽略了抗壓鎧裝層和抗拉鎧裝層對管道徑向剛度的增強作用，因此給出的柔性軟管理論壓潰壓力十分保守。這也導(dǎo)致骨架層重量更大，需要性能更好的抗拉鎧裝層來承受軸向載荷，增加了制造、安裝和運行成本[4]。

Paumier等[5]2009年對不同結(jié)構(gòu)尺寸的柔性管道進行了200多次試驗，得到了較為全面的骨架層的壓潰壓力數(shù)據(jù)，并提出了骨架層的兩種壓潰形式：①當(dāng)抗壓鎧裝層較厚時，易發(fā)生“心”形壓潰；②當(dāng)抗壓鎧裝層較薄時，易發(fā)生“8”形壓潰（圖3）。

圖3 骨架層壓潰失效模式圖

柔性軟管在制造、安裝和運行過程中存在諸多影響管道抗壓潰能力的因素，如橢圓度、侵蝕、腐蝕和彎曲等。由于制造工藝限制，以及管道鋪設(shè)過程中張緊器張力作用，柔性軟管的橫截面存在一定的橢圓度，這種截面不均勻性將削弱軟管的抗壓潰能力。API 17B中規(guī)定，未經(jīng)測量的骨架層初始橢圓度默認為0.2%[7]。李偉民[8]采用解析和數(shù)值方法分別計算橢圓度為0、0.2%、1.0%、3.0%的骨架層的臨界壓潰值，結(jié)果表明臨界壓潰值隨橢圓度的增大而顯著減小，同時也證明了API規(guī)范中初始橢圓度默認值的合理性。Li等[9]提出一種預(yù)測具有初始橢圓度的柔性立管臨界壓潰壓力的解析方法，并通過數(shù)值模擬驗證了該方法的準確性。骨架層壓潰性能研究中通常忽略鋼帶螺旋鋪設(shè)角度對管道的影響，這引起了一定的爭議[10]，后來Neto等[11]對該問題進行了研究，證明了鋪設(shè)角度對骨架層壓潰性能的影響可以忽略不計。

柔性立管彎曲時，骨架層受拉側(cè)鋼帶螺距增大，受壓側(cè)螺距減小，使得骨架層截面產(chǎn)生了不均勻性，進而影響立管結(jié)構(gòu)的徑向剛度。柔性立管與海床接觸的區(qū)域通過彎曲變形實現(xiàn)與海底管段的銜接過渡，因而存在較大的曲率，而該區(qū)域位于海底，承受的靜水外壓最大，發(fā)生壓潰失效的風(fēng)險較高。Clevelario等[12]進行了柔性軟管彎曲壓潰試驗，研究在外壓載荷下的彎曲壓潰行為。實驗結(jié)果表明，相比于直管，彎曲軟管的壓潰壓力降低超過10%，表明彎曲狀態(tài)對柔性軟管抗壓潰能力存在明顯的削弱作用。

侵蝕是管內(nèi)流體中攜帶的高速運動的砂礫與骨架層接觸使骨架層發(fā)生磨損，進而導(dǎo)致骨架層厚度減薄，削弱其抗壓潰能力的現(xiàn)象。尤其是在軟管的彎曲處，砂礫與骨架層內(nèi)壁的撞擊和摩擦作用更劇烈，破壞更為嚴重。研究表明，管道的侵蝕程度取決于流體流速、含沙量、氣體成分（是否含有腐蝕介質(zhì)）、壓力以及溫度等因素[13]。DNVGL-RP-O501 2015[14]中給出了用于預(yù)測柔性管侵蝕程度的控制方程：

式中mp表示砂礫的質(zhì)量流量，kg/s；K和n表示與管道材料有關(guān)的參數(shù)；Up表示砂礫的沖擊速度，m/s；F(α)表示描述侵蝕對顆粒沖擊角依賴關(guān)系的函數(shù)。

2.2 柔性軟管爆破失效

爆破失效主要是由于管道內(nèi)壓過大導(dǎo)致的抗壓鎧裝層或外包覆層破裂。圖4、5分別為抗壓鎧裝層和外包覆層爆破失效圖。高溫高壓海洋油氣田開發(fā)中，柔性軟管往往需承受較大內(nèi)壓荷載，軟管運行內(nèi)壓可達20 MPa，加之管道腐蝕、磨損也會削弱軟管內(nèi)壓承載能力，國內(nèi)外已出現(xiàn)多起柔性軟管爆破失效的事故。

圖4 抗壓鎧裝層爆破失效圖[15]

圖5 外包覆層破裂圖[16]

2.2.1 抗壓鎧裝層爆破

早在1985年，Oliviera等[17]就提出了一種考慮軸向和環(huán)向形變的預(yù)測柔性軟管爆破強度的簡化分析模型，這是關(guān)于柔性軟管爆破失效最早的研究之一。Chen等[18]通過兩步法分析了柔性軟管爆破失效機理：第一步是研究抗壓鎧裝層受內(nèi)壓時的力學(xué)行為；第二步研究了抗壓鎧裝層失效后的抗拉鎧裝層響應(yīng)過程，并利用環(huán)壓縮理論給出了簡單的爆破壓力計算公式。Kebadze[19]推導(dǎo)并總結(jié)了柔性軟管各層的解析模型，并將其組合進行不同模型的理論求解。Fernando等[20]考慮了工廠驗收測試（FAT）中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，采用數(shù)值模擬，提出了一種抗壓鎧裝層應(yīng)力分析方法，結(jié)果表明抗壓鎧裝層在投產(chǎn)前可能存在一定的應(yīng)力集中，這會降低其爆破內(nèi)壓。Zhu等[21]提出了用于預(yù)測柔性軟管爆破壓力的平均剪切應(yīng)力屈服準則，并將預(yù)測值與實驗結(jié)果進行了對比，發(fā)現(xiàn)兩者吻合度較高。Neto等[22]提出了一種線性解析公式，將抗壓鎧裝層等效為薄壁圓筒，并給出其截面形狀的等效厚度的計算方法。Fergestad[3]基于曲梁理論，考慮較為簡單的徑向和軸向平衡關(guān)系來分析抗壓鎧裝層內(nèi)壓承載能力，并以極限強度作為破壞準則。Shao等[23]基于虛功原理，建立了考慮材料塑性的柔性軟管應(yīng)力和形變理論模型，并利用Abaqus建立有限元模型驗證了理論模型的準確性。研究結(jié)果表明，該方法能夠較準確地預(yù)測柔性軟管的爆破壓力，可以用于抗壓鎧裝層截面設(shè)計和安全評估。

2.2.2 外包覆層破裂

環(huán)空內(nèi)壓激增是導(dǎo)致外包覆破裂最常見的原因。環(huán)空內(nèi)壓力激增通常有兩種原因：①管內(nèi)流體由于內(nèi)襯層泄漏進入到環(huán)空區(qū)域，引起環(huán)空壓力激增；②由于排氣系統(tǒng)堵塞使管內(nèi)流體中的揮發(fā)氣體滯留在環(huán)空中，造成環(huán)空區(qū)壓力超過外包覆層的極限承載能力[24]。因此，保證排氣系統(tǒng)正常運行以及進行環(huán)空氣體監(jiān)測是控制外包覆層破裂重要措施，也是柔性軟管完整性管理重要組成部分。

2.3 柔性軟管過度拉伸失效

2.3.1 抗拉鎧裝層拉伸斷裂失效

拉伸失效主要是由于軸向拉力過大導(dǎo)致的抗拉鎧裝層鋼帶斷裂（圖6）。由于在柔性軟管設(shè)計階段已經(jīng)在正常運行載荷的基礎(chǔ)上留有充足裕量，因此該失效形式并不常見，只有當(dāng)過大的載荷與腐蝕、疲勞等因素共同作用時才有可能發(fā)生[24]。

圖6 抗壓鎧裝層拉伸斷裂圖[25]

Yoo等[26]建立三維八層有限元模型研究柔性軟管極限抗拉強度。該研究表明，當(dāng)模型承受漸增的軸向拉力時，管道的整體剛度降低，內(nèi)抗拉鎧裝層首先達到屈服狀態(tài)，外抗拉鎧裝層緊隨其后。當(dāng)內(nèi)抗拉鎧裝層的應(yīng)力達到其抗拉強度時，柔性軟管發(fā)生拉伸失效。Sousa D J R M等[27]在有限元模型中考慮摩擦系數(shù)，模擬了拉伸載荷下柔性軟管的失效行為。提出了一種預(yù)測含有斷裂抗拉鎧裝鋼帶的柔性軟管剩余疲勞壽命的方法。研究結(jié)果表明，部分鋼帶的損傷會引起嚴重的應(yīng)力集中，管道的剩余疲勞壽命隨斷裂鋼帶數(shù)的增加而顯著減少。姜豪等[28]建立了一種柔性立管簡化模型，完善了各層接觸模擬細節(jié)，并利用此模型分析了組合載荷對柔性軟管抗拉能力的影響。結(jié)果表明，軸向拉力加扭矩的載荷工況使柔性軟管的拉伸剛度顯著減少，為柔性軟管抗拉鎧裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計和完整性評價提供了指導(dǎo)。

2.3.2 骨架層拉伸解鎖失效

骨架層互鎖鋼帶之間存在間隙，允許一定的拉伸或壓縮，但當(dāng)骨架層達到截面拉伸或壓縮極限后，將發(fā)生解鎖失效[28]（圖7）。這種失效模式常發(fā)生在抗拉鎧裝層發(fā)生斷裂后，此時抗拉鎧裝層無法提供足夠的拉伸承載能力。Farnes等[29]于2013年首次提出了骨架層軸向拉伸解鎖的失效模式，利用拉伸試驗機測試了不同尺寸的骨架層的軸向承載能力，得到載荷—位移曲線，與數(shù)值方法得到的數(shù)據(jù)進行對比分析，為通過測量骨架層螺距評估軸向載荷值奠定了基礎(chǔ)，也為骨架層拉伸失效研究提供了依據(jù)。Skeie等[30]對回收的15.2 cm、20.3 cm和22.9 cm柔性管道骨架層進行軸向拉伸試驗，研究骨架層的極限軸向承載力以及裂紋等損傷對骨架層軸向剛度的影響，并建立相應(yīng)的有限元模型分析計算，兩者結(jié)果吻合較好。Kristensen等[31]結(jié)合中尺寸實驗和數(shù)值方法提出了產(chǎn)生骨架層軸向載荷的4種來源：①骨架層和內(nèi)襯層的自重；②外壓載荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)力；③內(nèi)襯層溫降引起的熱收縮；④內(nèi)襯層殘余應(yīng)力、因體積損失產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和運行期間累積的應(yīng)力。

圖7 骨架層拉伸解鎖失效圖

2.4 柔性軟管壓縮屈曲失效

由于抗拉鎧裝層鋼帶具有特殊螺旋結(jié)構(gòu)，其軸向壓縮剛度遠低于拉伸剛度[32]，在受軸向壓縮載荷時，鋼帶存在徑向和側(cè)向位移，導(dǎo)致鋼帶產(chǎn)生巨大的彎曲應(yīng)力，這時可能會發(fā)生徑向屈曲失效，由于抗壓鎧裝層鋼帶凸起形似鳥籠，因此又稱“鳥籠屈曲”，如圖8所示。有研究指出，2010年全球5%的海洋柔性軟管事故與鳥籠屈曲有關(guān)[23]，且多發(fā)生于海底靜態(tài)管線。該失效模式近年來得到重視，新投產(chǎn)的柔性軟管通常在抗壓鎧裝層外側(cè)使用高強度芳綸纖維材料制成的“抗鳥籠帶”來進行控制，因此此類失效事故已顯著減少。

圖8 柔性軟管壓縮鳥籠屈曲失效圖

Saevik等[33]針對壓縮屈曲建立了解析公式，并劃分了外包覆層達到極限強度而突然失效以及抗壓鎧裝層鋼帶自身達到屈曲載荷失效兩種情況。前者通過受力分析得出外包覆層臨界載荷；后者將鋼帶等效為歐拉直梁，利用彈性支撐的歐拉梁屈曲載荷推導(dǎo)出其屈曲載荷。Vaz等[34]提出了一種用于模擬非粘結(jié)柔性軟管抗拉鎧裝層鋼帶軸壓作用下不穩(wěn)定性的非線性有限元模型，該模型用簡化方法考慮了其他層對抗壓鎧裝層的作用和影響。研究表明鋼帶之間的摩擦系數(shù)以及外壓載荷是影響鋼帶間摩擦力的重要因素。當(dāng)外包覆層破裂導(dǎo)致海水灌入環(huán)空時，摩擦系數(shù)會大幅降低；原本海水通過外包覆層對抗壓鎧裝層提供的徑向支撐也消失，兩種因素疊加導(dǎo)致抗拉鎧裝層發(fā)生鳥籠屈曲。Tang等[35]采用有限元方法建立了柔性軟管的簡化數(shù)值模型，并對抗拉鎧裝層的破壞模式進行模擬。研究了若干對柔性軟管剛度有重要影響的參數(shù)，研究結(jié)果表明，抗拉鎧裝層鋼帶纏繞角度增加、外包覆層的損傷均會顯著降低管道的軸向壓縮剛度?？箟烘z裝層與相鄰層間的摩擦作用會小幅度增加柔性軟管壓潰壓力。

2.5 柔性軟管過度彎曲失效

過度彎曲通過不同的方式對柔性管道產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)有兩種：①骨架層和內(nèi)襯層有可能由于過度彎曲產(chǎn)生的壓縮力而發(fā)生壓潰；②過度彎曲產(chǎn)生的張力可能會使外包覆層發(fā)生破裂、骨架層和抗壓鎧裝層發(fā)生解鎖。柔性軟管過度彎曲失效如圖9所示。柔性軟管的彎曲性能取決于抗拉鎧裝層鋼帶對彎曲的響應(yīng)，即鋼帶的軸向應(yīng)變受滑移機制的影響。Lu等[36]建立了柔性軟管的有限元模型，模擬了抗壓鎧裝層鋼帶在彎曲作用下的實際受力行為，研究了特定管道曲率下鋼帶的滑移路徑。Péronne等[37]對柔性軟管進行簡化整體分析，僅考慮相鄰聚合物層對彎曲剛度的影響，探究了柔性軟管的遲滯彎曲行為，并與Technip公司開發(fā)的基于有限差分法的模型進行比較，結(jié)果貼合度較高。由于柔性軟管由各層復(fù)合而成，其對自重、內(nèi)外壓、波浪和風(fēng)等載荷的結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測十分復(fù)雜，Londono等[38]研究了柔性軟管在內(nèi)壓和彎矩組合載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并利用實驗結(jié)果對模擬管道響應(yīng)的模型進行修正，從而獲得管道剛度和應(yīng)力的準確結(jié)果。Ostergaard等[39]研究了光滑圓柱表面的抗拉鎧裝層鋼帶受彎曲載荷的行為，將單個鋼帶視為曲梁，給出了鋼帶在光滑圓柱表面的平衡狀態(tài)預(yù)測方法。

圖9 柔性軟管過度彎曲失效圖

2.6 柔性軟管過度扭轉(zhuǎn)失效

由于抗拉鎧裝層螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，當(dāng)立管發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，鋼帶會被拉伸或壓縮，因此產(chǎn)生的巨大拉力載荷可能會導(dǎo)致抗拉鎧裝層鋼帶發(fā)生斷裂。當(dāng)扭矩方向與外抗壓鎧裝層鋼帶纏繞方向相同時（正向扭轉(zhuǎn)），軸向上內(nèi)鋼帶會發(fā)生壓縮，并在徑向上有向外擴張的趨勢；外鋼帶承受軸向拉力，并有徑向急劇收縮的趨勢。此時內(nèi)外層鋼帶相互擠壓，對其他金屬層影響很小，只有可能發(fā)生抗拉鎧裝層的強度失效。當(dāng)扭矩方向與內(nèi)抗壓鎧裝層鋼帶纏繞方向相同時（反向扭轉(zhuǎn)），徑向上內(nèi)鋼帶收縮，外鋼帶膨脹。內(nèi)外抗拉鎧裝層發(fā)生分離，內(nèi)抗拉鎧裝層在內(nèi)部金屬層上產(chǎn)生外壓，外抗拉鎧裝層在外包覆層上產(chǎn)生內(nèi)壓，可能會導(dǎo)致骨架層和內(nèi)襯層發(fā)生壓潰[40-41]。扭轉(zhuǎn)可能會導(dǎo)致柔性軟管嚴重的失效事故，因此需要加以重視。該類失效易發(fā)生于惡劣外部環(huán)境（風(fēng)、浪和海流）下運行的動態(tài)柔性立管?？估z裝層鋼帶斷裂導(dǎo)致的管道扭轉(zhuǎn)如圖10所示。

圖10 抗拉鎧裝層鋼帶斷裂導(dǎo)致的管道扭轉(zhuǎn)圖[41]

Knapp[42]早在1975年就進行了柔性軟管扭轉(zhuǎn)的相關(guān)研究，分析了對稱載荷下的典型雙層抗拉鎧裝層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，給出了幾何非線性的載荷與位移關(guān)系，并導(dǎo)出近似線性方程。基于該研究進一步提出了考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)可壓縮性剛度矩陣[43]。為建立實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)平衡所需的條件，還引入了新的線性模型[44]。LeClair等[45]提出一種理論來預(yù)測考慮摩擦作用下抗拉鎧裝層單層鋼帶受到軸向、彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷時的應(yīng)力。Bahtui等[46]對柔性軟管的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)進行了詳細的有限元分析，該有限元模型考慮了層間摩擦作用、幾何非線性以及滑移，允許管道各層發(fā)生分離。研究結(jié)果表明，隨反向扭矩的逐漸增大，柔性軟管發(fā)生徑向初始膨脹和軸向收縮。由于立管幾何形狀的螺旋效應(yīng)，也會發(fā)生抗拉鎧裝層的初始扭轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。Xiang等[47]研究了軸向拉力和扭矩作用下的抗拉鎧裝層的響應(yīng)行為，提出了一種用于評估鋼帶局部變形和應(yīng)力水平的方法，結(jié)論表明軸向拉伸載荷的存在能有效抑制軸向扭轉(zhuǎn)。Foti等[48]還提出一個模擬抗拉鎧裝層在扭矩作用下的彈塑性行為的新模型。

Wu等[41]建立了分析柔性軟管扭轉(zhuǎn)響應(yīng)的解析模型，給出了柔性軟管不同失效形式的預(yù)測方法。當(dāng)發(fā)生抗壓鎧裝層拉伸失效時，其失效判據(jù)為：

內(nèi)部結(jié)構(gòu)層發(fā)生屈曲失效的判據(jù)為：

式中E表示抗拉鎧裝層材料的楊氏模量，MPa；δ=(θR)2cos2α+2θRsinαcosα≈ 2θRsinαcosα；[σ]表示鋼帶屈服應(yīng)力，MPa；α表示螺旋鋼帶鋪設(shè)角度，（°）；A表示鋼帶截面積，mm2；n1表示內(nèi)抗壓鎧裝層鋼帶數(shù)；R表示鋼帶纏繞半徑，mm；[p]表示內(nèi)部結(jié)構(gòu)抗壓潰能力，MPa。

該研究為柔性軟管安裝和運行過程中的極限扭轉(zhuǎn)角估算提供了有效手段，與數(shù)值結(jié)果的對比表明該方法較為保守。

2.7 柔性軟管疲勞失效

動態(tài)柔性軟管常用作立管，處于風(fēng)浪流循環(huán)荷載作用下，疲勞失效是其主要失效模式之一。疲勞誘發(fā)的抗拉鎧裝層鋼帶斷裂如圖11所示。柔性立管有兩處最易發(fā)生疲勞失效：①頂部接頭處，該部位通常存在巨大的彎矩和軸向拉力；②水下觸底區(qū)域，該部位存在巨大的彎矩和高壓載荷。挪威相關(guān)機構(gòu)曾進行了一項關(guān)于柔性軟管疲勞壽命的研究，據(jù)統(tǒng)計，柔性軟管的平均使用壽命僅為設(shè)計壽命的50%左右[49]。柔性軟管疲勞失效主要有6種類型：①與抗拉鎧裝層磨損相關(guān)的疲勞；②抗拉鎧裝層單純疲勞；③與抗壓鎧裝層磨損相關(guān)的疲勞；④腐蝕疲勞；⑤聚合物層疲勞；⑥端部接頭中的抗壓鎧裝層疲勞[50]。

圖11 疲勞誘發(fā)的抗拉鎧裝層鋼帶斷裂圖

柔性軟管的疲勞壽命評估較為復(fù)雜，主要由以下3步組成：①立管整體模型，包括所有配置的詳細信息以及物理、機械和流體動力學(xué)特性；②進行海況動態(tài)分析，以評估柔性軟管的軸向拉力和曲率；③選擇合適的S—N曲線進行疲勞壽命評估。國內(nèi)外對動態(tài)柔性軟管的疲勞問題開展了一些有意義的研究。Kershaw等[51]認為海水飛濺區(qū)與頂部之間的柔性立管外包覆層損壞風(fēng)險最大，可能間接導(dǎo)致抗拉鎧裝層的腐蝕或腐蝕疲勞。Nielsen等[52]認為船體運動和波浪載荷是最主要的疲勞失效因素。柔性立管的腐蝕疲勞性能與環(huán)空酸化情況密切相關(guān)。在環(huán)空含水的情況下，抗拉鎧裝層鋼帶可能會受到腐蝕環(huán)境的影響，且沿立管長度方向隨靜水壓力的變化，這種影響也會發(fā)生變化。因此同一個立管可能需要不同的S—N曲線來反映其腐蝕疲勞性能。Borges等[53]提出一種模擬環(huán)空中含水立管的腐蝕疲勞過程的方法，以此獲得柔性立管S—N曲線的實驗方法?？梢愿玫仡A(yù)測在海水淹沒環(huán)空的情況下柔性立管的剩余壽命，為腐蝕疲勞研究提供了一定依據(jù)。Sousa D F J M等[54]提出了一種解析和數(shù)值相結(jié)合，用于快速計算柔性立管疲勞壽命的方法。在立管頂部施加運動，并考慮立管各層的特性，對管道所受軸向拉力進行評估。結(jié)合拉力和施加在立管頂部的扭矩來確定曲率，計算應(yīng)力。最終利用S—N曲線和Miner損傷累積法則估算疲勞壽命。該方法可以快速算出疲勞壽命，計算結(jié)果趨于保守。柔性軟管疲勞失效機理復(fù)雜，疲勞壽命預(yù)測涉及的因素繁多，數(shù)據(jù)采集分析難度大，研究的難點在于難以獲得全面、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。因此，目前在柔性軟管設(shè)計中一般通過提高安全系數(shù)來避免此類失效。

2.8 柔性軟管腐蝕失效

當(dāng)外包覆層完好情況下環(huán)空將保持干燥，柔性軟管的理論上應(yīng)該不會存在腐蝕問題[55]，但是在實際運行過程中發(fā)現(xiàn)管內(nèi)流體中的水蒸氣可以通過內(nèi)襯層滲透進入環(huán)空并冷凝為液態(tài)水，采出液中的有機酸、CO2、H2S等也會滲透到環(huán)空中[40,56]，進而導(dǎo)致抗拉鎧裝層腐蝕。同時，外包覆層可能的破損會導(dǎo)致含氧海水或空氣灌入環(huán)空中而誘發(fā)抗拉鎧裝層腐蝕。外包覆層的破損位置對柔性軟管的腐蝕產(chǎn)生影響，如果破損在海平面以下，環(huán)空將被海水淹沒，且溫度變化導(dǎo)致環(huán)空收縮或膨脹，形成對海水的泵送效應(yīng)，使海水在環(huán)空中循環(huán)流通，從而加劇腐蝕。同時對于動態(tài)軟管，疲勞還會加劇腐蝕的發(fā)生，如圖12所示為柔性軟管抗拉鎧裝層鋼帶發(fā)生的腐蝕失效。

圖12 抗拉鎧裝層鋼帶腐蝕圖[57]

環(huán)空水體積與金屬表面積之比（V/S）也會影響腐蝕速率。Ropital等[58]的CO2腐蝕速率研究是該方面最早的研究之一。在該研究中，對V/S介于0.25～100 mL/cm3范圍內(nèi)的CO2腐蝕速率分別進行實驗。結(jié)果表明，當(dāng)V/S值最低時，金屬的平均腐蝕速率約為5 μm/a，最終水的pH值為6.2，且腐蝕的速率隨V/S值的增大而增大。Clements[59]整理了以往的腐蝕數(shù)據(jù)，通過腐蝕速率對數(shù)與V/S對數(shù)進行擬合，得到當(dāng)V/S=0.03 mL/cm2時，腐蝕速率為0.15μm/a，該值被指定為長期腐蝕速率的典型值，腐蝕初期速率通常遠高于該值。Underwood[60]利用小型測試裝置模擬了柔性軟管環(huán)空的腐蝕過程，并通過電化學(xué)和失重測量量化模擬環(huán)境中的腐蝕速率，研究結(jié)果表明，環(huán)空被海水淹沒或存在冷凝水的情況下更容易發(fā)生腐蝕，且水中CO2和O2會加速腐蝕的發(fā)生。Désamais等[57]對15.2 cm柔性軟管進行CO2和H2S腐蝕全尺寸試驗，該研究發(fā)現(xiàn)，腐蝕造成的表面不規(guī)則缺陷深度可達100 μm，腐蝕最嚴重的部位為耐磨帶間隙的位置（圖12）。而硫化物應(yīng)力腐蝕開裂和氫致開裂卻并不容易發(fā)生。

3 失效控制措施

由于柔性軟管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所處海洋環(huán)境不可控因素較多，采用完整性管理將有效控制柔性軟管的失效。柔性軟管完整性管理需要通過大量檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)對管道系統(tǒng)進行風(fēng)險評估，根據(jù)評價結(jié)果執(zhí)行維修維護等應(yīng)對措施，并通過經(jīng)驗教訓(xùn)進一步提高管道完整性，確保管道系統(tǒng)安全高效運行，其流程如圖13所示。

圖13 柔性軟管完整性管理流程圖[3]

3.1 柔性軟管檢測技術(shù)

柔性軟管檢測是完整性管理中最重要的環(huán)節(jié)，也是控制柔性軟管失效的主要措施。柔性軟管檢測方法有外觀檢測、內(nèi)觀檢測和聲吶檢測等。外觀檢測的目的是檢測柔性軟管以及附屬設(shè)施的明顯缺陷、管道部署情況等。該檢測通常需要定期進行。水下管段作業(yè)通常由攜帶檢測攝像機的遙控水下機器人完成[61]。檢查管道外包覆層表面是否存在明顯的開裂、溢出流體或氣泡，以確保及時發(fā)現(xiàn)泄漏問題。然而該方法難以檢測到不明顯的缺陷，當(dāng)管道周圍存在海洋生長物或管道動態(tài)運動的情況下檢測則更為困難。只有當(dāng)柔性軟管內(nèi)部存在疑似或確定的缺陷時才會進行內(nèi)觀檢測。該方法可檢測接頭中內(nèi)襯層的卷曲情況或初步判斷骨架層腐蝕、侵蝕情況。檢測前需要通過清管移除水合物、沉積蠟等堵塞物質(zhì)，再將檢測攝像機投放至管道內(nèi)部。該方法也可以與其他測量工具結(jié)合使用，檢測骨架層的橢圓度情況[3]。聲吶通常用于檢測長距離靜態(tài)管線的部署偏差，如隆起屈曲、埋深、自由跨度等。除此之外聲吶還可以通過檢測海水密度變化來預(yù)警管道泄漏。

3.2 柔性軟管測試技術(shù)

柔性軟管測試方法有環(huán)空自由容積測試、環(huán)空排氣流量測試、環(huán)空氣體樣本收集等。環(huán)空自由體積測試的目的是為了評估外包覆層的完整性和監(jiān)測環(huán)空中液體含量，外包覆層破裂導(dǎo)致的海水灌入以及內(nèi)襯層破裂都有可能導(dǎo)致環(huán)空液體含量激增。該方法用體積已知的氮氣瓶向柔性管環(huán)空注入氮氣至一定壓力，通過測量氮氣瓶內(nèi)的壓降和環(huán)空中的積壓可以算出環(huán)空自由體積，從而間接得出管道內(nèi)液體含量。為防止環(huán)空排氣系統(tǒng)堵塞造成外包覆層破裂，需要進行環(huán)空排氣流量測試，該測試通常在環(huán)空自由體積測試后進行，通過檢測高壓下柔性軟管排氣口流量來確認排氣系統(tǒng)的堵塞情況。環(huán)空中存在腐蝕性氣體（H2S、CO2等）會對金屬層強度產(chǎn)生影響，因此需要定期采集環(huán)空氣體樣本確認腐蝕氣體的成分與濃度。通過真空泵抽取環(huán)空氣體至測試提取袋中，并運送至實驗室進行氣體分析。重?zé)N組分的存在通常意味內(nèi)襯層存在輕微泄漏，H2和CO2的存在則表明金屬層可能正在發(fā)生腐蝕。

3.3 柔性軟管維修技術(shù)

當(dāng)檢測到柔性軟管各層存在損傷時需要采取相應(yīng)的維修措施。然而，目前柔性軟管各層中只有外包覆層能夠進行有效的維修和補救，其他層發(fā)生明顯損壞則只能更換整段管道。當(dāng)外包覆層存在破損時，海水會通過破損位置進入環(huán)空形成腐蝕環(huán)境，加速管道金屬層和非金屬層的腐蝕。可以通過柔性管道頂部的接頭向環(huán)空中注入緩蝕劑來置換海水，避免海水在環(huán)空中循環(huán)流動。在此基礎(chǔ)上可配合示蹤染料使用，以確定外包覆層的具體破損位置。

確定破損位置后，需要使用維修夾包裹破損部位。維修夾為聚酯等材料做成的套筒，筒內(nèi)設(shè)有橡膠墊圈。安裝作業(yè)使用水下作業(yè)機器人將夾具包裹于受損區(qū)域，并利用液壓裝置閉合維修夾，旋轉(zhuǎn)擰緊螺栓，使維修夾具有良好的密封效果，保證柔性軟管能夠繼續(xù)安全運行。

4 結(jié)束語

隨著非粘結(jié)柔性軟管在我國海洋油氣田開發(fā)中廣泛應(yīng)用，其安全和完整性的問題日益突出，開展柔性軟管失效機理和控制策略相關(guān)研究至關(guān)重要。在柔性管道制造、安裝和運行的過程中，存在多種原因會引起各類失效，本文綜述了非粘結(jié)柔性軟管常見的八種失效模式，包括壓潰、爆破、過度拉伸、壓縮屈曲、過度彎曲、過度扭轉(zhuǎn)、疲勞和腐蝕。在此基礎(chǔ)上，闡述了影響柔性軟管失效的敏感因素，并給出了相應(yīng)的預(yù)防和控制措施。

目前國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞柔性軟管結(jié)構(gòu)的屈曲響應(yīng)規(guī)律和失效因素敏感性進行研究，并取得大量成果。然而，由于柔性軟管結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前的研究成果多為定性或半定量結(jié)論，管道層間的相互作用影響尚未完全明確，缺乏對失效機理的深入研究。此外，由于柔性軟管投入使用時間較短，其完整性管理研究仍處于起步階段?；谏鲜鰡栴}，筆者認為未來的研究會進一步考慮柔性軟管層間相互作用對失效特性的影響，同時深化對失效機理的認識，形成指導(dǎo)工程實踐的定量方法，使得研究成果能夠更好地為非粘結(jié)柔性軟管的設(shè)計和運維提供參考依據(jù)。