王長學(xué)，王鴻軒，高凌霄

非粘結(jié)撓性復(fù)合軟管常見失效模式與失效原因分析

王長學(xué)，王鴻軒，高凌霄

（中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 30045）

根據(jù)非粘結(jié)撓性復(fù)合軟管常見失效模式，結(jié)合軟管各結(jié)構(gòu)層成型方式、材質(zhì)、功能以及所處環(huán)境進行分析，闡明非粘結(jié)撓性復(fù)合軟管失效誘因以及失效的后果，有助于提高生產(chǎn)企業(yè)及使用單位的安全使用意識，有助于復(fù)合軟管監(jiān)檢測的研究創(chuàng)新，有助于軟管行業(yè)的快速健康發(fā)展。

非粘結(jié)；軟管；失效

非粘結(jié)撓性復(fù)合軟管作為一種新型管材，由于具備耐腐蝕、彎曲剛度低、地形適應(yīng)性好、單根管段長鋪設(shè)便捷、綜合成本低等優(yōu)勢，目前中海油渤海、南海海域已經(jīng)大量應(yīng)用，現(xiàn)已服役軟管長度 超200 km。

典型軟管結(jié)構(gòu)由骨架層、內(nèi)壓密封層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層、外包覆層構(gòu)成[1]。由于各個結(jié)構(gòu)層既相互獨立，又相互配合，使得各個結(jié)構(gòu)層功能得以發(fā)揮，從而實現(xiàn)管體結(jié)構(gòu)功能；各結(jié)構(gòu)層材質(zhì)存在差異，且所處環(huán)境不同，導(dǎo)致復(fù)合軟管具備多種失效模式。本文目的在于針對軟管典型失效模式，分析軟管失效的誘因及失效原因，有助于提高生產(chǎn)企業(yè)及使用單位的安全使用意識，有助于復(fù)合軟管監(jiān)檢測的研究創(chuàng)新，有助于復(fù)合軟管行業(yè)的快速健康發(fā)展。

1 軟管常見失效模式

1.1 軟管結(jié)構(gòu)

非粘結(jié)撓性復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 非粘結(jié)撓性復(fù)合軟管

1.2 軟管失效類型

1.2.1 骨架層失效模式[2]

骨架層材質(zhì)為不銹鋼，由鋼帶互鎖纏繞而成，其主要功能為支撐內(nèi)管，防止內(nèi)壓密封層承受外壓時產(chǎn)生壓潰。常見失效模式為骨架層腐蝕、解鎖變形、壓潰等，如圖2、圖3所示。

圖2 骨架層腐蝕

圖3 解鎖變形

1.2.2 內(nèi)壓密封層失效模式[2]

內(nèi)壓密封層的主要作用是對輸送的流體起到密封的作用，該層是由聚合物擠塑而成，其主要失效模式為老化、蠕變與起泡失效，如圖4至圖6所示。

圖4 老化

圖5 蠕變

圖6 起泡

1.2.3 抗壓鎧裝層失效模式

抗壓鎧裝層主要作用為抵抗來自于內(nèi)壓和外部壓潰載荷的徑向力。該層是由Z字型金屬帶互鎖纏繞而成，該金屬帶的材質(zhì)為碳鋼。其常見失效模式為腐蝕與解鎖變形失效，如圖7、圖8所示。

圖7 腐蝕失效應(yīng)力開裂

圖8 解鎖變形

1.2.4 抗拉鎧裝層失效模式[2]

抗拉鎧裝層扁鋼為軟管提供軸向強度，軸向力可由內(nèi)壓、重量、外部的動態(tài)載荷和安裝期間的拉伸力產(chǎn)生。該層的扁鋼由碳鋼制造，常見失效模式為腐蝕失效、疲勞斷裂、鳥籠，如圖9至圖11所示。

圖9 腐蝕失效

圖10 疲勞斷裂

圖11 鳥籠

1.2.5 外包覆層失效模式[2]

外包覆層的主要功能是阻止外部海水進入金屬鎧裝層，保護金屬鎧裝層防止海水對其造成腐蝕，同時也抵抗外部機械載荷對軟管的損傷。其常見失效模式為第三方造成外包覆層破損、外包覆層磨損、排氣系統(tǒng)異常導(dǎo)致外管破裂，如圖12至圖15所示。

圖12 老化開裂

圖13 第三方造成外包覆層破損

圖14 外包覆層磨損

圖15 排氣系統(tǒng)異常導(dǎo)致外管破裂

2 軟管失效原因分析

2.1 骨架層失效原因

2.1.1 腐蝕缺陷

骨架層直接與內(nèi)部輸送介質(zhì)接觸，輸送介質(zhì)中CO2、H2S等氣體均會造成骨架層不銹鋼材料腐蝕，其腐蝕主要體現(xiàn)為均勻腐蝕、點腐蝕、沖刷腐蝕和SSC/HIC應(yīng)力腐蝕。腐蝕的發(fā)生導(dǎo)致骨架層整體或者局部減薄，從而管體抗徑向外壓潰能力降低，管體易發(fā)生壓潰或橢圓；同時骨架層抗軸向拉伸能力降低，骨架層互鎖結(jié)構(gòu)易發(fā)生變形或解鎖。

管體服役期間應(yīng)關(guān)注內(nèi)部輸送介質(zhì)變化、輸送工況變化等，關(guān)注骨架層材料腐蝕狀況，確保骨架層材料腐蝕在可接受范圍內(nèi)。

2.1.2 解鎖變形失效

骨架層互鎖結(jié)構(gòu)具有彎曲撓性，但當(dāng)彎曲半徑小于最小彎曲半徑、管線受到過大的外部拉力或是受到過大的外部壓力，骨架層互鎖結(jié)構(gòu)受到過度擠壓，則容易發(fā)生變形或是解鎖，甚至是壓潰。

管體服役期間，由于海流沖刷導(dǎo)致管體埋設(shè)狀態(tài)發(fā)生變化，造成管體局部隆起以及懸跨，應(yīng)關(guān)注管體在位狀態(tài)的彎曲半徑，避免出現(xiàn)過度彎曲現(xiàn)象，隆起及懸跨部位即時進行填埋壓塊處理。

2.2 內(nèi)壓密封層失效原因

2.2.1 材料老化失效

內(nèi)襯層和外包覆層是由高分子聚合物材料連續(xù)擠出制成，其作用為密封管道內(nèi)的輸送流體，其直接與內(nèi)部輸送介質(zhì)接觸。非金屬材料在服役期間隨著使用時間的延長，材料性能衰退。材料性能衰退與輸送介質(zhì)、溫度、pH、壓力等直接相關(guān)。通常生產(chǎn)廠家會針對目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境進行老化壽命計算，但是當(dāng)現(xiàn)場工況發(fā)生變化如溫度升高、介質(zhì)組分變化、化學(xué)藥劑加入等均會影響材料老化速度。材料老化后力學(xué)性能衰退、韌性降低、裂紋敏感性降低，當(dāng)其性能下降至低于應(yīng)用工況要求時，會導(dǎo)致內(nèi)壓密封層裂紋、斷裂、起泡等，從而引起失效。

服役期間應(yīng)嚴(yán)格控制服役工況如溫度、壓力、介質(zhì)組份、化學(xué)藥劑等，當(dāng)運行工況發(fā)生重大變化時，宜進行適應(yīng)性評價，確保材料老化壽命滿足服役要求。

2.2.2 蠕變引起密封失效

內(nèi)壓密封層密封管道內(nèi)輸送介質(zhì)，其端部通過密封圈與內(nèi)壓密封層之間擠壓形成密封。當(dāng)內(nèi)壓密封層材料隨服役年限增長，內(nèi)壓密封層材料會發(fā)生蠕變，即內(nèi)壓密封層材料發(fā)生變形導(dǎo)致密封圈與其之間擠壓力降低，從而引起密封面長度減少、密封壓力降低，進而引起密封失效，從而導(dǎo)致內(nèi)壓密封層的密封與固定失效，管體發(fā)生泄漏。

2.2.3 材料起泡失效

若管體內(nèi)輸送介質(zhì)含氣體，如小分子氣體如甲烷、乙烷、CO2、H2S、水蒸氣等，小分子氣體會在內(nèi)壓驅(qū)動下滲透穿過內(nèi)壓密封層進入環(huán)形空間。管體停輸泄壓速度過快，則滲透至內(nèi)壓密封層內(nèi)的氣體快速釋，引起內(nèi)壓密封層材料起泡，導(dǎo)致材料力學(xué)性能降低引起失效。

現(xiàn)場作業(yè)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制降壓速率，建議采取逐級降壓并穩(wěn)壓的方式。

2.3 抗壓鎧裝層失效

2.3.1 腐蝕缺陷失效

抗壓鎧裝層介于內(nèi)壓密封層與外包覆層之間，其不直接與內(nèi)部輸送介質(zhì)接觸，也不與外部海水介質(zhì)接觸，其處于管體環(huán)形空間內(nèi)。如2.2.3節(jié)中所述，小分子氣體中CO2、H2O以及H2S滲透至環(huán)形空間內(nèi)，從而對抗壓鎧裝層碳鋼材料造成腐蝕甚至引起硫化物應(yīng)力開裂?？箟烘z裝層為“Z”字形互鎖結(jié)構(gòu)，腐蝕發(fā)生引起金屬層減薄，造成抗內(nèi)壓能力降低；同時腐蝕會引起互鎖結(jié)凸臺減薄，進而引起抗壓鎧裝層結(jié)構(gòu)解鎖。

管體服役期間，應(yīng)關(guān)注環(huán)形空間內(nèi)氣體組分及分壓，預(yù)測碳鋼材料腐蝕狀況。

2.3.2 解鎖變形失效

抗壓鎧裝層解鎖變形失效與骨架層解鎖變形失效機理一致，詳見2.1.2節(jié)。

2.4 抗拉鎧裝層失效

2.4.1 腐蝕失效

抗拉鎧裝層腐蝕失效與抗壓鎧裝層腐蝕失效機理一致，詳見2.3.1節(jié)。

2.4.2 疲勞斷裂

抗拉鎧裝層主要功能在于承受管體軸向拉伸荷載。針對于動態(tài)立管，波浪和水流作用到柔性立管和浮力塊上引起的動態(tài)載荷的不確定性，導(dǎo)致管道處于長期低頻拉伸負(fù)載下。立管接頭尾部位置扭矩不能釋放，扁鋼易于發(fā)生疲勞斷裂。

宜重點關(guān)注柔性立管接頭尾部立管位置，扁鋼發(fā)生斷裂，則管體外徑發(fā)生變化，且管體抗拉層失穩(wěn)，管體發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

2.4.3 崎嶇/鳥籠

當(dāng)軟管受到軸向壓縮時，抗拉鎧裝層金屬線材向徑向移動，并產(chǎn)生高彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致軟管各層間產(chǎn)生間隙，過大的壓縮載荷會造成軟管徑向崎嶇，導(dǎo)致各金屬線材排列失序，造成抗拉鎧裝層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)膨脹散開，并導(dǎo)致外包覆層破損。

2.5 外包覆層失效

2.4.1 材料老化失效

外包覆層老化失效機理與內(nèi)壓密封層老化機理基本一致，詳見2.2.1節(jié)，但其不與內(nèi)部介質(zhì)接觸，而是直接與海水接觸，同時陽光照射會造成材料紫外老化。

2.4.2 外包覆層破損

軟管外包覆層破損是軟管主要失效模式，造成軟管外包覆層破損的誘因包括：第三方造成損傷、隆起與懸空管體根部磨損、由于過度彎曲引起的張力導(dǎo)致外包覆層破裂。

軟管外包覆層破損并不會直接導(dǎo)致管體結(jié)構(gòu)功能失效，但其會導(dǎo)致海水進入軟管環(huán)形空間，造成環(huán)形空間內(nèi)抗壓、抗拉層碳鋼鋼帶的腐蝕，導(dǎo)致管體抗壓、抗拉能力降低，進而導(dǎo)致管體發(fā)生失效。

2.4.3 外包覆層爆破

管體環(huán)形空間由于由氣體滲入，導(dǎo)致環(huán)形空間內(nèi)存在氣體壓力。通常軟管接頭端部會安裝排氣閥門，當(dāng)環(huán)形空間內(nèi)壓力與外界壓力壓差達(dá)到排氣閥打開壓力時，排氣閥自動打開并排氣。

排氣閥位于管體接頭端部，由于外部異物或是海生物導(dǎo)致排氣閥不能正常打開，會導(dǎo)致軟管環(huán)形空間氣體壓力升高，導(dǎo)致軟管外包覆層破裂。

3 結(jié)束語

通過以上對非粘結(jié)撓性軟管的失效模式及失效原因的分析可知，軟管各結(jié)構(gòu)層功能、成型方式、材質(zhì)以及所處環(huán)境條件存在差異，各結(jié)構(gòu)層存在多種失效模式。目前軟管監(jiān)檢測通常采用鋼管的監(jiān)檢測技術(shù)手段進行，但軟管各結(jié)構(gòu)層失效模式與鋼管失效模式存在較大差異，亟須研發(fā)針對于軟管失效模式的監(jiān)檢測技術(shù)手段。針對于軟管的失效模式，開展針對性監(jiān)檢測技術(shù)開發(fā)，有助于減少軟管運行服役風(fēng)險，提高軟管運行安全性。

［1］API SPEC 17J,Specification for Unbonded Flexible Pipe[S]. American Petroleum Institute,2009.

［2］DRUMOND G P , PASQUALINO I P , PINHEIRO B C , et al. Pipelines, risers and umbilicals failures: a literature review[J]., 2018, 148(JAN.15):412-425.

［3］API RP 17B,Recommended Practice for Flexible Pipe[S].American Petroleum Institute, 2008.

［4］UKOOA.Guidance note on monitoring methods and integrity assurance for un-bonded flexible pipe[M].Doc No. 2-1-4-221/GN01, 2002

［5］BRACK M , MENDES S , SOUZA L A L E , et al. An integrity management strategy based on flexible risers conceived to be self-monitored[C].26th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2007.

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［7］LEIRA B,BERGE S,FERGESTAD D,et al.Life time extension of flexible risers:a generic case study[C]. Offshore Technology Conference,2015．

Analysis of Common Failure Modes and Failure Causes of Unbonded Flexible Pipe

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（CNOOC (Tianjin) Pipeline Engineering Technology Co., Ltd., Tianjin 300452, China）

According to the common failure modes of non-bonded flexible pipe, combined with the analysis of the forming method, material, function and environment of each structural layer of the pipe, the failure causes and consequences of non-bonded flexible composite pipe were clarified, which is helpful to improve the safety awareness of production enterprises and users, research and innovate composite pipe monitoring and testing methods.

Unbonding; Flexible pipe; Failure

2021-09-18

王長學(xué)（1988-），男，天津市人，工程師， 2011年畢業(yè)于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)，研究方向：管道腐蝕與防護。

P756.2

A

1004-0935（2022）06-0837-05