杜國(guó)強(qiáng) 王立陳 于國(guó)杰 徐騫 李記忠

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院，天津 300451）

1 引言

玻璃鋼管道具有優(yōu)良的耐蝕性，其內(nèi)壁光滑，輸送能耗及安裝維護(hù)費(fèi)用低，具有較好的絕緣性能及防海生物性能，不需陰極保護(hù)，使用壽命長(zhǎng)，綜合經(jīng)濟(jì)效益好，對(duì)輸送介質(zhì)無二次污染，被廣泛應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)的海水系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)、冷卻水等系統(tǒng)的介質(zhì)輸送。

海洋石油平臺(tái)安全風(fēng)險(xiǎn)較高，內(nèi)部面臨火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)，外部面臨臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、船舶撞擊、恐怖襲擊等各種風(fēng)險(xiǎn)。玻璃鋼管道作為一種非金屬材料應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)各個(gè)系統(tǒng)，對(duì)平臺(tái)的安全運(yùn)行起著重要的作用。然而，由于非金屬材料強(qiáng)度不足的特點(diǎn)，玻璃鋼管道存在一定失效風(fēng)險(xiǎn)，引起失效的原因往往是與不妥當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、制作、安裝或允許材料超應(yīng)力使用等因素有關(guān)[1]。本文以工程實(shí)際案例為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)要分析了影響玻璃鋼管道安全運(yùn)行的各項(xiàng)因素以及保證玻璃鋼管道可靠性的措施。

2 海洋石油平臺(tái)玻璃鋼管道應(yīng)用簡(jiǎn)介

2.1應(yīng)用范圍概述

玻璃鋼（FRP）指用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體，玻璃纖維直徑很小，基體相對(duì)于纖維可以經(jīng)受住大的應(yīng)變。玻璃鋼作為非金屬材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有彈性模量低、耐溫性差、相對(duì)金屬材料易老化等缺點(diǎn)。嚴(yán)格的說，從耐溫、耐壓及耐強(qiáng)腐蝕性的角度出發(fā)， 只有GRE（Glass Reinforced Epoxy）管道能滿足船舶及海洋工程的應(yīng)用要求，并符合所有船級(jí)社的認(rèn)證及規(guī)范。海洋工程玻璃鋼管道常用地方包括海水系統(tǒng)管網(wǎng)、消防系統(tǒng)管網(wǎng)等。

2.2 失效問題概述

玻璃鋼管道由于存在撞擊容易損壞、防火性能差、容易老化降解等問題，如施工不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)口泄漏、脫粘及管體受損等失效問題。常見玻璃鋼管道破損部位主要為螺紋接頭處、玻璃鋼管道與鋼質(zhì)管道連接處、設(shè)備震動(dòng)強(qiáng)烈處，其破損類型包括玻璃鋼管道螺紋接頭處的滲漏、玻璃鋼管道與鋼管連接處的滲漏、管道中部穿孔、管體纖維脫層等。

3 玻璃鋼失效因素分析及可靠性保證措施

本文以中國(guó)南海某大型海洋石油平臺(tái)項(xiàng)目中的實(shí)際案例為例，簡(jiǎn)要分析了該案例的玻璃鋼管道失效原因以及建議的可靠性保證措施。

3.1 案例簡(jiǎn)介

南海某大型海洋石油平臺(tái)投產(chǎn)期間，海水管網(wǎng)通往鉆井模塊的10寸玻璃鋼管道突然破裂，由于破裂點(diǎn)位于隔斷閥門上游，因此無法直接隔離?，F(xiàn)場(chǎng)海水泄漏量較大，為了保護(hù)主發(fā)電機(jī)組，油田作業(yè)方?jīng)Q定停主機(jī)/停產(chǎn)。如圖1為玻璃鋼泄露的現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖1 玻璃鋼管道泄露現(xiàn)場(chǎng)照片

3.2 失效因素分析

該管道泄漏的具體位置為與鉆機(jī)模塊接口下方彎頭的粘接處，如圖2進(jìn)一步展示了玻璃鋼管道泄露處的位置及管道失效細(xì)節(jié)。

圖2 玻璃鋼管道泄露位置及失效細(xì)節(jié)

經(jīng)過多方討論制定完成應(yīng)急處理措施后，項(xiàng)目人員從多方面對(duì)該問題進(jìn)行了調(diào)查研究和分析，具體請(qǐng)見如下章節(jié)。

3.2.1 應(yīng)力分析核實(shí)

（1）支架跨距核實(shí)

經(jīng)核實(shí)，該管道大部分支架跨距為3m左右，最大跨距為4.3m，均滿足玻璃鋼廠家提供的10寸玻璃鋼的跨距要求，且支架絕大部分為門型架，管系剛度足夠。

（2）整體應(yīng)力分析核實(shí)

支架形式設(shè)置合理，該管道各種工況下整體應(yīng)力比低于50%，水平和豎直位移不大于10mm，均滿足應(yīng)力分析規(guī)格書和規(guī)范要求，具體核實(shí)情況如下：

如圖3紅圈內(nèi)為管道破壞區(qū)域，其應(yīng)力比為：SUS工況：41.4%；OPE工況：38.6%；OCC工況：37.0%，因此管道應(yīng)力分析的結(jié)果表明該管道走向及支架設(shè)置合理，沒有問題。另外，管道應(yīng)力分析結(jié)果已經(jīng)考慮了管道內(nèi)部水擊力的因素。

圖3 管道應(yīng)力分析示意圖

3.2.2 其它因素分析

（1）穿甲板處支架施工與設(shè)計(jì)圖紙不對(duì)應(yīng)

在管道穿甲板處，設(shè)計(jì)圖紙?jiān)黾拥闹Ъ転樗南蛳尬恢Ъ埽úＡт摲ㄌm導(dǎo)向支架），而現(xiàn)場(chǎng)為承重支架形式。根據(jù)此施工情況，進(jìn)行應(yīng)力分析核實(shí)結(jié)果如下：SUS工況：37.0%；OPE工況：36.3%；OCC工況：40.5%；但這種情況下，該處管道自然頻率過低，僅1.5Hz左右，不符合規(guī)格書要求（最低2.55Hz），因此存在一定問題。

（2）鉆機(jī)模塊管道影響

連接的鉆機(jī)模塊管道為金屬管道材料，其管道布置及支架設(shè)置合理，管道的熱漲力和重力作用未導(dǎo)致玻璃鋼管道受到額外的力，基本沒有對(duì)玻璃鋼管道產(chǎn)生影響。

（3）玻璃鋼粘接質(zhì)量

經(jīng)核實(shí)，現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)玻璃鋼接頭處的粘接施工質(zhì)量問題。

（4）施工精度影響

經(jīng)核實(shí)，該管道失效處為海洋平臺(tái)上部模塊和鉆機(jī)模塊的管道界面點(diǎn)，而上部模塊方和鉆機(jī)模塊方各自進(jìn)行設(shè)計(jì)以及施工。項(xiàng)目建造階段，施工的雙方接口處存在一定偏差且強(qiáng)行對(duì)齊并進(jìn)行法蘭連接，從而產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力，久而久之，最終導(dǎo)致了玻璃鋼管道破壞的發(fā)生。

3.3 可靠性保證措施

3.3.1 應(yīng)力分析方面

由于玻璃鋼材質(zhì)管道不同于金屬材質(zhì)管道，泄漏的概率大大高于金屬材質(zhì)管道，因此應(yīng)力分析工作就顯得更為重要，對(duì)此需要仔細(xì)進(jìn)行核實(shí)，力求萬無一失。

3.3.2 加強(qiáng)界面管道管理

針對(duì)界面管道，需要獲取雙方的具體管道布置信息進(jìn)行考慮或分析；施工階段期間，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持人員需要重點(diǎn)關(guān)注界面管道的施工連接情況，確保規(guī)避施工問題。

3.3.3 優(yōu)化隔斷閥位置

由于該事故破壞點(diǎn)位于管道隔斷閥上游，一旦泄漏，短時(shí)間內(nèi)無法進(jìn)行快速隔斷封堵，因此導(dǎo)致關(guān)停海水提升泵，進(jìn)而關(guān)停主發(fā)電機(jī)組并停產(chǎn)。

因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮一旦管道（尤其是玻璃鋼管道）泄漏，如何進(jìn)行快速的有效隔斷就顯得尤為重要，下面針對(duì)該案例平臺(tái)的特點(diǎn)進(jìn)行一下分析。

如圖4為平臺(tái)海水系統(tǒng)管網(wǎng)布置示意圖，平臺(tái)設(shè)置四臺(tái)海水提升泵，平臺(tái)最大的海水用戶為主機(jī)中冷器及鉆機(jī)模塊（用戶管道尺寸分別為16寸和10寸），主機(jī)房和鉆機(jī)模塊距離海水提升泵均較遠(yuǎn)。因此，20寸海水主管道布置至相對(duì)來說距離較近的主機(jī)房附近截止是較為合理的選擇，去鉆井模塊的10寸海水管道分支后單獨(dú)進(jìn)行布置。由于海水主管道均布置在甲板下方，考慮到隔斷閥門的操作維修，去鉆機(jī)用戶的管道閥門布置位置遠(yuǎn)離支管根部，此種布置雖然不違背基本的工藝流程要求，但擴(kuò)大了管道泄露失控的范圍。

圖4 海水管網(wǎng)布置示意圖

因此，針對(duì)后續(xù)海水系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化的可靠性保證措施建議如下：平臺(tái)設(shè)備布置設(shè)計(jì)時(shí)，考慮設(shè)置一銅鎳材質(zhì)海水管匯，隔斷閥統(tǒng)一布置到管匯處。此種方法雖然增加一定的費(fèi)用，但可將玻璃鋼管系泄露失控風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

4 結(jié)束語

本文對(duì)玻璃鋼管道失效原因及可靠性保證措施進(jìn)行了分析說明，為工程設(shè)計(jì)和管理人員拓展設(shè)計(jì)和管理思維提供了良好實(shí)踐，希望為后續(xù)類似項(xiàng)目提供工程借鑒。