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 300452）

由于石油勘探開采能力的提升，目前海洋石油已經(jīng)由近海向深水區(qū)、超深水區(qū)發(fā)展。隨著越來越多的非粘結(jié)復(fù)合柔性立管應(yīng)用于油田領(lǐng)域，其在役監(jiān)檢測工作也日益受到廣泛關(guān)注。撓性立管失效的主要模式之一是抗拉鎧裝層扁鋼斷裂失效[1]。研究經(jīng)驗表明抗拉層扁鋼失效主要發(fā)生在立管接頭尾部或立管彎曲限制器尾部，靠近立管末端的位置[2-3]。個別抗拉層扁鋼失效并不能直接導(dǎo)致柔性立管立即發(fā)生破壞，但是隨著扁鋼斷裂數(shù)量增加，其他扁鋼受力變大，剩余扁鋼加速斷裂，給軟管服役運行帶來重大隱患，最終導(dǎo)致管體泄漏甚至是斷裂，造成環(huán)境污染及重大經(jīng)濟損失。

本文目的在于針對軟管抗鎧裝層失效模式，分析其失效誘因，并闡述國內(nèi)外柔性立管疲勞斷裂監(jiān)檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀，分析各檢測技術(shù)優(yōu)缺點，為國內(nèi)柔性立管監(jiān)測技術(shù)開發(fā)提供參考與借鑒。

1 柔性立管尾部扁鋼失效

1.1 失效主要原因

柔性立管抗拉鎧裝層為軟管提供軸向和扭轉(zhuǎn)剛度，抗拉鎧裝層在服役期間主要承受拉力與彎矩。柔性立管在海浪和海流的作用下會發(fā)生較大幅度擺動，同時受到內(nèi)部介質(zhì)的壓力作用，其長期處于低頻拉力與彎曲載荷條件下。一方面由于軟管扁鋼層各鋼帶在安裝過程中不能理想施加相同預(yù)應(yīng)力，導(dǎo)致各別鋼帶在管體服役期間不能均勻受力，個別扁鋼受力較大，這為軟管抗拉鎧裝層扁鋼斷裂埋下隱患。另一方面，柔性立管在海浪和海流的作用下會發(fā)生較大幅度擺動，軟管端部接頭與平臺或是FPSO裙座固定，導(dǎo)致軟管根部扭矩不能釋放，受到較大彎曲應(yīng)力。上述兩方面原因，導(dǎo)致柔性立管尾部扁鋼失效概率最大。

1.2 失效表現(xiàn)形式

當(dāng)軟管抗拉層個別扁鋼斷裂后，軟管抗拉層失穩(wěn)，抗拉鎧裝層各扁鋼受力重新分布，導(dǎo)致管道會發(fā)生瞬態(tài)和永久的扭轉(zhuǎn)和伸長變形,若不即時發(fā)現(xiàn)并采取措施，由于各扁鋼受力變大，將導(dǎo)致斷裂風(fēng)險加劇。

圖1 抗拉層扁鋼斷裂導(dǎo)致管體扭轉(zhuǎn)變形

圖2 接頭尾部抗拉層扁鋼斷裂

2 國內(nèi)外監(jiān)檢測技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)監(jiān)檢測技術(shù)現(xiàn)狀

目前我國針對軟管鎧裝層扁鋼斷裂失效監(jiān)測方法主要通過潛水員或ROV對軟管外觀進行定期視覺檢查，從而確定軟管的健康狀態(tài)。尚未對軟管抗拉鎧裝層扁鋼斷裂開展針對性監(jiān)檢測技術(shù)開發(fā)。

外觀視覺檢查只有當(dāng)軟管發(fā)生嚴(yán)重缺陷問題時才能被發(fā)現(xiàn)，而當(dāng)管體鎧裝層個別鋼帶發(fā)生斷裂，并不能導(dǎo)致軟管外徑、外觀發(fā)生較大變形，即失效初期并不能通過視覺檢測有效發(fā)現(xiàn)，該檢測手段存在嚴(yán)重的滯后性問題。

2.2 國外監(jiān)檢測技術(shù)現(xiàn)狀

2.2.1 扭轉(zhuǎn)角度攝像監(jiān)測

扭轉(zhuǎn)角度攝像監(jiān)測技術(shù)主要通過柔性立管接頭尾部管體位置安裝標(biāo)尺，標(biāo)尺固定于管體外壁。立管頂部位置固定安裝攝影監(jiān)控探頭，攝影探頭中心與標(biāo)尺中心對應(yīng)。通過讀取攝影探頭中心與標(biāo)尺偏轉(zhuǎn)角度，確定管體扭轉(zhuǎn)角度。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度達到預(yù)定閾值時，系統(tǒng)發(fā)出報警，從而實現(xiàn)對柔性立管扭轉(zhuǎn)的實時監(jiān)控。

優(yōu)缺點分析：監(jiān)測技術(shù)精度高，精度達到0.3°，能夠?qū)嵤┯涗浌荏w扭轉(zhuǎn)變形狀態(tài)，并即時預(yù)警。

圖3 扭轉(zhuǎn)攝像監(jiān)測技術(shù)

2.2.2 聲發(fā)射檢測技術(shù)[2]

抗拉層扁鋼斷裂時會發(fā)出強烈的聲音信號，該聲音信號振幅、聲頻與環(huán)境聲信號不同，可以被傳感器捕捉到，從而實現(xiàn)扁鋼斷裂的監(jiān)測。

優(yōu)缺點分析：現(xiàn)場工況極其復(fù)雜，容易受到外部噪音影響，因而對數(shù)據(jù)的解析需要豐富的數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場經(jīng)驗。

2.2.3 震動監(jiān)測

震動監(jiān)測技術(shù)與聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)類似，當(dāng)軟管個別扁鋼發(fā)生斷裂時，由于抗拉層受力重新分布，會引起管體的震動。通過將震動加速傳感器布設(shè)于柔性立管外側(cè)，當(dāng)扁鋼斷裂后，傳感器接收到震動信號，通過分析信號的頻率和振幅的變化，確定事件類型，分析是否為抗拉層扁鋼斷裂。同時根據(jù)各個傳感器布設(shè)間距以及傳感器接收信號的時間差，計算缺陷發(fā)生位置，從而實現(xiàn)缺陷的識別與定位。

圖4 聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)

優(yōu)缺點分析：非破壞實時監(jiān)測技術(shù)，能夠即時發(fā)現(xiàn)缺陷并提出預(yù)警。系統(tǒng)誤報率高，需要根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用收集信號數(shù)據(jù)庫，并建立信號與實際事件關(guān)系，從而實現(xiàn)各個異常信號的定性分析。

圖5 震動監(jiān)測技術(shù)

2.2.4 磁測應(yīng)力技術(shù)[4]

柔性軟管的抗拉層鋼帶是由碳鋼螺旋纏繞形成，碳鋼材料線材具備鐵磁性。鋼帶承擔(dān)管體的軸向拉伸荷載，通常處于低頻拉伸交變應(yīng)力條件下。碳鋼材料應(yīng)力變化會引起磁性改變，個別鋼帶斷裂后，斷裂鋼帶斷裂位置應(yīng)力水平為零，且受力重新分布導(dǎo)致其他鋼帶受力變大，引起斷裂點及其周圍磁性發(fā)生變化。

磁測應(yīng)力技術(shù)通過磁性探針磁化抗拉鎧裝層鋼帶，通過分析渦流強度，可以檢測每條鋼帶受力狀態(tài)，識別鋼帶是否存在斷裂。

優(yōu)缺點分析：不需要耦合，不需要與外包覆層直接接觸即能進行檢測，數(shù)據(jù)分析復(fù)雜，須由專業(yè)技術(shù)人員解析，設(shè)備檢測精度高。

圖6 磁測抗拉層扁鋼應(yīng)力檢測

2.2.5 立管外徑變形監(jiān)測

巴西石油公司P20是由平臺11.5英寸動態(tài)柔性立管，通過FBG光纖監(jiān)測管體外徑變化。軟管外壁綁扎不銹鋼薄鋼帶，鋼帶安裝固定后，將鋼帶外表面通過環(huán)氧樹脂膠水將布拉格光柵直接粘接于鋼帶外表面，光柵方向沿管道外表面圓周方向，每根鋼帶布設(shè)4個傳感器，包括3條FBG應(yīng)力監(jiān)測光纖以及1條FBG溫度補償監(jiān)測光柵，通過測量管體外徑變化，間接評估管體的健康狀態(tài)。

圖7 軟管外徑變化監(jiān)測

優(yōu)缺點分析：鋼帶通過綁扎與軟管外壁固定，不能保證鋼帶與管體外壁同步應(yīng)變，即應(yīng)變監(jiān)測不敏感，導(dǎo)致監(jiān)測應(yīng)變與管體外壁圓周方向真實應(yīng)變存在差異，同時管體外徑變化受到壓力、溫度影響，光纖應(yīng)變表現(xiàn)在管體圓周方向應(yīng)變變化，并不能直接反饋管體是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，但是可以為柔性立管監(jiān)管檢測提供指導(dǎo)。

2.2.6 軟管扭轉(zhuǎn)與伸長監(jiān)測[3]

卡箍材質(zhì)為玻璃纖維浸潤樹脂定型固化成型?？ü款A(yù)制時將FBG光柵傳感器布設(shè)于卡箍內(nèi)，傳感器串聯(lián)連接；將接箍固定于軟管外壁，通過設(shè)計階段分析傳感器敏感性，從而實現(xiàn)軟管的扭轉(zhuǎn)與伸長變形監(jiān)測。

優(yōu)缺點分析：FBG傳感器布設(shè)于卡箍內(nèi)部，得到了有效的保護?？ü拷Y(jié)構(gòu)設(shè)計及傳感器布設(shè)方式設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)軟管徑向扭轉(zhuǎn)變形和管體軸向伸長變形的實時監(jiān)測。

圖8 扭轉(zhuǎn)與伸長監(jiān)測

3 結(jié)束語

國外柔性立管監(jiān)檢測技術(shù)已經(jīng)較為成熟，并在持續(xù)快速發(fā)展。相比之下，國內(nèi)尚處于起步階段，與國外檢測技術(shù)相比有巨大的差距。目前國內(nèi)自主研發(fā)的柔性軟管已經(jīng)在國內(nèi)規(guī)模化應(yīng)用，柔性立管接頭尾部扁鋼斷裂是柔性立管主要失效模式之一。國內(nèi)采用的外觀檢測方法單一，且存在滯后性，不能及時反饋軟管健康狀態(tài)。本文總結(jié)柔性立管抗拉鎧裝層疲勞斷裂監(jiān)測技術(shù)與研究現(xiàn)狀，并針對各個監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)缺點給出意見，希望能給軟管監(jiān)檢測領(lǐng)域提供一定參考。