陳嚴(yán)飛，江 楠，何明暢，侯富恒，王春莎，張左旻

（中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

據(jù)國際能源署統(tǒng)計(jì)，全球海洋石油探明儲量為354.7 億t，占全球總儲量的20.1%，海洋天然氣探明儲量為95 萬億m3，占全球總儲量的57.2%，海洋石油與天然氣資源總體探明率分別為23.7%和30.6%［1］。其開發(fā)具有重要戰(zhàn)略意義，而非黏結(jié)柔性管道作為海洋油氣開發(fā)的重要裝備，具有抗腐蝕能力強(qiáng)、彎曲剛度較小、可發(fā)生較大變形等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛地應(yīng)用于世界各海洋油氣田。

非黏結(jié)柔性管道是一種復(fù)合多層結(jié)構(gòu)的管道，層間無黏接，允許各層間的滑動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示［2］，包括骨架層、內(nèi)襯層、抗壓鎧裝層、耐磨層、抗拉鎧裝層和外包覆層。其中抗拉鎧裝層由矩形截面螺旋鋼絲纏繞而成，用于承載軸向拉力、扭矩和彎矩，為確保管道自身的扭矩平衡，通常為偶數(shù)層，鋼絲材料一般為碳鋼或低合金鋼［3］。

圖1 典型非黏結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of unbonded flexible pipe

如圖2所示，內(nèi)襯層和外包覆層之間的環(huán)形空間被稱為環(huán)空（annulus）［4］，包括抗壓鎧裝層、耐磨層、抗拉鎧裝層以及各層間的間隙，其中間隙空間約占環(huán)空總體積的5%到15%，在柔性管道制造階段會在間隙中填充潤滑油，附著于鎧裝層表面形成可防腐油膜［5］。另外，耐磨層的結(jié)構(gòu)會影響環(huán)空中流體的流動(dòng)，耐磨層采用高分子聚合物纏繞，纏繞層間會存在間隙，使得流體能自由通過；靜態(tài)柔性管道通常未設(shè)耐磨層［5-6］，流體更易在環(huán)空各層間流動(dòng)。管內(nèi)酸性氣體的滲透、環(huán)空內(nèi)水的冷凝和外包覆層破裂導(dǎo)致的海水進(jìn)入，使得環(huán)空出現(xiàn)易于發(fā)生腐蝕的環(huán)境，造成鎧裝層的腐蝕。

圖2 柔性管道環(huán)空示意Fig.2 Annulus of flexible pipe

由于抗拉鎧裝層鋼絲在環(huán)空中位置特殊，很難通過內(nèi)部或外部檢測確認(rèn)鋼絲上的腐蝕和裂紋缺陷，而且管道不同位置的環(huán)空條件差異較大，例如海底管段環(huán)空氣壓大于淺海段的環(huán)空氣壓，使抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕環(huán)境模擬較為困難。圖3 為抗拉鎧裝層腐蝕的情況［5，7］，其可能造成兩種后果：1）鋼絲金屬截面損失導(dǎo)致柔性管道負(fù)載能力降低；2）被腐蝕表面不均勻，導(dǎo)致局部應(yīng)力增大和應(yīng)力集中現(xiàn)象，以致疲勞抗力降低，顯著影響鋼絲在風(fēng)浪流等載荷下的疲勞壽命，甚至引起抗拉鎧裝層產(chǎn)生裂紋。

圖3 抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕Fig.3 Tensile armor layer corrosion

針對非黏結(jié)柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕機(jī)理與安全評價(jià)進(jìn)行綜述，首先介紹腐蝕機(jī)理研究進(jìn)展，再對檢測方法和設(shè)備、腐蝕疲勞壽命評估和腐蝕應(yīng)對措施進(jìn)行總結(jié)，指出其中的薄弱環(huán)節(jié)，為抗拉鎧裝層腐蝕預(yù)防和檢測評估提供一定參考。

1 抗拉鎧裝層腐蝕機(jī)理

1.1 影響環(huán)空腐蝕環(huán)境的因素

柔性管道中影響環(huán)空腐蝕環(huán)境的主要因素包括氣體、水和空氣，這些因素共同作用，使得環(huán)空環(huán)境出現(xiàn)變化，腐蝕過程也變得復(fù)雜。

1）環(huán)空內(nèi)的氣體。環(huán)空內(nèi)的氣體通常來自管內(nèi)氣體滲透，只有外包覆層破損或排氣系統(tǒng)閥門故障時(shí)氣體會從外界進(jìn)入。環(huán)空內(nèi)氣體組成由管內(nèi)輸送介質(zhì)所含氣體決定，氣體壓力則取決于排氣口的布置，兩者對環(huán)空內(nèi)腐蝕環(huán)境均有影響，例如處于深海的管段，靜水壓力較高，環(huán)空壓力較立管段高，通常所含的腐蝕氣體（如CO2、H2S）的分壓也較高，相對立管段更易發(fā)生腐蝕。溫度下降時(shí)，環(huán)空內(nèi)氣體壓力下降，當(dāng)?shù)陀谕饨鐗毫r(shí)，外界氣體和液體會從損壞的閥門或外包覆層破損處進(jìn)入環(huán)空，致使利于腐蝕發(fā)生的環(huán)境出現(xiàn)。

目前有學(xué)者對環(huán)空內(nèi)氣體的滲透和冷凝進(jìn)行了一些研究。張冬娜等［8］使用差壓法研究了內(nèi)襯材料為高密度聚乙烯（HDPE）時(shí)氣體的滲透行為，發(fā)現(xiàn)CO2和CH4滲透系數(shù)隨溫度升高而增加，CO2擴(kuò)散系數(shù)隨溫度增加變化不明顯，但溶解度系數(shù)逐漸增加，CH4則與之相反。Wang 等［9］提出了一個(gè)描述多相流模型，描述了氣體滲透柔性管道內(nèi)襯層的過程及其在環(huán)空中的冷凝過程，研究發(fā)現(xiàn)氣體只能在濃度梯度較大的窄縫處滲透，不同流型的氣體滲透率相對偏差可達(dá)2倍以上，冷凝的液體隨著時(shí)間推移而累積。

2）環(huán)空內(nèi)的水。水為腐蝕提供了反應(yīng)條件，環(huán)空內(nèi)的水主要來源于管內(nèi)的冷凝水和管外海水。一是冷凝水，當(dāng)環(huán)空中溫度低于環(huán)空中水蒸氣的露點(diǎn)時(shí)，水蒸氣會冷凝，而當(dāng)冷凝水足夠多時(shí)，水將聚集并從傾斜表面流下，聚集在柔性管道下垂彎曲處、立管段的底端或輸送管線中的低點(diǎn)。排氣管中的冷凝水也是一個(gè)潛在來源。二是管外海水，當(dāng)外包覆層上有孔時(shí)，海水通過孔進(jìn)入環(huán)空，形成水柱并壓縮環(huán)空內(nèi)氣體，最終兩者達(dá)到相對平衡。當(dāng)外包覆層上有兩個(gè)或以上的孔，海水會在孔間形成的通路中循環(huán)，造成富含氧氣的水環(huán)境，促進(jìn)腐蝕發(fā)生。圖4為兩種情況的示意。

圖4 兩種情況下環(huán)空內(nèi)水的分布情況Fig.4 Water distribution in annulus under two conditions

有部分學(xué)者開發(fā)了模型并預(yù)測了完好柔性管道內(nèi)冷凝水體積。Lefebvre等［10］基于成熟的預(yù)測環(huán)空環(huán)境的設(shè)計(jì)軟件MOLDITM，結(jié)合質(zhì)量傳遞、聚合物材料的物理參數(shù)、環(huán)空的熱力學(xué)方程，開發(fā)出3DIFF 模型來描述環(huán)空三維特征及其對柔性管道逸度剖面的影響，隨后預(yù)測了某在役管道環(huán)空中冷凝水的體積，與數(shù)據(jù)庫對比發(fā)現(xiàn)預(yù)測結(jié)果較為保守，同時(shí)計(jì)算了CO2在水中的擴(kuò)散速度，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果非常吻合。

3）空氣進(jìn)入。海洋環(huán)境下，進(jìn)入環(huán)空的空氣攜帶氧氣和水蒸氣，環(huán)空內(nèi)形成含氧潮濕環(huán)境，促使腐蝕發(fā)生。當(dāng)海面以上的外包覆層發(fā)生破損時(shí)，攜帶豐富水蒸氣的空氣就會進(jìn)入；另外，當(dāng)環(huán)空內(nèi)氣體壓力因溫度下降而降低時(shí)，空氣會從設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)呐艢庀到y(tǒng)吸入，同時(shí)攜帶排氣系統(tǒng)內(nèi)的冷凝水回流到環(huán)空中。

引發(fā)環(huán)空腐蝕的因素中，最為關(guān)鍵的是氣體和水，酸性氣體溶于水使環(huán)空環(huán)境酸化，導(dǎo)致抗拉鎧裝層金屬發(fā)生化學(xué)腐蝕，其對整個(gè)腐蝕過程影響最大，而空氣的進(jìn)入所帶來的氧氣，更多時(shí)候起到加快腐蝕發(fā)生的作用，不是抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕的決定因素。

1.2 非黏結(jié)柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕機(jī)理

抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕機(jī)理較為復(fù)雜，其與環(huán)空環(huán)境密切相關(guān)。

柔性管道中鎧裝層鋼絲腐蝕主要由酸性氣體CO2導(dǎo)致。CO2溶解于水中后電離出H+使環(huán)空環(huán)境酸化，鋼絲發(fā)生化學(xué)腐蝕，致使Fe 轉(zhuǎn)化為Fe2+，鋼絲表面出現(xiàn)腐蝕坑，水中Fe2+和C結(jié)合生成FeCO3，其會沉淀在鋼表面，形成有助于保持低腐蝕速率的保護(hù)層。腐蝕速率很大程度上取決于電解液的pH 值（電解液指冷凝水或溶解CO2的海水）。

目前國內(nèi)外有學(xué)者對CO2環(huán)境下的抗拉鎧裝層開展了研究。Ropital 等［11］在溫度20℃、純CO2環(huán)境下測試了水體積與鋼表面積之比V/S在0.25～100 ml/cm2的腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)腐蝕速率隨V/S的降低而降低。Underwood［12］通過含飽和CO2和CH4氣體的環(huán)空腐蝕試驗(yàn)，研究了環(huán)空中海水進(jìn)入或水冷凝對CO2腐蝕的影響，然后由電化學(xué)和失重測量量化腐蝕速率，得到運(yùn)行條件下柔性管道中碳鋼鋼絲的腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)腐蝕速率可能因溶液類型和環(huán)空淹沒情況或冷凝水占比而不同。Clements［13］總結(jié)已有的數(shù)據(jù)，用一條非線性曲線擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)并外推出管道環(huán)空V/S典型值0.03 ml/cm2時(shí)的腐蝕速率，預(yù)測值為0.15 μm/a，研究結(jié)果表明在充滿水的、無氧的和密閉的環(huán)空環(huán)境下腐蝕速率會降低。Zhang等［14］通過浸泡試驗(yàn)和電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，研究了柔性管道用高強(qiáng)度鋼在CO2飽和鹽水溶液和CO2飽和蒸汽環(huán)境中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)受試鋼在CO2飽和蒸汽環(huán)境中的腐蝕電流密度和腐蝕速率明顯比CO2飽和鹽水環(huán)境低，另外隨著腐蝕進(jìn)行，腐蝕產(chǎn)物（主要為FeCO3）變得厚而致密，腐蝕電流密度顯著降低。劉軍等［15］從壓力、溫度、氣體和腐蝕介質(zhì)等因素出發(fā)，研究了柔性軟管腐蝕過程CO的生成，其結(jié)果對完善CO2腐蝕機(jī)理有一定作用。

1.2.1 H2S對非黏結(jié)柔性管道抗拉鎧裝鋼絲腐蝕的影響

在許多油田生產(chǎn)環(huán)境中，H2S含量非常低，其通?？梢院雎?，但在一些情況，如開采時(shí)注水會導(dǎo)致硫化物還原菌的活性增加，產(chǎn)生H2S積累，H2S濃度不斷增大而影響腐蝕。一般情況下溶解在水中的H2S電離出H+，使得環(huán)空酸化，最終與抗拉鎧裝層鋼絲反應(yīng)生成FeS 和H2，其中FeS 溶解度低，易析出沉淀在鋼表面。管道實(shí)際運(yùn)行過程中，H2S 往往伴隨著濃度更高的CO2，H2S 的存在更多地體現(xiàn)在對CO2腐蝕的影響上，因此有必要研究兩者的關(guān)系。

一些學(xué)者對含H2S的環(huán)空腐蝕進(jìn)行了研究。Taravel-Condat和Desamais［16］進(jìn)行了高碳鋼在不同H2S、CO2分壓下的腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與純CO2條件相比，當(dāng)H2S 水平較高時(shí)，pH 值下降，腐蝕速率增加。Clements 和Ethridge［17］使用與Underwood［12］類似方法研究了含有飽和CO2和H2S 的環(huán)空內(nèi)鋼絲的腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)環(huán)空處于酸腐蝕環(huán)境下的腐蝕速率與甜腐蝕環(huán)境下相差不大。Schmitt和Horstemeier［18］發(fā)現(xiàn)H2S將與CO2腐蝕產(chǎn)物反應(yīng)，生成硫化物，使得鋼表面的腐蝕物保護(hù)層組成發(fā)生變化。Liu 等［19］研究了低合金鋼在H2S/CO2飽和氣體和H2S/CO2飽和鹽水條件下的腐蝕機(jī)理，發(fā)現(xiàn)回火馬氏體組織結(jié)構(gòu)的鋼在H2S/CO2飽和鹽水中的腐蝕速率大于在H2S/CO2飽和氣體中的腐蝕速率，H2S的加入抑制了FeCO3的形成。

由此可見，H2S對環(huán)空腐蝕環(huán)境和保護(hù)層均有影響，在分析H2S腐蝕時(shí)，不能簡單地認(rèn)為環(huán)空中H2S濃度的增加會促進(jìn)鋼絲的CO2腐蝕，還要考慮H2S的物相、H2S與CO2腐蝕產(chǎn)物之間的作用等因素。

1.2.2 O2對非黏結(jié)柔性管道抗拉鎧裝鋼絲腐蝕的影響

純氧氣環(huán)境下，鋼在含有溶解氧的海水中的腐蝕會生產(chǎn)Fe（OH）2，其繼續(xù)反應(yīng)將會產(chǎn)生最終產(chǎn)物Fe（OH）3。氧氣腐蝕的速率受到溶解氧的濃度、溫度的影響，當(dāng)水流動(dòng)很慢時(shí)，氧氣濃度降低，腐蝕速率會變得相當(dāng)?shù)?，而在氧氣濃度不變的情況下，腐蝕速率會隨著溫度的升高而增加。另外，鋼表面的腐蝕物保護(hù)層可以隔絕O2，減緩腐蝕發(fā)展。目前關(guān)于抗拉鎧裝層氧氣腐蝕機(jī)理及其影響的研究很少。Bardal［20］的研究表明，在飛濺區(qū)，即海水間斷地拍打管道的區(qū)域，保護(hù)性沉積物可能被沖走，使得氧氣參與腐蝕，腐蝕速率高達(dá)0.4 mm/a。

氧氣存在會影響CO2和H2S 腐蝕過程。Schmitt 和Horstemeier［18］發(fā)現(xiàn)在CO2環(huán)境中氧氣對腐蝕速率有很強(qiáng)的影響，會導(dǎo)致局部腐蝕，其可能會損壞環(huán)空中由CO2腐蝕產(chǎn)生的碳酸鐵保護(hù)層和高pH環(huán)境，使得碳酸鹽膜的保護(hù)作用變?nèi)酰h(huán)境酸化，CO2腐蝕速率增加。氧氣對H2S腐蝕也有影響，含氧海水進(jìn)入含高濃度H2S的海底管道環(huán)空時(shí)可能會改變腐蝕機(jī)理和腐蝕速率，氧氣可能會與硫化氫反應(yīng)生成腐蝕性很強(qiáng)的硫，這就可能造成腐蝕速率增加。

1.2.3 其他非黏結(jié)柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕影響因素

關(guān)于環(huán)空密閉和開放條件下的CO2腐蝕已有一定的研究，同時(shí)也有小部分學(xué)者研究了腐蝕后的產(chǎn)物生成和其他氣體對CO2腐蝕的影響，但是還有一些抗拉鎧裝層腐蝕的影響因素值得研究。王長學(xué)等［21］研究了環(huán)形空隙率對鎧裝層金屬腐蝕行為的影響，研究發(fā)現(xiàn)材料的腐蝕速率隨孔隙率的下降而減小。在發(fā)生CO2腐蝕的情況下，流動(dòng)的冷凝水能帶走具有緩沖的Fe2+離子，促進(jìn)CO2腐蝕反應(yīng)的發(fā)生，加快腐蝕，并且海水中的氯化物可能會對保護(hù)膜造成局部損傷，導(dǎo)致點(diǎn)蝕發(fā)生，目前這些方面的研究很少，需要進(jìn)一步試驗(yàn)。另外，目前關(guān)于抗拉鎧裝層鋼絲鍍鋅層對腐蝕的影響、鋼絲滑動(dòng)發(fā)生表面微動(dòng)磨損時(shí)對腐蝕的影響，還未見報(bào)道，未來可進(jìn)行相關(guān)研究。

2 非黏結(jié)柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕安全評價(jià)

2.1 非黏結(jié)柔性管道檢測與監(jiān)測方法

非黏結(jié)柔性管道檢測主要有環(huán)空檢測與監(jiān)測、外觀檢測和內(nèi)部缺陷檢測，通過檢測可以探知環(huán)空環(huán)境和抗拉鎧裝層腐蝕程度。

2.1.1 環(huán)空檢測與監(jiān)測

環(huán)空檢測主要用于檢測環(huán)空內(nèi)水環(huán)境和氣體環(huán)境，是一種間接檢測腐蝕的方法，通過檢測或監(jiān)測環(huán)空自由體積、環(huán)空壓力和排氣量等相關(guān)參數(shù)，對比數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，判斷柔性管道環(huán)空是否形成腐蝕環(huán)境以及腐蝕是否發(fā)生，但判斷準(zhǔn)確度需要依靠管道歷史數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)可輔助判斷柔性管道外包覆層和排氣系統(tǒng)是否損壞。Dion 等［22］開發(fā)了SUBC-RACS 立管環(huán)空監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由閥門、傳感器和計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成，可監(jiān)測環(huán)空壓力和環(huán)空自由體積，傳感器檢測環(huán)空壓力、溫度和排氣量，數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)后，由軟件生成壓力變化曲線并計(jì)算得到環(huán)空自由體積。在現(xiàn)場試驗(yàn)中，該系統(tǒng)具有較好的魯棒性和可靠性。Matheus等［23-24］設(shè)計(jì)完善了一種射頻識別系統(tǒng)（RFID），其在制造時(shí)在柔性管道各層插入特殊設(shè)計(jì)的傳感器，通過測量傳感器的共振頻率偏移來檢測環(huán)空中的液態(tài)水。在實(shí)際應(yīng)用中，該方法能有效地檢測到環(huán)空內(nèi)被淹沒的區(qū)域。Raman 等［25］提出了如圖5 所示的環(huán)空氣體監(jiān)測儀表系統(tǒng)（ISAGM），能深入了解環(huán)空壓力與氣體流動(dòng)的動(dòng)態(tài)行為并長期監(jiān)測，為柔性管道評估提供環(huán)空排氣率和環(huán)空完整性相關(guān)數(shù)據(jù)，可應(yīng)對環(huán)空淹沒和通風(fēng)口堵塞導(dǎo)致的柔性管道損壞。武國營等［26］在國內(nèi)首次應(yīng)用環(huán)空檢測技術(shù)，采用國外測試設(shè)備進(jìn)行密封保壓測試和氮?dú)鈮毫y試，檢測了某浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置3根柔性管道的保壓壓力、環(huán)空剩余體積和環(huán)空排氣系統(tǒng)流量等數(shù)據(jù)，為評估柔性管道狀態(tài)和疲勞壽命提供依據(jù)。金星等［27］分析了環(huán)空檢測設(shè)備檢測的結(jié)果，指出應(yīng)定期進(jìn)行環(huán)空檢測并記錄環(huán)空體積可幫助判斷柔性管道運(yùn)行狀態(tài)，其使用的環(huán)空檢測設(shè)備如圖6所示。

圖5 ISAGM結(jié)構(gòu)Fig.5 ISAGM structure diagram

圖6 環(huán)空檢測設(shè)備示意Fig.6 Diagram of annulus detection equipment

2.1.2 外觀檢測和內(nèi)部缺陷檢測

目前已有一些外觀檢測和內(nèi)部缺陷檢測方法，下面介紹其原理［28-30］和應(yīng)用。

外觀檢測主要是檢查柔性管道外包覆層是否損壞，一般由潛水員或遙控水下機(jī)器人（ROV）執(zhí)行，ROV或深水潛水員負(fù)責(zé)最深段，淺水潛水員負(fù)責(zé)中間段，水面以上由滑動(dòng)檢測裝置完成，檢測到損壞后，應(yīng)立即予以確認(rèn)和維修，防止海水和潮濕空氣進(jìn)入環(huán)空，形成腐蝕環(huán)境。

內(nèi)部缺陷檢測，一是超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)，低頻扭曲波或縱波通過柔性管道每層時(shí)，會返回一定比例信號，探頭接收每層的外壁和內(nèi)壁信號，通過計(jì)算機(jī)分析后，可獲得腐蝕深度圖像，由于超聲波在液體中穿透更強(qiáng)，因此更適合檢測環(huán)空被淹沒的柔性管道。Francis 和Chaves［28］結(jié)合有限元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用超聲導(dǎo)波技術(shù)進(jìn)行了柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕檢測，但是僅在環(huán)空內(nèi)存在水時(shí)聲波才能穿透抗拉鎧裝層，其掃描結(jié)果如圖7 所示，圖中坐標(biāo)軸表示掃描位置，右側(cè)數(shù)字代表鋼絲序號。二是渦流檢測技術(shù)，交流電流過線圈產(chǎn)生交變磁場，交變磁場穿過鎧裝層誘導(dǎo)渦流，產(chǎn)生二次感應(yīng)磁場，探頭通過探頭線圈中的阻抗來測量二次感應(yīng)磁場的幅值和相位，分析信號獲得抗拉鎧裝層腐蝕程度，該方法主要對表面和近表面的缺陷進(jìn)行檢測，適用于檢測柔性管道裂紋、腐蝕坑和侵蝕，相較于磁漏檢測靈敏度更高。Innospection 公司［31］開發(fā)了MEC-FIT 柔性管道檢查工具，在磁鐵上使用渦流線圈，增強(qiáng)渦流穿透性，信號通過渦流傳感器接收，能夠檢測裂紋、腐蝕、壁厚損失等缺陷。

圖7 超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果Fig.7 Detection result of ultrasonic inspection method

2.1.3 檢測設(shè)備

單一的檢測方法很難全面地獲取柔性管道狀態(tài)，如外表缺陷情況、內(nèi)部腐蝕情況、環(huán)空環(huán)境等，因此綜合多種檢測方法的檢測機(jī)器成為新的研究方向。目前有以遙控潛水器（ROV）為搭載基礎(chǔ)的檢測機(jī)器，其攜帶超聲波探測器和攝像機(jī)等設(shè)備，一次可進(jìn)行500 mm 長度全圓周高分辨率掃描，并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，檢測精度可達(dá)0.1 mm，檢測器及檢測結(jié)果如圖8所示［32］。圖8中坐標(biāo)軸代表掃描位置，黑色圓圈表示每條鋼絲上最小厚度測量值的位置。

圖8 Neptune檢測器及檢測結(jié)果Fig.8 Neptune detector and the detection result

在線立管檢測系統(tǒng)（IRIS）［33］是technipFMC 開發(fā)的一種多功能水下檢測工具，結(jié)合電磁檢測，超聲波檢測，X射線計(jì)算機(jī)層析成像等無損檢測技術(shù)，可以檢測柔性管道腐蝕、裂紋和破裂等缺陷，以及環(huán)空內(nèi)是否進(jìn)水。其可沿柔性管道獨(dú)立部署，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控，進(jìn)行表面掃描，依據(jù)掃描結(jié)果和開發(fā)的CAD 工具CANAFLEX，實(shí)現(xiàn)柔性截面建模，可協(xié)助制定各種檢查策略。其結(jié)構(gòu)和掃描分析結(jié)果如圖9 所示，圖9（c）檢測段局部坐標(biāo)系表示掃描區(qū)位置。

圖9 IRIS機(jī)器和分析結(jié)果Fig.9 Machine and analysis result of IRIS

2.2 非黏結(jié)柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕疲勞評估

抗拉鎧裝層鋼絲發(fā)生腐蝕會導(dǎo)致其疲勞壽命下降，發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)升高，需要對腐蝕鋼絲進(jìn)行疲勞壽命評估，通常的做法是檢測和評估抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕程度，然后進(jìn)行疲勞測試，得到S-N 曲線計(jì)算腐蝕疲勞壽命，因此，獲取不同腐蝕狀況下腐蝕疲勞壽命需要較多的試驗(yàn)。

部分學(xué)者開展了不同條件下的腐蝕疲勞試驗(yàn)，分析了腐蝕對柔性管道壽命的影響。Santos 等［34-35］研究了CO2分壓大小對柔性管道抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕疲勞行為的影響，進(jìn)行不同CO2分壓下的腐蝕疲勞試驗(yàn)，測得無CO2分壓下充氣海水（與空氣充分接觸）環(huán)境、3 bar 和10 bar CO2分壓下脫氣海水環(huán)境的S-N 曲線，發(fā)現(xiàn)高濃度CO2條件下柔性管道壽命明顯降低，10 bar CO2條件下比3 bar 時(shí)減少8%，比無CO2時(shí)減少29%，驗(yàn)證了高濃度CO2會降低柔性管道壽命。該試驗(yàn)結(jié)果可用于高濃度CO2環(huán)境的柔性管道設(shè)計(jì)和壽命評估，但要得到CO2影響壽命的濃度上限，需更多的試驗(yàn)，其試驗(yàn)方法可用于設(shè)計(jì)輸送含高濃度CO2流體的管道。Ottesen-Hansen 等［36］測試了不同應(yīng)力范圍下的多個(gè)鋼絲，通過動(dòng)態(tài)、撓度控制的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)獲得了SN曲線，并提出了100 MPa應(yīng)力內(nèi)定性和定量比較鋼絲疲勞強(qiáng)度的方法，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鋼絲的疲勞壽命在空氣中最長，其次是脫氧海水，最后是酸性環(huán)境（H2S），比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同供應(yīng)商提供的同等級鋼，在同一模擬環(huán)境中，疲勞壽命相似。Barnes 和Mclaughlin［37］使用高強(qiáng)度鋼制造的抗拉鎧裝層鋼絲，進(jìn)行了4 種環(huán)空環(huán)境下的腐蝕疲勞試驗(yàn)，并得到了鋼絲疲勞壽命，結(jié)果表明環(huán)空環(huán)境酸性越強(qiáng)，抗拉鎧裝層的疲勞壽命越短。

目前已有一些抗拉鎧裝層鋼絲疲勞壽命評估方法。API RP 17J規(guī)范［38］中規(guī)定抗拉鎧裝層疲勞分析采用Miner 法則和S-N 數(shù)據(jù)，若按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下試驗(yàn)得到的壓力值小于其承載極限，則可不使用Miner 法則。Kalman 等［39］結(jié)合API RP 17J［38］、API RP 17B［40］、DNV RP A203［41］規(guī)范，提出一套評估DeepFlex 柔性纖維增強(qiáng)管（FFRP）和柔性混合增強(qiáng)管（FHRP）的完整性流程，在性能評估階段依據(jù)API RP 17B標(biāo)準(zhǔn)對FFRP和FHRP進(jìn)行動(dòng)態(tài)疲勞測試。通?？估z裝層鋼絲腐蝕疲勞壽命使用S-N曲線來計(jì)算，如式（1）所示：

其中，N為失效循環(huán)次數(shù)，ΔS為應(yīng)力范圍，m為斜率參數(shù)（常數(shù)），C為常數(shù)。Berge 等［42］提出鎧裝鋼絲高周區(qū)疲勞壽命可按應(yīng)變—壽命關(guān)系來描述，即總應(yīng)變法評估，如式（2）所示：

其中，Δε為應(yīng)變范圍（彈性和塑性）；Nf為失效逆轉(zhuǎn)系數(shù)（Nf= 2N，N為失效循環(huán)次數(shù)）；σ′f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，MPa；ε′f為疲勞延展指數(shù)；E為彈性模量，MPa；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)。

在上述兩式中，式（2）等式右側(cè)第二項(xiàng)在高周區(qū)可忽略，在此基礎(chǔ)上，使用表面光滑的試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，與式（1）方法比較，得到疲勞強(qiáng)度指數(shù)b與參數(shù)m的關(guān)系為b=?1/m，一般b取值?0.05至?0.12，故m取值范圍為6至20，結(jié)果可為腐蝕疲勞壽命評估時(shí)S-N曲線的擬合提供參考。

一些學(xué)者的疲勞壽命分析可作為腐蝕疲勞壽命評估的參考。郝建伶等［43］根據(jù)環(huán)空檢測數(shù)據(jù)，選擇S-N曲線，建立柔性管道模型，通過雨流計(jì)數(shù)法得到的應(yīng)力序列的疲勞周期，計(jì)算出柔性管道疲勞壽命。龐國良［44］考慮波浪、海流及上部平臺運(yùn)動(dòng)，計(jì)算得到立管熱點(diǎn)處的載荷響應(yīng)時(shí)程，結(jié)合柔性管道數(shù)值模型，得到抗拉層應(yīng)力響應(yīng)時(shí)程，基于S-N 曲線和Miner 線性累計(jì)損傷理論，計(jì)算了立管不同抗拉層的疲勞壽命。朱佳等［45］建立柔性管道模型，計(jì)算了不同來浪角度浮體晃動(dòng)背景下柔性管道的疲勞壽命，計(jì)算考慮了風(fēng)浪數(shù)據(jù)，可對風(fēng)浪流與腐蝕共同作用下的疲勞壽命評估提供參考。

還有部分學(xué)者考慮更多的影響因素，改進(jìn)鋼絲腐蝕疲勞評估方法。Krishnan 等［46］考慮點(diǎn)蝕對鋼絲疲勞壽命的影響，在空氣和海水兩種環(huán)境下對無點(diǎn)蝕和預(yù)先點(diǎn)蝕的抗拉鎧裝層鋼絲試樣進(jìn)行一系列小規(guī)模疲勞試驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)可以為立管的設(shè)計(jì)和疲勞壽命評估提供參考。Favaro Borges 等［47］改進(jìn)柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕疲勞評估方法，樣品在進(jìn)行疲勞腐蝕試驗(yàn)時(shí)，考慮了疲勞與腐蝕的共同作用，即在人工模擬海水環(huán)境中進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，隨后對比原S-N 曲線，驗(yàn)證了新S-N 曲線的可靠性，改進(jìn)的方法能更準(zhǔn)確地預(yù)測水淹環(huán)空條件下運(yùn)行管道的剩余壽命。

關(guān)于抗拉鎧裝層鋼絲腐蝕疲勞壽命，目前已有一些評估方法和結(jié)果，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，但由于海水中環(huán)境復(fù)雜，環(huán)空內(nèi)條件變化，這些結(jié)果存在局限性，因此需要對各種環(huán)境中的鋼絲腐蝕進(jìn)行試驗(yàn)研究總結(jié)，得到適用性更廣的評估方法。

2.3 非黏結(jié)柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕應(yīng)對措施

腐蝕應(yīng)對措施主要圍繞避免外包覆層損壞、鋼材設(shè)計(jì)選擇、腐蝕防護(hù)評估開展，以盡可能延長柔性管道的壽命。

在安裝過程中，通過嚴(yán)格執(zhí)行程序來減小外包覆層損壞的可能性。在運(yùn)行過程中，要防止環(huán)空排氣系統(tǒng)堵塞導(dǎo)致外包覆層破裂，因此必須定期檢查和連續(xù)監(jiān)測排氣量和排氣系統(tǒng)流量。

此外，還可以通過設(shè)計(jì)和研究合格的耐腐蝕鋼材來減輕腐蝕影響。Liu等［48］通過浸泡試驗(yàn)，研究了用于柔性管道鎧裝層的高強(qiáng)度鋼的CO2腐蝕行為和氫致開裂行為（HIC、SSCC 和HE），發(fā)現(xiàn)按特定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的回火馬氏體鋼材具有優(yōu)良的抗HIC、SSCC、HE 和CO2腐蝕性能，而鐵素體則未達(dá)到抗HIC 和SSCC 標(biāo)準(zhǔn)。高秀華等［49］設(shè)計(jì)開發(fā)了一種低合金高強(qiáng)度海洋軟管用鋼，其屈服強(qiáng)度大于600 MPa，滿足抵抗氫脆、抗氫致開裂、抗應(yīng)力腐蝕開裂的性能。這可以作為鋼絲材料選取的參考。

預(yù)防腐蝕要確保腐蝕防護(hù)有效程度。工程中平臺和柔性管道的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)常常由不同團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致立管直接與平臺主體連接時(shí)需要考慮兩者陰極保護(hù)的兼容性，即計(jì)算電流衰減，確定柔性管道陰極保護(hù)不受平臺陰極保護(hù)系統(tǒng)陽極影響的安裝位置［50］。非黏結(jié)柔性管道的腐蝕防護(hù)狀態(tài)評估研究極少，在進(jìn)行評估時(shí)可參考海底鋼管的腐蝕防護(hù)評估方法和經(jīng)驗(yàn)，檢測保護(hù)電位有效性、犧牲陽極狀態(tài)等相關(guān)內(nèi)容［51］。

在面對避免腐蝕或減輕腐蝕影響的問題時(shí)，要采取合理策略來處理。運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)腐蝕，通常是監(jiān)測到數(shù)據(jù)異常，此時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取必要措施，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找到腐蝕嚴(yán)重位置，快速部署檢測設(shè)備，并通過事故樹分析系統(tǒng)故障原因，開展維修補(bǔ)救行動(dòng)［52］。Charlesworth 等［7］分析了英國石油公司某退役立管全生命周期的應(yīng)對過程，該管道外包覆層曾出現(xiàn)破裂，在檢查發(fā)現(xiàn)后立即進(jìn)行了修復(fù)，并在環(huán)空中注入緩蝕劑以減輕腐蝕和腐蝕疲勞的影響，最后柔性管道因鋼絲達(dá)到設(shè)計(jì)疲勞壽命而退役，解剖后發(fā)現(xiàn)管道聚合物層和鎧裝層的總體狀況良好，鋼絲和骨架層均只出現(xiàn)有限腐蝕，耐磨層出現(xiàn)磨損，疲勞試驗(yàn)表明服役的抗拉鎧裝層鋼絲疲勞壽命與設(shè)計(jì)壽命相當(dāng)，這說明英國石油公司采取的腐蝕應(yīng)對措施和方案是有效的。

目前為減輕腐蝕帶來的完整性問題，應(yīng)對措施主要圍繞檢測和監(jiān)測結(jié)構(gòu)完整、研究耐腐蝕材料、確保腐蝕防護(hù)有效進(jìn)行，國內(nèi)外學(xué)者均對此進(jìn)行了研究，但國內(nèi)的相關(guān)領(lǐng)域起步較晚，需要更多的試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出更成熟的解決措施。

3 結(jié) 語

抗拉鎧裝層是柔性管道的重要結(jié)構(gòu)，鋼絲的腐蝕會影響柔性管道的服役壽命，嚴(yán)重時(shí)可能影響管道運(yùn)行安全，因此研究腐蝕機(jī)理和腐蝕疲勞評估方法及應(yīng)對措施具有重要意義。隨著非黏結(jié)柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕研究的深入，其腐蝕機(jī)理愈發(fā)清晰，腐蝕疲勞評估方法不斷完善，檢測方法和設(shè)備不斷升級，國內(nèi)也在近幾年開始進(jìn)行柔性管道的環(huán)空檢測，用于評估柔性管道狀態(tài)，但是由于環(huán)空環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)有的腐蝕機(jī)理理論、腐蝕疲勞評估方法和腐蝕應(yīng)對措施仍不足以應(yīng)對柔性管道環(huán)空內(nèi)復(fù)雜多變的情況。對國內(nèi)外腐蝕機(jī)理研究、檢測方法、腐蝕疲勞壽命評估和腐蝕應(yīng)對措施進(jìn)行總結(jié)，并給出建議，希望可以為下一步研究提供幫助：

1）非黏結(jié)柔性管道環(huán)空環(huán)境在破損狀態(tài)下的相關(guān)研究較少。破損柔性管道的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，管道受到內(nèi)外環(huán)境的干擾，內(nèi)部環(huán)空環(huán)境不斷變化。尤其是當(dāng)外包覆層出現(xiàn)損壞，環(huán)空處于較為開放的環(huán)境時(shí)，內(nèi)部的水環(huán)境、氣體環(huán)境、壓力等不穩(wěn)定，使得抗拉鎧裝層鋼絲更易發(fā)生腐蝕。目前學(xué)者在管道完好情況下的氣體滲透速度、冷凝水和鋼絲腐蝕速率等方面有一定的研究，但在管道破損下抗拉鎧裝層腐蝕研究較少，如缺少外包覆層損壞持續(xù)時(shí)間對抗拉鎧裝層腐蝕反應(yīng)類型及腐蝕速率影響的研究，未來需獲取相關(guān)數(shù)據(jù)為管道維搶修提供參考。

2）腐蝕機(jī)理中影響腐蝕因素的研究仍不夠全面。在研究抗拉鎧裝層腐蝕機(jī)理時(shí)，冷凝水流動(dòng)、冷凝水積聚程度、O2等因素對CO2腐蝕的影響還需要進(jìn)一步研究；環(huán)空內(nèi)鋼絲腐蝕速率和腐蝕產(chǎn)物保護(hù)層與H2S積聚過程的關(guān)系值得考慮；海水中氯化物對點(diǎn)蝕和腐蝕產(chǎn)物的影響還要通過試驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)；鋼絲鍍鋅層、鋼絲微動(dòng)磨損對腐蝕的影響還未有相關(guān)研究。

3）國內(nèi)監(jiān)測和檢測方法的研究和應(yīng)用仍缺少經(jīng)驗(yàn)。柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕檢測已有較為成熟的方法和檢測設(shè)備，未來發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)為檢測方法和設(shè)備一體化，即一次完成各個(gè)檢測，檢測結(jié)果互相驗(yàn)證，并生成模型。國內(nèi)柔性管道檢測起步較晚，仍需借助國外設(shè)備檢測環(huán)空環(huán)境，未來應(yīng)積累檢測技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，努力實(shí)現(xiàn)檢測設(shè)備國產(chǎn)化。

4）腐蝕疲勞試驗(yàn)仍然處于研究單個(gè)腐蝕影響因素的階段。目前評估抗拉鎧裝層腐蝕疲勞壽命的方法為分別測定幾個(gè)腐蝕影響因素下的S-N 曲線來計(jì)算腐蝕疲勞壽命，而在實(shí)際生產(chǎn)中，多個(gè)因素綜合作用，共同影響環(huán)空腐蝕環(huán)境，使得腐蝕環(huán)境不同于實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境，單個(gè)因素下的試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果適用范圍較小，評估結(jié)果準(zhǔn)確性較低，因此在進(jìn)行抗拉鎧裝層腐蝕疲勞壽命研究時(shí)，應(yīng)盡可能同時(shí)考慮多個(gè)腐蝕影響因素。

5）在未來，可通過發(fā)展柔性管道檢測監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測設(shè)備，盡可能多的獲取鋼絲腐蝕數(shù)據(jù)和環(huán)空環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合腐蝕疲勞試驗(yàn)和有限元分析，建立和完善非黏結(jié)柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕疲勞數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上，研究復(fù)雜條件下腐蝕對鋼絲疲勞壽命的影響，盡可能量化各個(gè)影響因素，方便非黏結(jié)柔性管道抗拉鎧裝層腐蝕分析，降低后續(xù)完整性管理成本。