孟嘉巖

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300459）

0 引言

隨著海洋油氣田開發(fā)的深入，海洋管道作為海洋油氣資源最主要的運(yùn)輸媒介，對其的研究工作也越來越受到關(guān)注。海洋管道主要分為兩類，分別是鋼管和復(fù)合材料柔性管。相比鋼管，柔性管自20 世紀(jì)70 年代早期開始在北海投入使用以來，以其良好的特性和使用優(yōu)勢逐漸在海洋油氣資源開發(fā)中占據(jù)顯著地位，已經(jīng)成為近海石油天然氣領(lǐng)域商業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)備。

柔性管按照不同的制造工藝可以分為粘結(jié)型和非粘結(jié)型兩種，其中非粘結(jié)型柔性管各層結(jié)構(gòu)之間相互獨(dú)立，可以滑動，雖然加大了制造難度，但也使得其具有更強(qiáng)的競爭力。目前在柔性管技術(shù)的研究和工業(yè)應(yīng)用上，非粘結(jié)型柔性管道占比非常大。

目前，柔性管供應(yīng)商、工程公司和終端使用者等通過密切的合作，已經(jīng)建立了基于柔性管生命周期的工業(yè)流程，對管道的設(shè)計、制造、運(yùn)輸、鋪設(shè)、操作以及完整性管理等方面，給出了一系列具體的要求和規(guī)范。但需要注意的是，現(xiàn)階段柔性管道的相關(guān)技術(shù)和操作規(guī)范具有很強(qiáng)的壟斷性和獨(dú)立性，還沒有可以遵守的國際規(guī)范。目前應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)是美國石油協(xié)會的API 17J、18J 等[1]。世界上最大的三家柔性管道制造商分別是法國的德西尼布公司、英國的油田服務(wù)公司和丹麥的NKT Flexibles 公司，其各自有自己的設(shè)計研發(fā)團(tuán)隊來負(fù)責(zé)管道截面設(shè)計、質(zhì)量檢測、工藝設(shè)備開發(fā)等工作，為其工程團(tuán)隊提供柔性管生產(chǎn)服務(wù)[2]。

1 非粘結(jié)型柔性管道結(jié)構(gòu)特性

非粘結(jié)型柔性管到是溝通海下油氣田和浮式生產(chǎn)平臺的關(guān)鍵設(shè)備，在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，例如石油和天然氣的生產(chǎn)立管；注水、注氣管道；氣體舉升通道；石油和天然氣外輸管道；鉆井設(shè)備；海底靜態(tài)管路等。在不同應(yīng)用條件下，對于柔性管管徑、強(qiáng)度、柔性、耐溫性等特性的要求有所不同。

非粘結(jié)型柔性管道的性質(zhì)與其管壁結(jié)構(gòu)密切相關(guān)（圖1）。非粘結(jié)型柔性管是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，構(gòu)成它的材料很多，包括聚合物材料、金屬材料、人造纖維和泡沫材料等，不同的材料在強(qiáng)度、延展性、塑性、熱膨脹性等方面具有不同的特點。柔性管的每一層都具有特定的功能，并與其他層相互作用，而不同的應(yīng)用條件也就形成了柔性管不同層結(jié)構(gòu)的組合[3-4]。

圖1 典型非粘結(jié)型柔性管截面

1.1 骨架

骨架層是柔性管最內(nèi)層的結(jié)構(gòu)，也是唯一直接接觸流體的金屬結(jié)構(gòu)，所以用作骨架的金屬材料必須與輸送流體的化學(xué)組成相適應(yīng)。篩選材料的主要因素包括在操作環(huán)境下的耐腐蝕性、機(jī)械強(qiáng)度和價格。骨架層的作用是提供足夠的強(qiáng)度，來抵抗管道外部的靜水壓力，抵抗管道安裝和操作時的沖擊載荷，以及為內(nèi)襯層提供機(jī)械保護(hù)。骨架層是由折疊成S 形的金屬條螺旋相扣構(gòu)成的，每個S 形結(jié)構(gòu)彼此互鎖形成管狀，圓柱形結(jié)構(gòu)提供徑向的強(qiáng)度和剛度，截面間的相互滑移提供彎曲柔性（圖2）。這樣的制造模式也決定了骨架層是一個開放式結(jié)構(gòu)，流體能夠以很小的速率穿過骨架層。

圖2 典型骨架層結(jié)構(gòu)

1.2 內(nèi)襯層

骨架層外的內(nèi)襯層是密封層，由熱塑性材料擠壓而成。在一些應(yīng)用中常采用在密封層內(nèi)外增設(shè)犧牲層的多層結(jié)構(gòu)，犧牲層的作用是防止相鄰金屬層結(jié)構(gòu)對密封層構(gòu)成損傷。由于骨架層的開放性結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯層是暴露于輸送流體中的，在選擇內(nèi)襯層材料時要考慮輸送流體的溫度和化學(xué)特性。目前最常用的內(nèi)襯層材料有3 種，分別是高密度聚乙烯（HDPE）和交聯(lián)聚乙烯（XLPE）、聚酰胺纖維（PA11 或PA12）以及聚偏氟乙烯（PVDF）。通常不同的內(nèi)襯層材料都有各自的商品名稱，而且大部分采用了受保護(hù)的專利技術(shù)。

1.3 管道環(huán)

內(nèi)襯層和外護(hù)套層之間的環(huán)狀部分是管道環(huán)，管道環(huán)是開放型結(jié)構(gòu)，沒有壓力屏障。當(dāng)管道中輸送高壓流體時，流體將會滲透內(nèi)襯層進(jìn)入管道環(huán)，造成內(nèi)壓力積聚，嚴(yán)重時會導(dǎo)致外護(hù)套層爆裂。為了防止管道環(huán)內(nèi)壓力過大，通常超壓1～2 bar（1 bar=0.1 MPa）時會在管道環(huán)的末端開通風(fēng)孔。在管道建造階段，管道環(huán)內(nèi)的空間充滿了空氣。而在管道運(yùn)行期間，由于外護(hù)套層損傷、海水進(jìn)入管道環(huán)、泄漏等原因，管道環(huán)內(nèi)的物質(zhì)化學(xué)組成會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生腐蝕隱患、影響其剩余服役壽命。

1.4 壓力鎧裝層

壓力鎧裝層的主要功能是支持內(nèi)襯層和抵抗內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力，同時壓力鎧裝層也是能夠抵抗沖擊載荷和偶然載荷的強(qiáng)度構(gòu)件。壓力鎧裝層是由高強(qiáng)度的軋制碳鋼構(gòu)成的互鎖結(jié)構(gòu)，目前常用的截面結(jié)構(gòu)如圖3 所示，這些截面結(jié)構(gòu)大多數(shù)情況下是受保護(hù)的專利技術(shù)。

圖3 壓力鎧裝層互鎖截面

1.5 中間護(hù)套層

沒有骨架層的光滑內(nèi)徑管很容易受到水侵入管道環(huán)帶來的外部壓力的傷害，所以當(dāng)外部壓力超過管道內(nèi)襯層的潰敗壓力時，需要在壓力鎧裝層外增加中間護(hù)套層。中間護(hù)套層通常使用和內(nèi)襯層一樣的材料。

1.6 抗拉鎧裝層

抗拉鎧裝層是由兩層或四層鎧裝金屬條以30°～35°的捻角度構(gòu)成，主要功能是抵抗由內(nèi)壓和外部載荷引起的軸向應(yīng)力以及提供管道的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。當(dāng)管道承受軸向載荷時，抗拉鎧裝層會“自傷”來避免管道發(fā)生扭轉(zhuǎn)，而對于造成鎧裝層開卷（鳥籠結(jié)構(gòu)）的某方向上的扭轉(zhuǎn)載荷來說，該層的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剛度就很弱。該層金屬的截面形狀是矩形或接近矩形，由碳鋼或低合金鋼冷軋制成。通常鎧裝層金屬并沒有標(biāo)準(zhǔn)化的材料等級，材料等級大多情況下是由管道供應(yīng)商擁有專利。根據(jù)美國腐蝕工程師協(xié)會的文件，抗拉鎧裝層金屬按極限抗拉強(qiáng)度可分為酸金屬（極限抗拉強(qiáng)度低于900 MPa）和甜金屬（極限抗拉強(qiáng)度1200～1500 MPa），針對柔性管不同的設(shè)計需求，抗拉鎧裝層金屬的強(qiáng)度需要進(jìn)行優(yōu)化。

1.7 復(fù)合鎧裝層

水深超過2000 m 的深水作業(yè)中，傳統(tǒng)柔性管的重量不僅給管道敷設(shè)設(shè)備和敷設(shè)船造成了很大負(fù)擔(dān)，也給浮式生產(chǎn)平臺帶來很大風(fēng)險。因此可以用纖維加固的聚合物制成的復(fù)合鎧裝層來代替金屬抗拉鎧裝層，能顯著降低管道的重量。現(xiàn)在碳纖維復(fù)合鎧裝層已經(jīng)成功應(yīng)用于柔性立管，基于這項技術(shù)的極限水深柔性立管也正在開發(fā)中。

1.8 防磨層

受到周期性彎曲的柔性立管，它的抗拉鎧裝層金屬和相鄰鋼性層之間會產(chǎn)生顯著的接觸面應(yīng)力，從而造成周期性滑移。如果兩層鋼性鎧裝層直接接觸，就可能發(fā)生磨損或磨蝕失效。因此在鋼性鎧裝層之間要設(shè)置防磨帶。防磨帶通常使用1 mm 左右的Rilsan（耐綸11 型酰胺纖維）材料，它不具有防裂漏功能，管道環(huán)中的液體可以通過。該層承受巨大的接觸面應(yīng)力，并會產(chǎn)生很大的滑移幅度，例如設(shè)計使用壽命為20 年的柔性管，累計滑移量達(dá)50 km。在服役過程中，如果防磨層失效，會造成管道使用壽命急劇縮短。

1.9 防屈曲層

柔性管在建造和停車期間易受到扭轉(zhuǎn)載荷和軸向壓縮載荷的作用，這些載荷可能會導(dǎo)致抗拉鎧裝層產(chǎn)生徑向屈曲或鳥籠現(xiàn)象，以及抗拉鎧裝層金屬條帶的側(cè)向屈曲。因此在抗拉鎧裝層外需設(shè)置防屈曲層，它一般是由芳族聚酰胺（一種輕質(zhì)高強(qiáng)度合成纖維）或玻璃纖維制成的加強(qiáng)帶構(gòu)成。

1.10 隔熱層

當(dāng)柔性管需要進(jìn)行隔熱處理時，在抗拉鎧裝層和外護(hù)套層之間需要設(shè)置隔熱層，隔熱層材料通常是泡沫材料或固體隔熱材料。

1.11 外護(hù)套層

外護(hù)套層一般位于柔性管基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最外層，通常會受到有沖擊載荷、侵蝕、撕裂載荷以及內(nèi)外壓力載荷等，外護(hù)套層大多由HDPE（高密度乙烯）或Rilsan 材料制成，其作用是密封阻止海水入侵，防止鋼性鎧裝層腐蝕，并對鋼性鎧裝層提供機(jī)械防護(hù)。據(jù)統(tǒng)計，約40%的柔性立管失效是由外護(hù)套層損傷導(dǎo)致的。

1.12 彎曲加強(qiáng)件

柔性管末端是一個端部構(gòu)件，柔性管的所有層都在一個非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中被錨固，管道所受的彎曲載荷在此處會產(chǎn)生非常大的應(yīng)力集中，從而對管道的剛度和強(qiáng)度構(gòu)成威脅。因此在管道和端部設(shè)備之間需要設(shè)置一個用于剛度過渡的彎曲加強(qiáng)件。彎曲加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)由聚亞安酯制成，尺寸一般較大、長約數(shù)米，端部直徑大于1.5 m，重量超過1.5 t。需要注意的是，彎曲加強(qiáng)件的設(shè)計壽命要與柔性管的設(shè)計運(yùn)行壽命相同。

1.13 光滑內(nèi)徑柔性管路

有骨架層的柔性管稱為粗糙內(nèi)徑管，沒有骨架層的柔性管稱為光滑內(nèi)徑管。當(dāng)輸送流體不含氣體成分或其他適宜條件下，可以使用流動損失小、運(yùn)行成本低的不含骨架層的光滑內(nèi)徑柔性管。光滑內(nèi)徑管管路的缺陷是，當(dāng)外護(hù)套層出現(xiàn)損傷時外部靜水壓力會直接作用于內(nèi)襯層，因此抗外部靜水壓力能力有限。基于此，光滑內(nèi)徑管需要在抗拉鎧裝層和壓力鎧裝層間設(shè)置防潰敗層，利用壓力鎧裝層的強(qiáng)度來抵抗?jié)≥d荷。

2 非粘結(jié)型柔性管失效模式

柔性管的多層結(jié)構(gòu)存在多種失效模式，粘結(jié)型管道和非粘結(jié)性管道的失效模型大致相同。這些失效模式在柔性管生命周期的每個階段都有可能發(fā)生，尤其是在運(yùn)輸、安裝和操作階段，事故發(fā)生的情況相對集中[5-7]。據(jù)統(tǒng)計，58%的失效是由外護(hù)套層損傷導(dǎo)致的，19%的失效是由水淹管道環(huán)面事故導(dǎo)致的。下面從柔性管生命周期的不同階段分別進(jìn)行討論。

2.1 設(shè)計和制造階段

在柔性管的設(shè)計和制造階段，由于水下動力作用，管件鎧裝層會疲勞失效，導(dǎo)致其無法承受很大的壓力并發(fā)生泄漏。針對該類型的失效，可以引入增塑PVDF 材料（這是一種抗壓、耐高溫的塑性材料），同時還應(yīng)注意減小端部接口的荷載。

2.2 運(yùn)輸階段

失效模式也會出現(xiàn)在與包裝、保存和裝船固定相關(guān)的運(yùn)輸過程中。在該過程中可能出現(xiàn)腐蝕、侵蝕失效。其失效機(jī)理是，內(nèi)骨架暴露于海水及擴(kuò)散性物質(zhì)中，從而導(dǎo)致抗拉、抗壓鎧裝層的腐蝕。因此，不僅應(yīng)重點關(guān)注柔性管材料的選取，還應(yīng)設(shè)計陰極保護(hù)系統(tǒng)、增加骨架層厚度和減少沙粒含量。另外，柔性管的外護(hù)套層很容易受到掉落的貨物和起吊貨物碰撞的傷害。如果外部破損點位于不利位置，并且沒有在安裝前進(jìn)行維修，損壞的外護(hù)套層可直接導(dǎo)致管道失效。

2.3 安裝和回收階段

在安裝或回收期間，最常見的故障是對管子外護(hù)套層的厚度損傷。如果外護(hù)套層損傷處于飛濺區(qū)，陰極保護(hù)不起作用或作用有限，且容易接觸氧氣，那么腐蝕損壞就會迅速產(chǎn)生，管道完整性將受到破壞。另一個故障模式是橫向屈曲，其失效機(jī)理是在高靜水壓力（深水）環(huán)境下，管道過度彎曲或受壓力載荷過大，導(dǎo)致抗拉鎧裝層因過度張緊或屈曲而失效。

2.4 操作階段

在操作過程中可能出現(xiàn)的失效模式較為復(fù)雜。

（1）疲勞失效。對于柔性立管所使用的所有材料，在橫截面處都可能會出現(xiàn)機(jī)械疲勞。骨架是將冷軋薄鋼帶制成一個環(huán)環(huán)相扣的柔性結(jié)構(gòu)，制造精度低或負(fù)載過大都可能改變骨架的性能，從而造成骨架層的疲勞失效。

（2）腐蝕。如果外部護(hù)套層損壞，管道中的鎧裝層金屬將暴露于海水中。如果沒有有效的犧牲電極保護(hù)，管線將被腐蝕。另外，對于柔性管道中的外護(hù)套層損壞，即使管道兩端均連接到陽極，也會存在氧化腐蝕。

（3）潰敗。柔性管有兩種不同的崩潰情況，一是在光滑內(nèi)徑管道中內(nèi)部壓力襯管的崩潰，二是在粗糙內(nèi)徑管道中骨架和壓力襯管的崩潰。為預(yù)防此類型失效發(fā)生可采取以下措施：增加骨架層金屬層數(shù)、增加壓力鎧裝層或內(nèi)部壓力護(hù)套層厚度（光滑內(nèi)徑管）、修改結(jié)構(gòu)設(shè)計或安裝設(shè)計以減少載荷、加裝防泄漏的中間夾層以及增加骨架層或壓力鎧裝層的面積慣性矩。

（4）屈曲失效。在一定的限度內(nèi)，柔性管可能在壓縮荷載作用下發(fā)生屈曲。極端情況下，屈曲荷載可能導(dǎo)致管道過度彎曲和無序化（鳥籠）。柔性管道的屈曲模型大致分為三類，包括：應(yīng)力過大導(dǎo)致的側(cè)向屈曲、由于彈性不穩(wěn)造成的側(cè)向屈曲和徑向屈曲。這三類失效的潛在機(jī)理都是由于外護(hù)套層的受損或破裂導(dǎo)致的應(yīng)力集中，或管線受到軸向壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力過大導(dǎo)致過壓失效。

3 柔性管道完整性管理

柔性管道的更換成本很高，失效事故更是會帶來災(zāi)難性的后果。為保證柔性管道運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，需要建立柔性管道完整性管理計劃IMP。管道完整性管理計劃在設(shè)計階段建立，需要放眼整個生命周期，考慮到運(yùn)行中的監(jiān)測、檢測和測試活動，同時在實施中要時刻注意對運(yùn)行效果的評估，以對完整性管理計劃進(jìn)行反饋和更新[8]。完整性管理計劃的關(guān)鍵步驟如圖4 所示。

圖4 柔性立管完整性管理的關(guān)鍵步驟

目前的實踐情況表明，完整性管理計劃的實施，有助于柔性管道系統(tǒng)的性能改進(jìn)，有助于降低故障發(fā)生概率，同時也有助于降低各種操作風(fēng)險。柔性管道完整性管理計劃的內(nèi)容主要分為3 個部分——檢測、測試和監(jiān)控，另外反饋也是該計劃的重要內(nèi)容之一。一般來說，一個綜合性的完整性管理系統(tǒng)應(yīng)該能夠較早地識別出管道系統(tǒng)的各種問題，并有機(jī)會提早采取措施、防止事故發(fā)生。

3.1 檢測

柔性管道最常見的檢測手段是ROV（水下機(jī)器人）視覺檢測。對ROV 進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化可以使其應(yīng)用于某一特定的組件和區(qū)域。目前應(yīng)用于近海柔性管的檢測手段有：

（1）ROV 近距離視覺檢測。

（2）甲板層人工近距離視覺檢測。

（3）水上攀援近距視覺檢測。

（4）內(nèi)部遠(yuǎn)程攝像機(jī)檢測。

3.2 測試

由于大量的沖水事故造成了管道環(huán)測試頻次的增加，目前通常的做法是在安裝后不久進(jìn)行一輪測試，以提供參考值。在這輪測試中將發(fā)現(xiàn)主要通過厚度損傷外護(hù)套層和排氣口及閥門的問題。之后需要進(jìn)行定期輪回大量測試來判斷系統(tǒng)狀態(tài)，并對長期運(yùn)行趨勢進(jìn)行追蹤。目前柔性管海上作業(yè)采用的測試手段有：

（1）安裝、改進(jìn)、維修后進(jìn)行管道壓力測試。

（2）為識別完整的外護(hù)套層和鑒別液態(tài)成分進(jìn)行環(huán)空或壓力測試。

（3）為識別環(huán)形空間和可能的腐蝕過程進(jìn)行環(huán)腔氣體抽樣和分析。

（4）浸沒在油品和射流中的聚合物試件壽命檢測。

（5）為分析CO2、H2S 含量進(jìn)行管內(nèi)流體成分測試。

3.3 監(jiān)控

監(jiān)測壓力、溫度和流量情況是油氣井過程和控制系統(tǒng)的一部分，同樣的設(shè)備也應(yīng)用于在柔性立管完整性管理的情況下監(jiān)控。近海柔性管道系統(tǒng)使用的監(jiān)控手段有：

（1）管徑壓力監(jiān)控，監(jiān)測海底和頂部傳感器的壓降和壓力變化率/周期。

（2）管徑溫度監(jiān)控，監(jiān)測溫度變化率/周期。

（3）通風(fēng)環(huán)流動壓力和流量監(jiān)測。

（4）環(huán)境載荷監(jiān)控和/或浮臺運(yùn)動及偏移監(jiān)控。

（5）管徑流量變化率，特別是與壓降有關(guān)的變化率監(jiān)控。

4 結(jié)束語

近年來，大多數(shù)的柔性管供應(yīng)商已經(jīng)制定了自己的具體規(guī)范，國際標(biāo)準(zhǔn)文件也在制定之中。對已有標(biāo)準(zhǔn)的修正和擴(kuò)大范圍的交流，是把行業(yè)經(jīng)驗傳遞給所有柔性管道事業(yè)參與者的最好的方法。但是這些文件的更新和修改是費(fèi)時較長，專利保護(hù)給技術(shù)交流帶來的困難和阻力也很大。目前我國的柔性管道事業(yè)正在積極開展，盡管已經(jīng)取得了一些研究成果，但相較世界先進(jìn)技術(shù)水平來講還有很長的路要走。為此，應(yīng)該抓住海洋油氣資源開發(fā)力度不斷加強(qiáng)的契機(jī)，提高柔性管的研究和應(yīng)用水平，逐步掌握海洋柔性管設(shè)計制造的核心技術(shù)，為我國海洋油氣開發(fā)提供保障。