柔性立管运营风险分析与维护管理建议

杜圣道

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东 深圳518000）

1 概述

海洋油气柔性立管是海上油气田开发工程重要的设施之一，是FPSO（浮式生产储卸油系统）油轮上连接输油输气海底管道的重要组成部分。柔性立管长期位于水下，管道内层为脱盐脱水后的油气、管道外侧为海水，柔性立管受外界洋流、浪涌、温度变化、台风等长期作用可能造成疲劳，海生物的生长、管内介质的温度、压力、流速等，改变柔性立管受力状态和承压状态、腐蚀速率等。由于钢带在大部分时间内处于滑移状态，其与相邻层之间的摩擦系数将对疲劳损伤结果产生巨大的影响（柔性立管结构与各层名称如图1、表1）。因此，影响柔性立管实际寿命的风险因素可归纳为腐蚀和疲劳的双重作用。

2 柔性立管面临的风险分析

冷凝水在环空层形成后不易排出管外，可能部分甚至全部充满环形空间。冷凝水在CO2/H2S 的作用下形成腐蚀性环境，诱发环空金属层发生腐蚀，在“腐蚀-疲劳”双重作用下缩短管道服役寿命，因此腐蚀环境对柔性立管的寿命影响至关重要。

运营期间定期对FPSO 柔性立管环形空间进行检测监测，如果环空层已形成腐蚀环境，那么抗拉层钢带应该也已经发生腐蚀，腐蚀会造成钢带截面尺寸减小，并且可能会造成摩擦系数增大。在无具体测量数据的情况下，为了考虑由于腐蚀而造成钢带减薄的影响，可根据国外油田实际工程项目的经验，可假设钢带的腐蚀速率为每个截面均腐蚀0.02mm/year，根据立管服役时间，可估算出钢带的实际截面尺寸，考虑腐蚀所造成的表面粗糙度增加，摩擦系数取规范中定义的上限0.2。保守计算，如果考虑钢带发生腐蚀，摩擦系数选取最大值，校验最终计算得到的疲劳寿命是否能够满足运营要求。

另外根据FPSO 所处的海洋环境，浪涌、洋流、bend stiffener（弯曲保护器）所处环境温度、内部输送介质密度、内部运行压力、立管上端外部静水压、立管下端外部静水压，均会改变柔性立管的受力状态，对柔性立管的疲劳构成威胁。因此，除设计阶段充分考虑洋流、浪涌、台风的外力之外，运营阶段也要严格控制输送介质的参数，保证各项参数平稳且在设计参数范围内。

3 基于腐蚀监测的疲劳分析

当前柔性立管运营管理还不够规范化，部分油田柔性立管在运营期间未进行过环空的检测与化验分析，相关历史基础数据较为缺乏。近年来，随着设备设施完整性管理的逐渐完善，柔性立管环空检测工作等越来越广泛应用。从某FPSO 柔性立管环空检测的结果判断，环空金属尽管采用了具有一定耐酸性的“Sour 800 grade”材料，但由于环形空间大部分已浸没在海水中，加之内管CO2、H2S 等酸性气体的渗透，在环空中形成了非常复杂的腐蚀环境，金属材料局部发生中等甚至严重腐蚀程度的可能性较高，但真实的腐蚀状态以及对未来腐蚀速率的预测难以量化确定。

根据某柔性立管厂家给出的操作与维护手册，环空一旦暴露在海水中，其服役寿命将显著降低。由于缺少历史检测数据，柔性立管环空目前真实的腐蚀状态与腐蚀速率未知，仅通过软件计算预测的软管剩余寿命不能作为运营管理的唯一参考依据。

为了确定柔性立管外保护层是否存在疲劳裂纹型损伤，建议尽快采用ROV 水下机器人对外保护层的完整性开展排查，还可以用磁力应变检测系统MAPS、数字成像技术CT、电磁波技术等给出准确的钢带腐蚀数据。根据排查结果评估严重程度，确定损伤等级并根据厂家推荐的方法进行修复。根据实际检测得到的钢带减薄尺寸，进行疲劳寿命的评估更加具有参考性。

如果环空检测气体样本、液体样本的酸性、金属离子等均在正常范围内，则不必采用ROV 水下机器人等进行柔性立管的完整性排查，可采用经济便捷的软件模拟方法，计算的柔性立管危险点、预测的剩余寿命可作为运营管理的重要理论依据。

图1 柔性立管结构示意图

表1 柔性立管各层材料名（右）

4 维护管理建议

一旦发现立管段环形空间存在腐蚀环境，从柔性立管完整性管理的角度，建议对柔性立管定期进行环空检测，并对检测结果保持长期记录，为使用寿命后期的寿命评估提供数据和依据。并且建议定期使用ROV 或潜水员对立管外包覆层的完整性以及牺牲阳极的消耗进行观测和记录。尤其针对环空层已经被基本浸没的情况，必须要保证其环空排气阀的通畅性。具体建议如下：

（1）水下ROV 或潜水员外部目视检测，检测内容包括：外包覆层完整性、立管附属构件完整性、立管构型及路由、海生物附着情况。确保外包覆层无破损，立管附属构件无脱落、破裂、腐蚀等情况，立管构型及路由与设计相比无重大偏离，监测海生物附着厚度。

（2）环空排气阀检查，确保环空排气通畅，尤其对于柔性立管下端接头，如有海生物附着堵塞排气通道则需要及时进行清理。

（3）牺牲阳极检查，检查牺牲阳极消耗情况，根据牺牲阳极的消耗速率，可以判断是否有外包覆层破损导致金属层发生腐蚀的情况发生。

（4）运行温度监测，监测有无超温情况并记录运行数值；运行压力监测，监测有无超压情况并记录运行数值。

（5）抗拉层钢带腐蚀尺寸检测，由于本次环空检测所给出环空层内的腐蚀环境情况推断柔性管抗拉层钢带应该已经开始发生腐蚀，但是具体的腐蚀程度需要通过相关检测（如磁力应变检测系统MAPS、数字成像技术CT、电磁波技术）给出准确的钢带腐蚀数据，并根据给出的钢带减薄尺寸重新计算疲劳寿命。

（6）定期环空检测，在未来设计使用年限内，建议每2 至3 年进行一次环空检测，以便掌握环形空间的动态变化情况和外包覆层的完整性，以及排气系统的通畅性，为立管的安全运行提供保障。