海底柔性软管安装施工失效原因分析

杨 进，鲁学蕾，吴 帆

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518067）

0 引言

与传统的双层海底钢管相比，柔性软管的灵活性、使用寿命、抗拉压等性能更加突出，在深水油气田开发中的使用范围更加广泛。海底柔性软管是现代深海油气运输中的一部分，近几年来在结构、运输、铺设等方面能够更好地满足深海油气输送的要求，作为我国海域石油以及天然气运输载体已经越来越普遍。不过，在充满各种未知风险的深海水底铺设海底柔性软管，经常会遇到很多如软管扭转、结构破损或压溃等失效现象。因此，对柔性软管陆地倒管、海上安装及运营期间潜在的失效原因进行分析，并提出相应的处理方案，将有效提高海底柔性软管的施工效率及适用性。

1 柔性软管组成及安装形式

1.1 组成形式

海底柔性软管是由聚合物和金属层通过物理连接方式结合而成，可以分为非粘结型柔性软管和粘结型柔性软管两种类型。其中，粘结型柔性软管是由几层组成，层与层之间粘结固定，不会产生相对位移；非粘结型柔性软管则是由几个独立的层组成，层与层之间没有固定的连接，允许层与层之间的相对位移。由于粘结型柔性软管的制作过程需要硫化环节，制造长度受到限制，常用于较短的工程应用，所以非粘结型柔性软管成为柔性软管的主流结构形式（图1）。

图1 非粘结型柔性软管组成

1.2 安装形式

柔性软管安装通常有水平铺设和垂直铺设两种模式，采用水平铺设方式进行作业时，软管自卷管盘或卷筒导出，经甲板导向装置进入水平张紧器夹持并控制速度，最后通过下水桥入水，产品末端通常使用船舶吊机下放至海床（图2）。

图2 水平铺设模式

2 柔性软管安装施工失效分析

由于安装施工不当引起的海底柔性软管失效是软管在铺管船陆地倒管、海上铺设过程中，对柔性软管的倒管、铺设、收尾等处理不当而引起的软管结构性损坏的综合体现，主要表现出软管内弯曲皱褶、外部打扭或爆裂等失效现象。导致软管安装施工失效的原因主要有以下4 种。

2.1 软管截面失效

在软管安装施工期间，当软管发生正扭转（即软管扭转方向与铠装钢丝绳层同向）则软管内部扭力将对软管截面产生拉伸作用，反之则会对软管截面产生压缩作用（图3）。软管界面拉伸或压缩则会导致软管截面内部扭转，严重时则会导致铠装钢丝强度失效、骨架层压溃失效、外护套失效等故障。因此，需通过分析软管原始设计参数，在充分考虑软管正反扭转的情况下，计算分析3 种失效模式下该软管截面最大允许扭转角度。

图3 软管截面扭转分析

2.2 软管整体失效

柔性软管由制造工厂倒运至运输船舶或由运输船舶倒运至铺设船舶的过程中，倒管装备路由、软管缠绕半径变化、软管存储高度变化及管道残余曲率等因素均会导致软管整体扭转（图4）。通过对2018年南海文昌某海域23 km 处国产软管陆地倒管过程扭转分析发现，摩擦系数、张紧器拉力、倒管速度对整体扭转没有影响，而缠绕半径、存储高度、残余曲率对整体扭转影响显著。

图4 软管倒管路由图

2.3 软管铺设失效

当铺设在海底的海底柔性软管承受的弯矩超过其极限弯矩时，海底柔性软管会发生弯曲现象，弯曲达到一定程度后柔性软管会产生折叠。折叠中的柔性软管的环向应力超过其极限环向应力时，此时柔性软管会在折叠附件发生打扭，环向应力越大打扭越严重。在弯矩、环向应力、内压力等的作用下，应力在弯曲的折叠段处开始响应，变形沿着柔性软管向软管的打扭处靠拢，由多种力引发的变形在打扭处得以呈现，使软管产生变形、爆裂、穿孔类破损等进而导致软管失效。

（1）内弯曲皱褶失效。铺管船在铺管过程中对铺管的速度和船舶的速度控制不当，会导致柔性软管落入海底着泥点处于一个弯曲状态，由于铺管速度过快，柔性软管便在着泥处产生余量累积，使软管有一个极大的弯矩作用，超出了柔性软管所能承受的极限抗弯能力，进而使这段柔性软管产生内弯曲皱褶失效现象。

（2）打扭爆裂失效。长距离海底软管在陆地倒管过程中内部积蓄着很多扭力，而柔性软管在海上铺设过程中蓄积的扭力会不断积累且很不容易被觉察，带有扭矩的柔性软管被铺设到海底后，扭矩得到自由的扩散、相互集中，当扭力集中到一定程度后便产生柔性软管变形、折叠、爆裂破坏失效现象。

2.4 外力作用失效

外力作用也是海底柔性软管失效因素中不可忽视的一个因素，其中包括第三方破坏失效和海床运动引起的失效。在海底柔性软管失效中，虽然第三方破坏并非主要原因，但是对柔性软管的失效却有重要影响，例如，海上船舶抛锚、拖锚、收锚等，很容易出现锚直接撞击海底柔性软管的情况，从而导致破损失效。另外，工程作业船舶途经软管上方作业，在未弄清楚软管的铺设情况下吊放工机具入海底，也存在损伤海底柔性软管的风险。

海床运动实质上是海流、软管、外力三方面力的共同作用，柔性软管会因这些作用力而遭到破坏。淤泥质海床存在很大的流动性，细砂质或粉砂质海床在地震和风暴潮的作用下很容易发生液化现象。在波流冲刷下，砂质海床又会发生腐蚀。如果海底柔性软管铺设在上述3 种性质不稳定的海床上，则很可能由于海床冲刷、滑动、塌陷等海床运动造成软管发生变形破坏或强度破坏从而引起失效。

3 柔性软管安装施工失效处理

3.1 优化软管陆地倒运

陆地倒运海底柔性软管是预防柔性软管安装施工失效的关键点，即大长度软管由一个存储装备向另一个存储装备传递、缠绕软管的过程，海底柔性软管的倒管过程将直接影响到铺设时安全性。施工单位应分析研究倒管过程中软管的受力过程、倒管装备及路径选择，明确倒管甲板布置及倒管路径，分析倒管过程软管失效模式，同时进行时域动力分析，考虑各种失效模式的柔性软管极限扭转角度。

在陆地倒运软管过程中，应采用以下方式避免软管扭转失效：①周期性监控软管标记线排列状态，软管截面最大允许扭转角度不超过最大允许扭转角度；②倒软管至卷管盘内圈与底层时易发生扭转，应注意监测缆筐内软管标记线扭转角度；③如果软管扭转角度超过临界值或管道上盘的第一圈后，则需要松开张紧器释放扭矩；④布局要尽量避免曲率面陡变，尽量保证装载臂的位置和角度平缓。

3.2 优化软管海上铺设

海底柔性软管的铺设成功与否决定着海底柔性软管使用的效率与质量，软管储存的关键点在于消除内部扭力。南海某平台间软管曾经由于在倒管过程中带有很多扭力，致使铺设后柔性软管在海底扭力集中，引起管段打扭爆裂的失效现象。合理的铺设必须是铺管船与海底柔性软管入泥速度保持在一个合理的范围内，还应当避免在海床复杂的地貌进行铺设，以提高海底柔性软管的安全性，降低海床运动、渔网拖拉、坠物撞击等破坏引起的软管失效概率。

4 结束语

海底柔性软管是现代海洋油气输运中不可或缺的组成部分，但在复杂多变的海底环境中，不可避免因各种因素而发生失效现象。从海底柔性软管的设计、建造、倒管及铺设等方面对软管失效进行分析，找出会引起软管失效的因素，根据失效因素提出相应的处理方案。针对性地解决海底柔性软管失效问题，在一定程度上会降低海底柔性软管失效的概率，为将来海洋石油发展提供一定的借鉴和经验。