海底油气管道腐蚀失效风险及预警方法

王亚儒(中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6作业公司，天津 300459)

0 引言

海底管道属于海洋油气运输的主要模式，如果管道发生问题，就会严重影响到油气的运输效率，并污染环境，要是非常严重还会导致人员伤亡和财产大量损失，可见腐蚀影响非常大，必须采取有效的预警方法。预警是现阶段避免海底油气管道腐蚀失效风险的主要方法。文章借助极限状态方程和蒙特卡罗法，确定出了海底管道腐蚀失效的预警等级与界限，并成立了海底油气管道腐蚀失效风险预警模型，进而开展研究[1]。

1 海底管道腐蚀失效的探究

1.1 海底油气管道腐蚀失效的类型

首先，根据海底管道腐蚀失效的部位可将腐蚀分成两种类型，即内腐蚀与外腐蚀。其中，导致内腐蚀的原因包括：防腐设计不合理、施工质量不过关以及防腐管理不到位等等。其次，根据海底管道腐蚀的形式以及海底管道腐蚀的特点可将腐蚀分成两种类型，即体积型腐蚀与平面型腐蚀。其中，常见的海底油气管道体积型腐蚀有3种，分别为：均匀腐蚀、局部腐蚀以及点腐蚀；常见的海底油气管道平面型腐蚀有两种，分别为：焊接裂纹腐蚀与应力裂纹腐蚀。对于均匀腐蚀来说，此腐蚀会匀称分布在管道的表面；对于局部腐蚀来说，此腐蚀会集中分布在管道的某个区域，根据区域的不同还可将腐蚀分成以下几种情况，分别为：电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、磨损腐蚀与氢脆腐蚀；对于点腐蚀来说，此腐蚀会不断向深处蔓延，最终造成油气管道出现腐蚀穿孔现象。

1.2 导致海底油气管道腐蚀失效的主要原因

导致海底油气管道腐蚀失效的原因就是海水腐蚀，因为海洋中具有多种盐类、微生物、泥沙以及溶解气体等等，这些物质都具有很大的腐蚀性，所以导致海水对油气管道的腐蚀性极大。通常影响腐蚀速度的因素有很多，如：盐的种类、盐的浓度、温度、氧含量、流速以及海洋生物等。另外，因为海水中具有许多高浓度的氯离子，使得金属在海水中难以钝化，仅有少量的金属会在海水中钝化，由于海水的导电性很强，所以腐蚀速度非常快。因此，必须注意海底油气管道腐蚀情况，尤其是海洋大气区与飞溅带处，这些位置非常容易发生腐蚀。

1.3 海底油气管道腐蚀失效的后果

因为海洋环境会给油气管道带来很大的腐蚀风险，如果管道出现失效情况，其后果都是极其严重的，轻则导致油气泄漏，污染生态环境，重则会造成停工，引发火灾等情况。据调查发现，过去的20多年间，我国共出现了19件海底管道失效情况，基本上每年至少发生1件泄漏事件。海底油气管道的腐蚀失效后果是难以想象的，带来的后果是难以承受的，相关单位和企业必须重视管道腐蚀的失效性，及时的发现问题，同时及时解决问题。

2 海底油气管道失效风险预警过程

海底油气管道会受许多因素的影响，极易发生腐蚀失效情况，常见的影响因素包括：管材性能、介质属性、周围环境以及防护设施等。通常腐蚀失效有两种情况，一种是随着时间的增加，腐蚀深度会越来越大，直到穿透管道，使其出现泄漏，另一种是管壁的局部越来越薄，使得承压能力越来越小，当运行压力大于腐蚀处的压力时，管道就会于此产生破裂，从而造成管道泄漏。要想避免海底油气管道发生腐蚀失效，就必须采用风险预警机制，经过识别和探究造成管道腐蚀失效风险的原因，来判断失效风险的现状，并预计失效风险的趋势，通过趋势分析油气管道失效的可能性，对分析的结果进行及时的措施处理，采取合理的方法和控制措施。风险预警的整体过程中比较繁琐，涉及到的环节比较多，具体分为以下几个大步骤，主要包括：腐蚀失效风险分析、评估和预测。具体工作内容主要包括以下3方面：(1)大量的收集相关信息，主要收集的是管道的属性和规格等等数据，通过分析出的数据判断腐蚀的程度和速率，通过相关模型分析，预测失效的风险和趋势；(2)因为腐蚀原因不确定，所以应当利用概率分析管道腐蚀失效的机制；(3)参照有关标准规范确定管道风险等级，并依据失效风险程度得到预警的警度，从而分析警度能否接受，以决定是否使用预警方法排除风险[2]。

3 海底油气管道腐蚀失效风险预测模型

3.1 失效极限状态下的方程

因为结构性能是在极限状态下展开的，所以极限状态是区别结构是否可靠的界限状态。用随机变量X=(X1，X2，……，Xn)表示影响结构性能的基本随机变量，用功能函数g(X)表示结构的工作状态，于是结构工作状态可用以下3种形式展开表现，第一种形式是Z=g(X)>0，代表结构可靠；第二种形式是Z=g(X)=0，代表结构处于极限；第三种形式是Z=g(X)<0，代表结构失效。把结构极限状态方程作为结构承载力和外界载荷的差值，就能得到：

式中：Z为结构功能函数；C为结构承载能力；L为结构外界载荷。

对于腐蚀穿孔极限状态下的方程来说，其主要采用的是挪威船级社规范，并根据管道单腐蚀失效类型得出管道的最大腐蚀深度不可大于管道壁的85%，所以管道腐蚀穿孔的极限状态下的方程就可用最大腐蚀深度和实际腐蚀深度之间的差进行表示：

式中：Zd为腐蚀穿孔的结构功能函数；dc为管道最大腐蚀深度，在此为管壁厚的85%；d(T)为管道实际腐蚀深度。因为管道的实际腐蚀深度和腐蚀速率有着很大的关系，当管道出现腐蚀现象时，其腐蚀会向管道的轴向与径向不断延伸，所以腐蚀可从两个参数展开研究，即轴向长度和径向深度，由此腐蚀过程的表达式具有以下两个，分别为：

式(3)～(4)中：d0为管道最初的腐蚀深度；vd为径向腐蚀速率；L(T)为管道轴向腐蚀长度；L0为轴向最初的腐蚀长度；vl为轴向腐蚀速率；T为预计时间；T0为初始时间。对于破裂失效极限状态下的方程来说，其主要采用的是管道破裂失效机制，所以破裂失效极限状态下的方程可用管道失效压力和正常运行压力的差进行表示，即：

式中：Zp为管道破裂失效的结构功能函数；Pf为管道腐蚀处的失效压力；Po为管道正常运行压力，通常管道的正常运行压力是可以确定的，所以仅需要计算腐蚀处的失效压力。

3.2 海底油气管道腐蚀失效概率的确定

经过对腐蚀数据的调查研究能够发现，管道腐蚀速率的变化是有统计性的，特别符合随机过程，其中蒙特卡罗法就是运用的随机形式，通过随机变量的数值序列得出近似解的一种方法，此方法非常适合用在具有确定概率模型的数学求解当中，所以蒙特卡罗法能够良好用于海底油气管道腐蚀失效极限状态当中，能够准确得出管道腐蚀失效的概率。通过管道腐蚀失效极限状态下的方程和结构3种运行状态就能得到管道腐蚀失效概率Pf的表达式，即Pf=P(Z<0)，然后运用计数法得到管道腐蚀失效概率，就是在模拟过程中记录结构失效(Z<0)的次数，最后通过失效次数和总模拟次数之比就能得出失效频率，也就是失效概率[3]。

4 海底油气管道腐蚀失效风险预警方法的实例

在此以某海底油气管道为例，此海底油气管道的长度是500 m、外径是711.2 mm、管壁厚度是14.3 mm，运行压力是6.7 MPa，管道运用的是API5LX60材料，屈服强度是480 MPa，初始腐蚀深度是2 mm、初始腐蚀长度是4 mm。通过数学分布可知此管道的径向腐蚀速率呈正态分布状，即N(0.396 8，0.141 2)。因为轴向和径向的腐蚀原因一样，所以就将轴向腐蚀速率视为径向腐蚀速率的2倍。

4.1 海底油气管道腐蚀失效风险预警的界限确定

根据腐蚀深度允许值的相关标准，在此就将腐蚀深度的允许值和允许值的90%、60%、30%视作预警的阈值，从而确定了腐蚀深度预警的界限。在此依据的标准为DNV-RP-F107，将其规定的4类管线临界失效概率用作预警的阈值。

4.2 海底油气管道腐蚀穿孔风险预警的方法

从海底油气管道腐蚀深度情况可知，管道在0～4.2年之间，都处于正常腐蚀当中，呈无警状态；管道在4.2～13.4年之间，管壁会变薄，不过泄漏情况极低，呈现轻警状态；管道在13.4～22.5年之间，管壁会更薄，泄漏情况会加大，此时呈中警状态，需要注意；管道在22.5～25.6年之间，管壁会显著变薄，极易发生泄漏，所以会呈现重警的状态，必须采用一些控制方法，避免腐蚀加重；管道在25.6年以上，腐蚀深度会大于允许值，极易泄漏，所以呈巨警的状态，必须立即降压、修管。我们知道腐蚀深度预警在不同时期具有不同的状态，表现在初期和中后期时表现的比较保守，这两个时期表现的比较保守。在具体的实际发展过程中管道在初期时腐蚀的程度不深，腐蚀的面积比较少，整体的结构强度很大，前期预警不需要保守值，随着时间的推移，管道中后期的腐蚀会不断的加深，随着腐蚀程度的加深，管道的结构属性会发生变化，管道的结构属性会不断的下降，这时的预警值会比较的保守，我们知道管道腐蚀会受到许多外界因素的影响，主要的影响因素包括：环境、人工操作等，由于受到外界环境的影响，管道腐蚀的趋势不会呈现出线性的变化，这时管道腐蚀穿孔概率的预警会更加的可靠和可信，这种预警会与实际的情况比较贴切和吻合。

4.3 关于海底油气管道腐蚀破裂失效风险的方法

通过海底油气管道腐蚀破裂失效概率情况可知，破裂概率处于预警下限 10-5、10-4、10-3、10-2时的年份分别对应的是13.4年、14.8年、17年、22年。管道在0～13.4年之间，管道壁的减少量很低，管道强度能够良好承受运行压力，管道呈无警状态；管道在13.4～14.8年之间，管道壁会略有减少，所以呈轻警状态；管道在14.8～17年之间，管道壁会不断变薄，所以呈应中警状态；管道在17～22年之间，管道破裂失效概率会处于10-3～10-2，表明管道在此期间很可能出现一次破裂失效，所以呈重警状态；管道在22年以上时，失效概率会大于10-2，表明管道在此期间至少出现一次破裂失效情况，所以呈巨警状态，应当立即使用有效的管控方法，以防止腐蚀发生，避免大范围泄漏情况出现[4]。

4.4 海底油气管道腐蚀失效剩余寿命的预警方法

首先，通过概率预计管道失效剩余寿命，将重警的下限视为临界失效概率，就能得到管道腐蚀穿孔的剩余寿命是15年，管道破裂的剩余寿命是17年。另外，因为管道在15年的时候是腐蚀穿孔的转折处，在14年的时候是破裂概率的转折处，所以管道失效概率于此很可能突变，因此在该时间的时候，需要特别关注管道的运行情况，并制定检修方案，加大管道的运行时间，腐蚀可以直接影响管道的运行时间，腐蚀失效的后果是比较严重的，因此，必须要保障管道的使用寿命[5]。

5 结语

通过上述内容可知，海底油气管道经常发生腐蚀失效与破裂失效情况，必须运用有效的预警方法，成立海底油气管道腐蚀失效风险预警模型，以准确对海底油气管道腐蚀失效展开预警。因为管道的运行时间越长，管道的腐蚀程度与腐蚀失效概率会越大，所以在预计失效年份及预警级别时，应当结合管道腐蚀深度、失效概率、腐蚀失效预警等级展开，从而准确判断失效的主要年份与预警等级，给管道失效风险防范带来帮助，同时还能得到管道的失效概率突变时期，在此期间必须高度重视管道的运行情况，运用管控方法，避免泄漏情况出现。未来，风险预警评估会有更大的发展空间，可以应用在更多的领域。希望文章内容能对相关单位和企业有所帮助。