海洋柔性管道发展研究

孟嘉岩

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300459）

0 引言

随着海洋油气田开发的深入，海洋管道作为海洋油气资源最主要的运输媒介，对其的研究工作也越来越受到关注。海洋管道主要分为两类，分别是钢管和复合材料柔性管。相比钢管，柔性管自20 世纪70 年代早期开始在北海投入使用以来，以其良好的特性和使用优势逐渐在海洋油气资源开发中占据显著地位，已经成为近海石油天然气领域商业发展的关键设备。

柔性管按照不同的制造工艺可以分为粘结型和非粘结型两种，其中非粘结型柔性管各层结构之间相互独立，可以滑动，虽然加大了制造难度，但也使得其具有更强的竞争力。目前在柔性管技术的研究和工业应用上，非粘结型柔性管道占比非常大。

目前，柔性管供应商、工程公司和终端使用者等通过密切的合作，已经建立了基于柔性管生命周期的工业流程，对管道的设计、制造、运输、铺设、操作以及完整性管理等方面，给出了一系列具体的要求和规范。但需要注意的是，现阶段柔性管道的相关技术和操作规范具有很强的垄断性和独立性，还没有可以遵守的国际规范。目前应用最广泛的标准是美国石油协会的API 17J、18J 等[1]。世界上最大的三家柔性管道制造商分别是法国的德西尼布公司、英国的油田服务公司和丹麦的NKT Flexibles 公司，其各自有自己的设计研发团队来负责管道截面设计、质量检测、工艺设备开发等工作，为其工程团队提供柔性管生产服务[2]。

1 非粘结型柔性管道结构特性

非粘结型柔性管到是沟通海下油气田和浮式生产平台的关键设备，在许多领域都有应用，例如石油和天然气的生产立管；注水、注气管道；气体举升通道；石油和天然气外输管道；钻井设备；海底静态管路等。在不同应用条件下，对于柔性管管径、强度、柔性、耐温性等特性的要求有所不同。

非粘结型柔性管道的性质与其管壁结构密切相关（图1）。非粘结型柔性管是一种复合结构，构成它的材料很多，包括聚合物材料、金属材料、人造纤维和泡沫材料等，不同的材料在强度、延展性、塑性、热膨胀性等方面具有不同的特点。柔性管的每一层都具有特定的功能，并与其他层相互作用，而不同的应用条件也就形成了柔性管不同层结构的组合[3-4]。

图1 典型非粘结型柔性管截面

1.1 骨架

骨架层是柔性管最内层的结构，也是唯一直接接触流体的金属结构，所以用作骨架的金属材料必须与输送流体的化学组成相适应。筛选材料的主要因素包括在操作环境下的耐腐蚀性、机械强度和价格。骨架层的作用是提供足够的强度，来抵抗管道外部的静水压力，抵抗管道安装和操作时的冲击载荷，以及为内衬层提供机械保护。骨架层是由折叠成S 形的金属条螺旋相扣构成的，每个S 形结构彼此互锁形成管状，圆柱形结构提供径向的强度和刚度，截面间的相互滑移提供弯曲柔性（图2）。这样的制造模式也决定了骨架层是一个开放式结构，流体能够以很小的速率穿过骨架层。

图2 典型骨架层结构

1.2 内衬层

骨架层外的内衬层是密封层，由热塑性材料挤压而成。在一些应用中常采用在密封层内外增设牺牲层的多层结构，牺牲层的作用是防止相邻金属层结构对密封层构成损伤。由于骨架层的开放性结构，内衬层是暴露于输送流体中的，在选择内衬层材料时要考虑输送流体的温度和化学特性。目前最常用的内衬层材料有3 种，分别是高密度聚乙烯（HDPE）和交联聚乙烯（XLPE）、聚酰胺纤维（PA11 或PA12）以及聚偏氟乙烯（PVDF）。通常不同的内衬层材料都有各自的商品名称，而且大部分采用了受保护的专利技术。

1.3 管道环

内衬层和外护套层之间的环状部分是管道环，管道环是开放型结构，没有压力屏障。当管道中输送高压流体时，流体将会渗透内衬层进入管道环，造成内压力积聚，严重时会导致外护套层爆裂。为了防止管道环内压力过大，通常超压1～2 bar（1 bar=0.1 MPa）时会在管道环的末端开通风孔。在管道建造阶段，管道环内的空间充满了空气。而在管道运行期间，由于外护套层损伤、海水进入管道环、泄漏等原因，管道环内的物质化学组成会发生变化，从而产生腐蚀隐患、影响其剩余服役寿命。

1.4 压力铠装层

压力铠装层的主要功能是支持内衬层和抵抗内压引起的环向应力，同时压力铠装层也是能够抵抗冲击载荷和偶然载荷的强度构件。压力铠装层是由高强度的轧制碳钢构成的互锁结构，目前常用的截面结构如图3 所示，这些截面结构大多数情况下是受保护的专利技术。

图3 压力铠装层互锁截面

1.5 中间护套层

没有骨架层的光滑内径管很容易受到水侵入管道环带来的外部压力的伤害，所以当外部压力超过管道内衬层的溃败压力时，需要在压力铠装层外增加中间护套层。中间护套层通常使用和内衬层一样的材料。

1.6 抗拉铠装层

抗拉铠装层是由两层或四层铠装金属条以30°～35°的捻角度构成，主要功能是抵抗由内压和外部载荷引起的轴向应力以及提供管道的扭转强度。当管道承受轴向载荷时，抗拉铠装层会“自伤”来避免管道发生扭转，而对于造成铠装层开卷（鸟笼结构）的某方向上的扭转载荷来说，该层的扭转强度和刚度就很弱。该层金属的截面形状是矩形或接近矩形，由碳钢或低合金钢冷轧制成。通常铠装层金属并没有标准化的材料等级，材料等级大多情况下是由管道供应商拥有专利。根据美国腐蚀工程师协会的文件，抗拉铠装层金属按极限抗拉强度可分为酸金属（极限抗拉强度低于900 MPa）和甜金属（极限抗拉强度1200～1500 MPa），针对柔性管不同的设计需求，抗拉铠装层金属的强度需要进行优化。

1.7 复合铠装层

水深超过2000 m 的深水作业中，传统柔性管的重量不仅给管道敷设设备和敷设船造成了很大负担，也给浮式生产平台带来很大风险。因此可以用纤维加固的聚合物制成的复合铠装层来代替金属抗拉铠装层，能显著降低管道的重量。现在碳纤维复合铠装层已经成功应用于柔性立管，基于这项技术的极限水深柔性立管也正在开发中。

1.8 防磨层

受到周期性弯曲的柔性立管，它的抗拉铠装层金属和相邻钢性层之间会产生显著的接触面应力，从而造成周期性滑移。如果两层钢性铠装层直接接触，就可能发生磨损或磨蚀失效。因此在钢性铠装层之间要设置防磨带。防磨带通常使用1 mm 左右的Rilsan（耐纶11 型酰胺纤维）材料，它不具有防裂漏功能，管道环中的液体可以通过。该层承受巨大的接触面应力，并会产生很大的滑移幅度，例如设计使用寿命为20 年的柔性管，累计滑移量达50 km。在服役过程中，如果防磨层失效，会造成管道使用寿命急剧缩短。

1.9 防屈曲层

柔性管在建造和停车期间易受到扭转载荷和轴向压缩载荷的作用，这些载荷可能会导致抗拉铠装层产生径向屈曲或鸟笼现象，以及抗拉铠装层金属条带的侧向屈曲。因此在抗拉铠装层外需设置防屈曲层，它一般是由芳族聚酰胺（一种轻质高强度合成纤维）或玻璃纤维制成的加强带构成。

1.10 隔热层

当柔性管需要进行隔热处理时，在抗拉铠装层和外护套层之间需要设置隔热层，隔热层材料通常是泡沫材料或固体隔热材料。

1.11 外护套层

外护套层一般位于柔性管基础结构的最外层，通常会受到有冲击载荷、侵蚀、撕裂载荷以及内外压力载荷等，外护套层大多由HDPE（高密度乙烯）或Rilsan 材料制成，其作用是密封阻止海水入侵，防止钢性铠装层腐蚀，并对钢性铠装层提供机械防护。据统计，约40%的柔性立管失效是由外护套层损伤导致的。

1.12 弯曲加强件

柔性管末端是一个端部构件，柔性管的所有层都在一个非常复杂的结构中被锚固，管道所受的弯曲载荷在此处会产生非常大的应力集中，从而对管道的刚度和强度构成威胁。因此在管道和端部设备之间需要设置一个用于刚度过渡的弯曲加强件。弯曲加强件结构由聚亚安酯制成，尺寸一般较大、长约数米，端部直径大于1.5 m，重量超过1.5 t。需要注意的是，弯曲加强件的设计寿命要与柔性管的设计运行寿命相同。

1.13 光滑内径柔性管路

有骨架层的柔性管称为粗糙内径管，没有骨架层的柔性管称为光滑内径管。当输送流体不含气体成分或其他适宜条件下，可以使用流动损失小、运行成本低的不含骨架层的光滑内径柔性管。光滑内径管管路的缺陷是，当外护套层出现损伤时外部静水压力会直接作用于内衬层，因此抗外部静水压力能力有限。基于此，光滑内径管需要在抗拉铠装层和压力铠装层间设置防溃败层，利用压力铠装层的强度来抵抗溃败载荷。

2 非粘结型柔性管失效模式

柔性管的多层结构存在多种失效模式，粘结型管道和非粘结性管道的失效模型大致相同。这些失效模式在柔性管生命周期的每个阶段都有可能发生，尤其是在运输、安装和操作阶段，事故发生的情况相对集中[5-7]。据统计，58%的失效是由外护套层损伤导致的，19%的失效是由水淹管道环面事故导致的。下面从柔性管生命周期的不同阶段分别进行讨论。

2.1 设计和制造阶段

在柔性管的设计和制造阶段，由于水下动力作用，管件铠装层会疲劳失效，导致其无法承受很大的压力并发生泄漏。针对该类型的失效，可以引入增塑PVDF 材料（这是一种抗压、耐高温的塑性材料），同时还应注意减小端部接口的荷载。

2.2 运输阶段

失效模式也会出现在与包装、保存和装船固定相关的运输过程中。在该过程中可能出现腐蚀、侵蚀失效。其失效机理是，内骨架暴露于海水及扩散性物质中，从而导致抗拉、抗压铠装层的腐蚀。因此，不仅应重点关注柔性管材料的选取，还应设计阴极保护系统、增加骨架层厚度和减少沙粒含量。另外，柔性管的外护套层很容易受到掉落的货物和起吊货物碰撞的伤害。如果外部破损点位于不利位置，并且没有在安装前进行维修，损坏的外护套层可直接导致管道失效。

2.3 安装和回收阶段

在安装或回收期间，最常见的故障是对管子外护套层的厚度损伤。如果外护套层损伤处于飞溅区，阴极保护不起作用或作用有限，且容易接触氧气，那么腐蚀损坏就会迅速产生，管道完整性将受到破坏。另一个故障模式是横向屈曲，其失效机理是在高静水压力（深水）环境下，管道过度弯曲或受压力载荷过大，导致抗拉铠装层因过度张紧或屈曲而失效。

2.4 操作阶段

在操作过程中可能出现的失效模式较为复杂。

（1）疲劳失效。对于柔性立管所使用的所有材料，在横截面处都可能会出现机械疲劳。骨架是将冷轧薄钢带制成一个环环相扣的柔性结构，制造精度低或负载过大都可能改变骨架的性能，从而造成骨架层的疲劳失效。

（2）腐蚀。如果外部护套层损坏，管道中的铠装层金属将暴露于海水中。如果没有有效的牺牲电极保护，管线将被腐蚀。另外，对于柔性管道中的外护套层损坏，即使管道两端均连接到阳极，也会存在氧化腐蚀。

（3）溃败。柔性管有两种不同的崩溃情况，一是在光滑内径管道中内部压力衬管的崩溃，二是在粗糙内径管道中骨架和压力衬管的崩溃。为预防此类型失效发生可采取以下措施：增加骨架层金属层数、增加压力铠装层或内部压力护套层厚度（光滑内径管）、修改结构设计或安装设计以减少载荷、加装防泄漏的中间夹层以及增加骨架层或压力铠装层的面积惯性矩。

（4）屈曲失效。在一定的限度内，柔性管可能在压缩荷载作用下发生屈曲。极端情况下，屈曲荷载可能导致管道过度弯曲和无序化（鸟笼）。柔性管道的屈曲模型大致分为三类，包括：应力过大导致的侧向屈曲、由于弹性不稳造成的侧向屈曲和径向屈曲。这三类失效的潜在机理都是由于外护套层的受损或破裂导致的应力集中，或管线受到轴向压应力和弯曲应力过大导致过压失效。

3 柔性管道完整性管理

柔性管道的更换成本很高，失效事故更是会带来灾难性的后果。为保证柔性管道运行的安全性和经济性，需要建立柔性管道完整性管理计划IMP。管道完整性管理计划在设计阶段建立，需要放眼整个生命周期，考虑到运行中的监测、检测和测试活动，同时在实施中要时刻注意对运行效果的评估，以对完整性管理计划进行反馈和更新[8]。完整性管理计划的关键步骤如图4 所示。

图4 柔性立管完整性管理的关键步骤

目前的实践情况表明，完整性管理计划的实施，有助于柔性管道系统的性能改进，有助于降低故障发生概率，同时也有助于降低各种操作风险。柔性管道完整性管理计划的内容主要分为3 个部分——检测、测试和监控，另外反馈也是该计划的重要内容之一。一般来说，一个综合性的完整性管理系统应该能够较早地识别出管道系统的各种问题，并有机会提早采取措施、防止事故发生。

3.1 检测

柔性管道最常见的检测手段是ROV（水下机器人）视觉检测。对ROV 进行进一步改进和优化可以使其应用于某一特定的组件和区域。目前应用于近海柔性管的检测手段有：

（1）ROV 近距离视觉检测。

（2）甲板层人工近距离视觉检测。

（3）水上攀援近距视觉检测。

（4）内部远程摄像机检测。

3.2 测试

由于大量的冲水事故造成了管道环测试频次的增加，目前通常的做法是在安装后不久进行一轮测试，以提供参考值。在这轮测试中将发现主要通过厚度损伤外护套层和排气口及阀门的问题。之后需要进行定期轮回大量测试来判断系统状态，并对长期运行趋势进行追踪。目前柔性管海上作业采用的测试手段有：

（1）安装、改进、维修后进行管道压力测试。

（2）为识别完整的外护套层和鉴别液态成分进行环空或压力测试。

（3）为识别环形空间和可能的腐蚀过程进行环腔气体抽样和分析。

（4）浸没在油品和射流中的聚合物试件寿命检测。

（5）为分析CO2、H2S 含量进行管内流体成分测试。

3.3 监控

监测压力、温度和流量情况是油气井过程和控制系统的一部分，同样的设备也应用于在柔性立管完整性管理的情况下监控。近海柔性管道系统使用的监控手段有：

（1）管径压力监控，监测海底和顶部传感器的压降和压力变化率/周期。

（2）管径温度监控，监测温度变化率/周期。

（3）通风环流动压力和流量监测。

（4）环境载荷监控和/或浮台运动及偏移监控。

（5）管径流量变化率，特别是与压降有关的变化率监控。

4 结束语

近年来，大多数的柔性管供应商已经制定了自己的具体规范，国际标准文件也在制定之中。对已有标准的修正和扩大范围的交流，是把行业经验传递给所有柔性管道事业参与者的最好的方法。但是这些文件的更新和修改是费时较长，专利保护给技术交流带来的困难和阻力也很大。目前我国的柔性管道事业正在积极开展，尽管已经取得了一些研究成果，但相较世界先进技术水平来讲还有很长的路要走。为此，应该抓住海洋油气资源开发力度不断加强的契机，提高柔性管的研究和应用水平，逐步掌握海洋柔性管设计制造的核心技术，为我国海洋油气开发提供保障。