王長(zhǎng)學(xué)，王鴻軒，高凌霄

非粘結(jié)撓性復(fù)合軟管常見(jiàn)失效模式與失效原因分析

王長(zhǎng)學(xué)，王鴻軒，高凌霄

（中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 30045）

根據(jù)非粘結(jié)撓性復(fù)合軟管常見(jiàn)失效模式，結(jié)合軟管各結(jié)構(gòu)層成型方式、材質(zhì)、功能以及所處環(huán)境進(jìn)行分析，闡明非粘結(jié)撓性復(fù)合軟管失效誘因以及失效的后果，有助于提高生產(chǎn)企業(yè)及使用單位的安全使用意識(shí)，有助于復(fù)合軟管監(jiān)檢測(cè)的研究創(chuàng)新，有助于軟管行業(yè)的快速健康發(fā)展。

非粘結(jié)；軟管；失效

非粘結(jié)撓性復(fù)合軟管作為一種新型管材，由于具備耐腐蝕、彎曲剛度低、地形適應(yīng)性好、單根管段長(zhǎng)鋪設(shè)便捷、綜合成本低等優(yōu)勢(shì)，目前中海油渤海、南海海域已經(jīng)大量應(yīng)用，現(xiàn)已服役軟管長(zhǎng)度 超200 km。

典型軟管結(jié)構(gòu)由骨架層、內(nèi)壓密封層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層、外包覆層構(gòu)成[1]。由于各個(gè)結(jié)構(gòu)層既相互獨(dú)立，又相互配合，使得各個(gè)結(jié)構(gòu)層功能得以發(fā)揮，從而實(shí)現(xiàn)管體結(jié)構(gòu)功能；各結(jié)構(gòu)層材質(zhì)存在差異，且所處環(huán)境不同，導(dǎo)致復(fù)合軟管具備多種失效模式。本文目的在于針對(duì)軟管典型失效模式，分析軟管失效的誘因及失效原因，有助于提高生產(chǎn)企業(yè)及使用單位的安全使用意識(shí)，有助于復(fù)合軟管監(jiān)檢測(cè)的研究創(chuàng)新，有助于復(fù)合軟管行業(yè)的快速健康發(fā)展。

1 軟管常見(jiàn)失效模式

1.1 軟管結(jié)構(gòu)

非粘結(jié)撓性復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 非粘結(jié)撓性復(fù)合軟管

1.2 軟管失效類(lèi)型

1.2.1 骨架層失效模式[2]

骨架層材質(zhì)為不銹鋼，由鋼帶互鎖纏繞而成，其主要功能為支撐內(nèi)管，防止內(nèi)壓密封層承受外壓時(shí)產(chǎn)生壓潰。常見(jiàn)失效模式為骨架層腐蝕、解鎖變形、壓潰等，如圖2、圖3所示。

圖2 骨架層腐蝕

圖3 解鎖變形

1.2.2 內(nèi)壓密封層失效模式[2]

內(nèi)壓密封層的主要作用是對(duì)輸送的流體起到密封的作用，該層是由聚合物擠塑而成，其主要失效模式為老化、蠕變與起泡失效，如圖4至圖6所示。

圖4 老化

圖5 蠕變

圖6 起泡

1.2.3 抗壓鎧裝層失效模式

抗壓鎧裝層主要作用為抵抗來(lái)自于內(nèi)壓和外部壓潰載荷的徑向力。該層是由Z字型金屬帶互鎖纏繞而成，該金屬帶的材質(zhì)為碳鋼。其常見(jiàn)失效模式為腐蝕與解鎖變形失效，如圖7、圖8所示。

圖7 腐蝕失效應(yīng)力開(kāi)裂

圖8 解鎖變形

1.2.4 抗拉鎧裝層失效模式[2]

抗拉鎧裝層扁鋼為軟管提供軸向強(qiáng)度，軸向力可由內(nèi)壓、重量、外部的動(dòng)態(tài)載荷和安裝期間的拉伸力產(chǎn)生。該層的扁鋼由碳鋼制造，常見(jiàn)失效模式為腐蝕失效、疲勞斷裂、鳥(niǎo)籠，如圖9至圖11所示。

圖9 腐蝕失效

圖10 疲勞斷裂

圖11 鳥(niǎo)籠

1.2.5 外包覆層失效模式[2]

外包覆層的主要功能是阻止外部海水進(jìn)入金屬鎧裝層，保護(hù)金屬鎧裝層防止海水對(duì)其造成腐蝕，同時(shí)也抵抗外部機(jī)械載荷對(duì)軟管的損傷。其常見(jiàn)失效模式為第三方造成外包覆層破損、外包覆層磨損、排氣系統(tǒng)異常導(dǎo)致外管破裂，如圖12至圖15所示。

圖12 老化開(kāi)裂

圖13 第三方造成外包覆層破損

圖14 外包覆層磨損

圖15 排氣系統(tǒng)異常導(dǎo)致外管破裂

2 軟管失效原因分析

2.1 骨架層失效原因

2.1.1 腐蝕缺陷

骨架層直接與內(nèi)部輸送介質(zhì)接觸，輸送介質(zhì)中CO2、H2S等氣體均會(huì)造成骨架層不銹鋼材料腐蝕，其腐蝕主要體現(xiàn)為均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕、沖刷腐蝕和SSC/HIC應(yīng)力腐蝕。腐蝕的發(fā)生導(dǎo)致骨架層整體或者局部減薄，從而管體抗徑向外壓潰能力降低，管體易發(fā)生壓潰或橢圓；同時(shí)骨架層抗軸向拉伸能力降低，骨架層互鎖結(jié)構(gòu)易發(fā)生變形或解鎖。

管體服役期間應(yīng)關(guān)注內(nèi)部輸送介質(zhì)變化、輸送工況變化等，關(guān)注骨架層材料腐蝕狀況，確保骨架層材料腐蝕在可接受范圍內(nèi)。

2.1.2 解鎖變形失效

骨架層互鎖結(jié)構(gòu)具有彎曲撓性，但當(dāng)彎曲半徑小于最小彎曲半徑、管線(xiàn)受到過(guò)大的外部拉力或是受到過(guò)大的外部壓力，骨架層互鎖結(jié)構(gòu)受到過(guò)度擠壓，則容易發(fā)生變形或是解鎖，甚至是壓潰。

管體服役期間，由于海流沖刷導(dǎo)致管體埋設(shè)狀態(tài)發(fā)生變化，造成管體局部隆起以及懸跨，應(yīng)關(guān)注管體在位狀態(tài)的彎曲半徑，避免出現(xiàn)過(guò)度彎曲現(xiàn)象，隆起及懸跨部位即時(shí)進(jìn)行填埋壓塊處理。

2.2 內(nèi)壓密封層失效原因

2.2.1 材料老化失效

內(nèi)襯層和外包覆層是由高分子聚合物材料連續(xù)擠出制成，其作用為密封管道內(nèi)的輸送流體，其直接與內(nèi)部輸送介質(zhì)接觸。非金屬材料在服役期間隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，材料性能衰退。材料性能衰退與輸送介質(zhì)、溫度、pH、壓力等直接相關(guān)。通常生產(chǎn)廠(chǎng)家會(huì)針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行老化壽命計(jì)算，但是當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工況發(fā)生變化如溫度升高、介質(zhì)組分變化、化學(xué)藥劑加入等均會(huì)影響材料老化速度。材料老化后力學(xué)性能衰退、韌性降低、裂紋敏感性降低，當(dāng)其性能下降至低于應(yīng)用工況要求時(shí)，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)壓密封層裂紋、斷裂、起泡等，從而引起失效。

服役期間應(yīng)嚴(yán)格控制服役工況如溫度、壓力、介質(zhì)組份、化學(xué)藥劑等，當(dāng)運(yùn)行工況發(fā)生重大變化時(shí)，宜進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)，確保材料老化壽命滿(mǎn)足服役要求。

2.2.2 蠕變引起密封失效

內(nèi)壓密封層密封管道內(nèi)輸送介質(zhì)，其端部通過(guò)密封圈與內(nèi)壓密封層之間擠壓形成密封。當(dāng)內(nèi)壓密封層材料隨服役年限增長(zhǎng)，內(nèi)壓密封層材料會(huì)發(fā)生蠕變，即內(nèi)壓密封層材料發(fā)生變形導(dǎo)致密封圈與其之間擠壓力降低，從而引起密封面長(zhǎng)度減少、密封壓力降低，進(jìn)而引起密封失效，從而導(dǎo)致內(nèi)壓密封層的密封與固定失效，管體發(fā)生泄漏。

2.2.3 材料起泡失效

若管體內(nèi)輸送介質(zhì)含氣體，如小分子氣體如甲烷、乙烷、CO2、H2S、水蒸氣等，小分子氣體會(huì)在內(nèi)壓驅(qū)動(dòng)下滲透穿過(guò)內(nèi)壓密封層進(jìn)入環(huán)形空間。管體停輸泄壓速度過(guò)快，則滲透至內(nèi)壓密封層內(nèi)的氣體快速釋?zhuān)饍?nèi)壓密封層材料起泡，導(dǎo)致材料力學(xué)性能降低引起失效。

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制降壓速率，建議采取逐級(jí)降壓并穩(wěn)壓的方式。

2.3 抗壓鎧裝層失效

2.3.1 腐蝕缺陷失效

抗壓鎧裝層介于內(nèi)壓密封層與外包覆層之間，其不直接與內(nèi)部輸送介質(zhì)接觸，也不與外部海水介質(zhì)接觸，其處于管體環(huán)形空間內(nèi)。如2.2.3節(jié)中所述，小分子氣體中CO2、H2O以及H2S滲透至環(huán)形空間內(nèi)，從而對(duì)抗壓鎧裝層碳鋼材料造成腐蝕甚至引起硫化物應(yīng)力開(kāi)裂?？箟烘z裝層為“Z”字形互鎖結(jié)構(gòu)，腐蝕發(fā)生引起金屬層減薄，造成抗內(nèi)壓能力降低；同時(shí)腐蝕會(huì)引起互鎖結(jié)凸臺(tái)減薄，進(jìn)而引起抗壓鎧裝層結(jié)構(gòu)解鎖。

管體服役期間，應(yīng)關(guān)注環(huán)形空間內(nèi)氣體組分及分壓，預(yù)測(cè)碳鋼材料腐蝕狀況。

2.3.2 解鎖變形失效

抗壓鎧裝層解鎖變形失效與骨架層解鎖變形失效機(jī)理一致，詳見(jiàn)2.1.2節(jié)。

2.4 抗拉鎧裝層失效

2.4.1 腐蝕失效

抗拉鎧裝層腐蝕失效與抗壓鎧裝層腐蝕失效機(jī)理一致，詳見(jiàn)2.3.1節(jié)。

2.4.2 疲勞斷裂

抗拉鎧裝層主要功能在于承受管體軸向拉伸荷載。針對(duì)于動(dòng)態(tài)立管，波浪和水流作用到柔性立管和浮力塊上引起的動(dòng)態(tài)載荷的不確定性，導(dǎo)致管道處于長(zhǎng)期低頻拉伸負(fù)載下。立管接頭尾部位置扭矩不能釋放，扁鋼易于發(fā)生疲勞斷裂。

宜重點(diǎn)關(guān)注柔性立管接頭尾部立管位置，扁鋼發(fā)生斷裂，則管體外徑發(fā)生變化，且管體抗拉層失穩(wěn)，管體發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

2.4.3 崎嶇/鳥(niǎo)籠

當(dāng)軟管受到軸向壓縮時(shí)，抗拉鎧裝層金屬線(xiàn)材向徑向移動(dòng)，并產(chǎn)生高彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致軟管各層間產(chǎn)生間隙，過(guò)大的壓縮載荷會(huì)造成軟管徑向崎嶇，導(dǎo)致各金屬線(xiàn)材排列失序，造成抗拉鎧裝層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)膨脹散開(kāi)，并導(dǎo)致外包覆層破損。

2.5 外包覆層失效

2.4.1 材料老化失效

外包覆層老化失效機(jī)理與內(nèi)壓密封層老化機(jī)理基本一致，詳見(jiàn)2.2.1節(jié)，但其不與內(nèi)部介質(zhì)接觸，而是直接與海水接觸，同時(shí)陽(yáng)光照射會(huì)造成材料紫外老化。

2.4.2 外包覆層破損

軟管外包覆層破損是軟管主要失效模式，造成軟管外包覆層破損的誘因包括：第三方造成損傷、隆起與懸空管體根部磨損、由于過(guò)度彎曲引起的張力導(dǎo)致外包覆層破裂。

軟管外包覆層破損并不會(huì)直接導(dǎo)致管體結(jié)構(gòu)功能失效，但其會(huì)導(dǎo)致海水進(jìn)入軟管環(huán)形空間，造成環(huán)形空間內(nèi)抗壓、抗拉層碳鋼鋼帶的腐蝕，導(dǎo)致管體抗壓、抗拉能力降低，進(jìn)而導(dǎo)致管體發(fā)生失效。

2.4.3 外包覆層爆破

管體環(huán)形空間由于由氣體滲入，導(dǎo)致環(huán)形空間內(nèi)存在氣體壓力。通常軟管接頭端部會(huì)安裝排氣閥門(mén)，當(dāng)環(huán)形空間內(nèi)壓力與外界壓力壓差達(dá)到排氣閥打開(kāi)壓力時(shí)，排氣閥自動(dòng)打開(kāi)并排氣。

排氣閥位于管體接頭端部，由于外部異物或是海生物導(dǎo)致排氣閥不能正常打開(kāi)，會(huì)導(dǎo)致軟管環(huán)形空間氣體壓力升高，導(dǎo)致軟管外包覆層破裂。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)非粘結(jié)撓性軟管的失效模式及失效原因的分析可知，軟管各結(jié)構(gòu)層功能、成型方式、材質(zhì)以及所處環(huán)境條件存在差異，各結(jié)構(gòu)層存在多種失效模式。目前軟管監(jiān)檢測(cè)通常采用鋼管的監(jiān)檢測(cè)技術(shù)手段進(jìn)行，但軟管各結(jié)構(gòu)層失效模式與鋼管失效模式存在較大差異，亟須研發(fā)針對(duì)于軟管失效模式的監(jiān)檢測(cè)技術(shù)手段。針對(duì)于軟管的失效模式，開(kāi)展針對(duì)性監(jiān)檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，有助于減少軟管運(yùn)行服役風(fēng)險(xiǎn)，提高軟管運(yùn)行安全性。

［1］API SPEC 17J,Specification for Unbonded Flexible Pipe[S]. American Petroleum Institute,2009.

［2］DRUMOND G P , PASQUALINO I P , PINHEIRO B C , et al. Pipelines, risers and umbilicals failures: a literature review[J]., 2018, 148(JAN.15):412-425.

［3］API RP 17B,Recommended Practice for Flexible Pipe[S].American Petroleum Institute, 2008.

［4］UKOOA.Guidance note on monitoring methods and integrity assurance for un-bonded flexible pipe[M].Doc No. 2-1-4-221/GN01, 2002

［5］BRACK M , MENDES S , SOUZA L A L E , et al. An integrity management strategy based on flexible risers conceived to be self-monitored[C].26th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2007.

［6］BAI Y,BAI Q,RUAN W. Advances in Pipes and Pipelines: Flexible Pipes[M]. 1st ed. Hoboken: Wiley,2017.

［7］LEIRA B,BERGE S,FERGESTAD D,et al.Life time extension of flexible risers:a generic case study[C]. Offshore Technology Conference,2015．

Analysis of Common Failure Modes and Failure Causes of Unbonded Flexible Pipe

,,

（CNOOC (Tianjin) Pipeline Engineering Technology Co., Ltd., Tianjin 300452, China）

According to the common failure modes of non-bonded flexible pipe, combined with the analysis of the forming method, material, function and environment of each structural layer of the pipe, the failure causes and consequences of non-bonded flexible composite pipe were clarified, which is helpful to improve the safety awareness of production enterprises and users, research and innovate composite pipe monitoring and testing methods.

Unbonding; Flexible pipe; Failure

2021-09-18

王長(zhǎng)學(xué)（1988-），男，天津市人，工程師， 2011年畢業(yè)于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)，研究方向：管道腐蝕與防護(hù)。

P756.2

A

1004-0935（2022）06-0837-05