海底管道完整性管理技术

张秀林，谢丽婉，陈国明

（1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江524057；2.中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心，山东东营257061） ①

海底管道完整性管理技术

张秀林1，谢丽婉2，陈国明2

（1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江524057；2.中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心，山东东营257061）①

海底管道是海上油气田的生命线，其运行状况直接关系到海上油气输送的安全。论述了完整性管理技术与海底管道安全的逻辑关系；建立了海底管道完整性管理的体系框架；阐述了海底管道完整性管理的6个环节和5个层次内容；提出国内海底管道完整性管理的研究重点。明确了开展海底管道完整性管理工作的实施路径，为我国海底管道完整性管理提供参考。

海底管道；完整性管理；体系；完整性评价

随着我国海洋油气资源开发力度不断加大，越来越多的海底管道投入使用［1］。海底管道长期暴露于恶劣的海洋环境中，承受着复杂的工作载荷、环境载荷及意外风险载荷（锚泊、拖网、碰撞等），故海底管道的泄漏及结构损坏等事故屡见不鲜［2－3］。海底管道承担着输送石油、天然气以及其他介质等重要任务，一旦发生失效，不仅维修与更换极其困难，而且影响正常生产运输，污染海洋环境，给国家经济和国民生活造成巨大的损失［4］。因此，开展海底管道完整性管理，建立一套海底管道完整性评估与管理体系，保障海底管道的安全运行已成为当务之急。

国外几十年的管道完整性管理积累了丰富的经验，制定了较完整的管道完整性管理体系［5－6］。我国在海底管道完整性管理方面尚处于起步阶段，管理经验匮乏。截至目前，尚无对海底管道完整性管理技术进行系统性总结和分析的文献［7］。本文全面分析了完整性管理技术与海底管道安全的相互关系，构建了海底管道完整性管理基本流程，论述了海底管道完整性管理的6个环节和5个层次内容，并对国内开展海底管道完整性管理提出建议。

1 完整性管理技术与海底管道安全的相互关系

海底管道完整性（SPI）是指海底管道在设计参数和条件下具备可靠运行并能抵抗外力影响的能力，主要表现为：

1） 海底管道在全寿命周期内结构完整、功能健全。

2） 海底管道处于受控但平稳运行的状态。

3） 管道运营商不断改进措施，防止管道事故发生。

海底管道完整性管理（SPIM）是为保证海底管道完整性所开展的一系列管理活动，主要是针对不断变化的海底管道因素进行识别与评价，改善海底管道的不利因素，采取改进措施将风险控制在可接受的范围之内，达到降低海底管道事故发生率的目的，确保海底管道平稳运行［8］。

作为一种全新管理理念的海底管道完整性管理，追求“预防为主、防范未然”的理念，是一种无事故哲学［9］。完整性管理技术和海底管道安全的相互关系如图1所示。

图1 完整性技术和海底管道安全的相互关系

由图1可以看出：通过收集管道历史资料、现场资料、内外检测数据、运营管理及维修等数据，在此基础上对数据进行整合，开展管道高后果区分析与完整性评价等研究，可找出高风险重点区域，进行风险控制决策，并针对管道缺陷类型进行修复，降低事故概率，防止腐蚀泄露事故发生。

2 海底管道完整性管理环节

由于各国对完整性技术与海底管道安全关系的理解不同，因此开展管道完整性管理的模式与内容也不尽相同。借鉴国内外管道完整性管理体系［10］，构建海底管道完整性管理的一般流程如图2所示。海底管道完整性管理包括确定失效类型并采集数据、高后果区分析、海底管道检测、海底管道完整性评价、维修与维护、效能评价6个环节，并形成闭环系统，每个环节都需要体系文件、标准规范、系统平台、支持技术与实施应用5个层次的支持与应用。

图2 海底管道完整性管理流程

1） 确定失效类型与数据采集是开展海底管道完整性管理的基础。数据采集之前首先要明确海底管道失效原因，进而确定需要采集哪些数据，然后再通过填报平台填报数据。据欧洲管道事故数据组织对海底管道失效原因和频率统计，第三方破坏、腐蚀、自然灾害是海底管道失效的主要原因［11－12］。英国健康与安全协会（HSE）对英国北海的海底管道失效事故统计表明，第三方破坏（渔业活动、拖网、抛锚等）、腐蚀和波流冲刷（管跨、变形等）是海底管道失效的主要原因。海底管道完整性管理需要大量的数据，包括海洋环境载荷数据、管道施工数据、检测及监测数据、运行维护数据、返修数据等。随着海底管道运行时间的推移，系统数据采集要不断更新与维护。

2） 高后果区分析是整理分析所采集的海底管道相关数据，划分管段，优选评价方法，评价管段风险并对风险等级进行排序。根据可接受风险准则找出管道的高风险管段，识别高后果区所存在的威胁。管道管理者根据管段的特点制定有针对性的管理措施，并优先对高风险管段开展完整性管理。

3） 海底管道检测是完整性管理的重要环节，通过对各条海底管道进行有计划的缺陷、防腐性能及其他性能的检测，建立相应的数据库和预测模型，为完整性评价奠定基础。

4） 完整性评价是建立在海底管道检测的基础上，研究缺陷的动力学发展规律和材料性能退化规律，通过严格的理论计算、模型试验和力学计算，确定管道的最大允许工作压力、剩余强度、剩余寿命等，为海底管道的运行和维护提供科学依据。

5） 维修与维护是根据高后果区分析、安全检测、完整性评价综合制定维修方案，采取相应措施。相应措施主要分2种情况进行：①针对完整性评价获得的严重程度高的缺陷制定立即修复计划，依据现行标准和惯例实施修复响应；②根据完整性评价结果，针对可能存在的危害制定并执行风险预防和减缓措施，阻止或降低海底管道的恶化趋势。

6） 效能评价主要是对海底管道完整性管理执行效果进行评估，主要包括：评估完整性评价方法的有效性、评估管理系统（程序）的有效性、评价管道修复方法及预防降低管道风险措施的有效性等。通过效能评价，不断改进完整性管理程序，从而保障海底管道安全平稳运行。

3 海底管道完整性管理层次内容

3.1 体系文件

体系文件是开展海底管道完整性管理的指导性文件，用来指导和约束完整性管理的有效实施。体系文件一般由管理手册、程序文件和作业规程3部分组成。

1） 管理手册总体阐述海底管道完整性管理系统，概述总工作目标和各种活动。

2） 程序文件描述SPIM的工作内容与职责。

3） 作业规程是指导完成某项具体工作的方法与操作规程。

海底管道完整性管理的体系文件主要包括：数据采集与整合程序及作业文件、高后果区分析程序与作业规程、完整性检测与监测程序、管道内外检测作业规程、完整性评价程序与作业规程、管道维修作业规程、效能评价程序与作业规程等。

3.2 标准规范

海底管道完整性管理标准是实施海底管道完整性管理6个环节的技术指南。除了API 1160— 2001《危险液体管道的完整性管理规范》和ASME B31.8S—2001《天然气管道完整性管理规范》2个主要标准外，其他各种与完整性管理相关的支持性标准和规范，例如腐蚀评价、强度评价、检测、监测等标准和规范，共同构成海底管道完整性管理的标准与规范［5－13］。

国外管道完整性管理实施比较成熟，相关的标准、规范以及各种管道手册形成较完善的支持体系。国内完整性管理的标准、规范尚未形成体系，主要是消化吸收国际先进经验，结合国内管道运行的实际，提出相应的管理措施和规范，逐步形成具有本国特色的管道完整性管理标准体系。目前国内建立的相关标准主要集中在输油管道与输气管道的工程设计规范、钢质管道的检测技术规范和缺陷安全评价标准等，尚未建立系统的管道完整性管理体系。

3.3 系统平台

系统平台是计算机技术在海底管道完整性管理中的应用。利用数据库技术建立海底管道完整性数据库，实现管道数据的有效管理与信息共享，保证数据的及时更新，并基于数据库开发各种海底管道分析评价软件与决策系统，构建以完整性管理为核心的海底管道安全保障体系应用平台。海底管道完整性管理系统平台如图3所示。

图3 海底管道完整性管理系统平台

海底管道完整性管理系统平台主要利用监测、检测等手段，获取与专业管理相结合的海底管道完整性相关信息，通过对多种信息进行整合、加工处理并将其存储到海底管道完整性数据库，利用开发平台对可能使海底管道失效的主要危险因素进行识别，开展适用性评估与完整性评价，最终达到持续改进、减少和预防海底管道事故发生、经济合理地保证海底管道的安全运行［14］。

3.4 支撑技术

海底管道完整性管理的各个环节涉及到很多配套的支持技术，例如检测技术、完整性评价技术、风险评价技术等，这些技术的发展水平直接影响到完整性管理的顺利实施。

3.4.1 检测技术

海底管道检测是进行完整性评价的基础和前提，检测技术水平的高低决定完整性评价的准确程度。海底管道检测技术主要包括外检测技术和内检测技术［15］。

海底管道外检测主要是对海底水流冲刷致使的局部管道悬空、涡激振动导致的管道屈曲变形、开裂破坏、地震作用下海底土壤液化致使的管道沉陷、第三方活动导致的涂层损伤与机械损伤、外保护层系统及腐蚀电位读数等进行诊断。管道外检测通常由潜水员和潜水器在水下完成，技术方法除了传统的目视检测外，也涉及水下测厚、电位测量及水下磁粉和超声检测等先进方法。按检测操作是在水面上还是在水面下进行，外检测方法又可分为水面检测和水下检测。

1） 水面检测是利用检测工具在水面上对管道进行检测，包括：采用超声波测量技术检测埋得不深的管道，确定坑道的轮廓和管道的埋土深度；检测阴极保护情况；通过水的取样检测泄漏等。

2） 水下检测需要利用载人潜水艇、遥控设备等海上运输设备辅助进行管道定位和跟踪、管道拍照、识别坑道轮廓和断面、判断管道埋土深度及高度和长度、检测阴极保护、泄漏检测和定位、管道厚度检测、保护层检测、腐蚀和外部机械损伤检测等。根据需要检测的内容和管道的深度，可以选择潜水员或潜水艇。通常，水深在0～50m之间可用潜水员；50～300m之间可以用潜水艇；有人驾驶的潜水艇可以在1 000m深的水中工作；对特别深的情况，需采用遥控设备。

海底管道内检测通常是在不影响油气正常运输的情况下，根据漏磁、超声波、涡流等探伤原理，利用检测器对管道几何变形、管壁腐蚀、裂纹状况、壁厚变化、穿孔泄漏、焊缝等进行检测。管道内检测主要利用各种内检测仪器设备来完成，内检测器按功能可分为用于检测管道几何变形的测径仪、用于检测因腐蚀产生的体积型缺陷的漏磁通检测仪、用于探测管道泄漏的泄漏检测仪、用于检测裂纹类平面型缺陷的涡流检测仪、超声波检测仪以及以弹性剪切波为基础的裂纹检测仪等。管内检测器的选择必须根据每条管道的具体情况、所检测缺陷的类型来确定。

3.4.2 完整性评价技术

海底管道完整性评价是应用统计、数学、经济等方法，利用采集到的数据，对海底管道运行的风险进行评估，从而决定海底管道能否继续使用、使用期限、是否需要修复、如何修复等。完整性评价主要是可靠性评价、安全评价和失效风险评价几项技术的有机结合，一整套海底管道完整性评价技术与方法如图4所示。

图4 海底管道完整性评价技术

3.4.3 风险管理

海底管道风险管理通常分为风险识别、风险评价、风险控制（决策）、风险信息反馈4个阶段，如图5所示。

1） 风险识别是海底管道风险管理必须采取的第1步，其主要目的是分析海底管道风险的主要影响因素，了解海底管道整体风险状况。

2） 风险评价主要任务是计算海底管道相对风险值、根据管道风险标准确定各管段的风险等级、确定失效灾害范围、参照风险可接受准则判断管段风险的可接受性、结合可靠性理论确定管道失效概率、开展失效后果分析等。涉及的风险评价方法包括：故障类型影响分析、致命度分析、专家评分法、风险矩阵法、层次分析法、模糊综合评判、概率评价法等。

3） 风险控制是风险管理的决策阶段，是开展风险管理的最终目的。根据风险评价结果，提出风险降低方案，并选出最佳方案对高风险管段实施维修与维护。

4） 风险信息反馈是将风险识别、风险评价、风险控制3个阶段的信息进行整合反馈，使海底管道风险管理形成1个循环系统。完成风险控制后，海底管道系统的风险水平已发生了变化，此时的风险水平处在符合管理者要求的范围内。如果海底管道系统的某些参数在一定时期后发生变化，则需要重新评估，确定系统的风险水平是否符合要求，风险管理进入新的循环。

图5 海底管道风险管理

3.5 实际应用

海底管道完整性管理的各个环节都需要投入实际应用，并通过反馈进行改进，完成持续提高。首先将现场数据采集的资料数字化并进行存储，不断更新完整性数据库。通过高后果区分析识别出高风险管段，制定相关应对方案；其次，利用在线检测、压力试验、直接评价等技术对海底管道进行检测，并基于检测数据开展可靠性评价、失效后果分析、风险评价、剩余强度评价与剩余寿命预测，达到风险预控；再次，根据完整性评价结果制定针对性的海底管道修复计划，通过维修与维护环节进行管道修复，避免管道泄漏发生；最后，利用效能评价不断完善、发现海底管道完整性工作的不足，积累经验，在应用中提高海底管道管理水平。

4 结论

1） 海底管道完整性管理包括确定失效类型并采集数据、高后果区分析、海底管道检测、海底管道完整性评价、维修与维护和效能评价6个环节，每个环节都需要体系文件、标准规范、系统平台、支持技术与实施应用5个层次的支持与应用。

2） 加强对国外海底管道完整性管理的跟踪与技术交流，理解并掌握国外SPIM的发展趋势，探索符合我国海底管道特点的管理模式，制定一套我国海底管道适用的完整性管理体系与法律法规。

3） 全面收集海底管道结构参数、检测数据、运行历史数据与环境特征参数等数据，加强海底管道设计、施工、运行与维护过程的数据积累，建立海底管道信息数据库，奠定海底管道完整性评价基础。

4） 将海底管道完整性管理与数据库、地理信息系统、互联网等先进信息技术相结合，构建海底管道完整性数字化管理平台，实现海底管道风险动态管理。

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Integrity Management Technique for Submarine Pipeline

ZHANG Xiu－lin1，XIE Li－wan2，CHEN Guo－ming2
（1.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.，Zhanjiang524057，China；2.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology，China University of Petroleum，Dongying257061，China）

Submarine pipeline is the lifeblood of offshore oil and gas fields and its operation is directly related to the safety of offshore oil and gas transportation.Compared with land pipelines，

submarine pipeline；integrity management；system；integrity assessment

1001－3482（2011）12－0010－06

TE95

A

2011－06－14

高等学校博士学科点专项科研基金（20060425506）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（09CX05008A）

张秀林（1972－），男，江苏灌南人，工程师，主要从事海洋石油工程领域的技术工作，E－mail：zhangxl1＠cnooc.com.cn。inspection，monitoring and maintenance of submarine pipelines are difficult with harsh conditions for services.The event of an accident would bring huge economic losses and environmental pollution，it is necessary to carry out submarine pipeline integrity management research.Logic between the submarine pipeline integrity management technologies and security was systematically discussed；submarine pipeline integrity management system framework was established.Six segments and five levels contents of undersea pipeline integrity management were elaborated.The domestic research priorities of submarine pipeline integrity management and the implementation path for submarine pipeline integrity management were proposed，which could be the reference for submarine pipeline integrity management.