FPSO柔性立管失效模式与原因分析

杨贵强 刘振国 张绍谦 亓俊良

（中海油能源发展采油服务公司，天津塘沽，邮编：300452）

1.0 前言

为确保FPSO柔性立管系统安全、可靠，中海油能源发展采油服务公司针对国内国际FPSO柔性立管的资料进行了收集整理，旨在开展立管完整性管理RIM(Riser Integrity Management)研究，对立管系统全生命周期内各种潜在危害因素进行综合的、一体化的管理。在对106个柔性立管或管道（跨接软管等）资料收集分析中获知，有21个（20%）发生过损伤或失效事件。在发生过损失或失效的事件中，16个（76%）发生在安装期间，5个（24%）发生在正常操作过程中。柔性立管的设计寿命为12年左右，大多数的失效都发生在服役的前四年内。以下对柔性立管的失效模式和失效原因进行分析。

2.0 FPSO柔性立管失效模式

FPSO柔性立管的失效模式主要有以下5种情况。

2.1 外套损伤

最常见的损伤和失效模式是外套损伤，大多数的损伤发生在安装阶段。外套损伤会导致柔性立管环面被淹没，对于立管来说这是非常严重的，立管的设计寿命可能会减少为2年。因此即使损伤是很小的，最终也可能会产生很严重的后果，到目前为止有很多立管因损伤而被替换的例子。

2.2 不锈钢内衬管（或称内套）腐化

大部分柔性立管的内部抗压层是采用PA-11材料，PA-11腐化失效的案例很多，这是立管面临的比较重要的问题。在统计分析中，立管失效多数发生服役的前四年。美国石油组织正在对PA-11老化问题进行研究工作，准备提出这种材料的适用范围。

2.3 聚偏氟乙稀终端部件失效

与其他利用热塑性材料的管道相比，聚偏氟乙稀热膨胀系数较高。因此，由周期循环的温度改变引起的不锈钢内衬管持续的膨胀与收缩导致了不锈钢内衬管逐渐脱离终端装置。这种失效模式不是很多，这类立管失效模式的解决方式是用新设计的终端设备进行替换。

2.4 抗拉铠装损伤

抗拉铠装损伤（鸟笼化）是柔性立管失效的一种较重要的模式。它一般发生在立管被绷紧时，同时这种损伤出现在局部性的而不是整个立管的长度范围内。

2.5 通风口堵塞

当通风口堵塞时油气渗入内孔，最后环面压力过高外套爆裂或不锈钢内衬管塌陷。由此得出的教训是进行完整性测量时应定期检测通风口是否堵塞，同时，应检测在工厂验收试验时是否清洁。

3.0 FPSO柔性立管潜在的失效原因

3.1 温度

相对于钢制立管，柔性立管可接受的温度范围要低一些。而且考虑柔性立管外部的一些地方(如末端装置)也会由于长时间在“高”温度下导致性能衰减。以下为应用于柔性立管内部抗压层的聚合物材料。

1)聚酰胺-11(PA-11)

在长时间高温作用并且饱和度超过80%的液/气混合流作用下，这种聚合物对自由态水以及溶解态水都很敏感。另外，如果水的成分中PH值较低，也会加速立管的老化，因为酸类以及化学反应会对聚合材料产生不利的影响。当然，这取决于酸的浓度与作用时间。

2)聚偏氟乙烯(PVDF)

PVDF作为立管的内压防护层在英国地区被广泛使用。该材料对含水量不敏感，并且能够能在温度升高的条件下抵御大多数油气中的化学物质。PVDF相对PA-11有更高的热膨胀系数，所以，也更容易在热循环应力作用下产生裂纹。API 17J规定PVDF允许的最大应变量为3.5%。

3)高密度聚乙烯(HDPE)

HDPE并没有作为抗压层材料被广泛使用，一般用于注水管以及低压/低温的液体产品。HDPE有良好的耐酸(取决于浓度)以及耐水能力。这种聚合物对氧化敏感，由于聚合物的应变以及温度，可能出现环境载荷应力裂纹。

3.2 压力

操作压力越大，疲劳和减压过程所造成的性能衰减就越大。立管的内部压力引起的柔性立管系统不同层之间的高接触压力，导致了应力大幅增加。压力也增加了立管磨损造成的伤害以及由于在腐蚀环状环境中所造成的腐蚀-疲劳损伤。

3.3 产液成分

CO2，H2S气体水溶液会加速腐蚀，液体中的酸性以及饱和水的成分会对淹没环形空间内的碳钢装甲线的性能衰减以及PA-11压力层的老化产生不利影响。

3.4 疲劳

疲劳损伤也是导致立管性能衰减的重要原因。立管疲劳的敏感区域（取决于水深以及系统设计）一般在抗弯加强筋或喇叭口区域、触地点、中部水深拱曲、垂弯曲以及中拱区。在腐蚀性环境、高温压的CO2/H2S、高应力的情况下，立管的疲劳寿命会显著减少。

3.5 腐蚀

腐蚀本身并不是柔性立管性能衰减的主要原因。柔性立管的不锈钢内衬管或者装甲线的腐蚀速率取决于环境，也取决于材料选择以及材料与管内流体的契合程度。

3.6 磨损

不锈钢内衬管的磨损与管的弯曲有关，弯曲半径越小，潜在的磨损等级越高。潜在的磨损与流体速度，含沙量，运输的是气体或者液体直接有关。干气体比液化气的磨损能力要高。含沙量是磨损首要考虑的因素。不锈钢内衬管上的材料磨损被认为是柔性立管上的失效点。

3.7 水垢/蜡质的形成

柔性立管内水垢的形成会造成堵塞，并影响到立管的柔性、质量以及极限破裂情况。另外，水垢对防止立管老化可能起到好的影响，因为水垢在立管的聚合物压力层上起到绝缘的作用。

3.8 涡激振动

由于流体流过不锈钢内衬管的突扩或突缩，导致了涡激振动。在特定的流量下，涡激振动的频率与立管结构的固有频率接近，可以产生共振现象，这种现象很容易发生。虽然还没有柔性立管因为这种原因而造成损坏，这个问题依然值得关注。

3.9 辅助设备

与柔性立管一起使用的辅助设备也是完整性管理策略当中的一部分。

1)浮力块

在服役过程中浮力块的丢失依然不可避免，并且立管系统外形设计的强度决定了类似的事件的重要性。应充分评估浮力块缺失所产生的影响。

2)抗弯加强筋与转塔/甲板的接口

作为立管完整性管理的一部分，抗弯加强筋与浮体或者固定式结构的接口是柔性立管的关键部位。抗弯加强筋处在一个不容易进行详细检查的地方，因此，对于抗弯加强筋与转塔/甲板的接口，进行组装的基本水平的检查就需要进行严格限制。

对于抗弯加强筋与转塔/甲板连接结构的阴极保护系统也应处在监控状态下。低水平的保护导致腐蚀以及疲劳问题，而过高水平阴极保护则容易引起氢脆现象。

3)立管基座

立管基座把柔性立管限制为特定的形状，需要对基座的过度旋转、轴承载荷等方面进行监控。

3.1 0意外事故

意外事故包括物体掉落、碰撞、拖锚、重物滑落等等。根据冲击的严重程度以及立管所采取的防护程度，它们会对柔性立管会造成不同程度的破坏。大部分的损伤或者失效发生在立管安装过程。

由于意外事故，会造成在聚合材料中的沟、刻痕等冲击损伤。对于这种损伤需要及时进行评估，防止潜在的裂纹增长。

3.1 1制造缺陷

1)辅助设备

辅助设备上不合格的焊接质量以及不规范的焊口形状将缩短使用寿命。

喷漆保护系统或者阴极保护系统设计应该符合DNV RP B401标准。在阴极保护系统中，使用高强度的螺栓或者双头螺栓可能容易受氢脆的影响，应遵守阴极保护兼容性优先的原则。

与抗弯加强筋和转塔装配的关键的法兰连接如果采用了不合适的双头螺栓连接，就会在连接处产生极大的疲劳载荷。在关键部位不应使用人工上紧。

2)抗弯加强筋

抗弯加强筋易受聚亚安酯以及金属镶嵌块中的制造缺陷的影响，应该对抗弯加强筋以及保护外套上的疲劳敏感区域加以足够的重视。推荐对抗弯加强筋中的高应力焊缝进行保护，防止暴露在海水中，从而避免潜在的腐蚀疲劳情况。

聚亚安酯与金属镶嵌块的连接非常重要，不合格的金属与聚合物的连接会导致抗弯加强筋过早失效。