基于风险检查的海洋立管腐蚀失效分析

龚凡明，余建星，郝晓楠，柴 松，景海泳，张贵珍

（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室；建筑工程学院，天津300072）＊

立管是连接海底管线和海上平台或者FPSO的重要设施，对深水油气开采具有重大作用［1］。近年来，发生了多起立管腐蚀失效事故，造成了严重的经济损失和环境破坏［2－3］。因此，对海洋立管腐蚀失效进行有效的风险分析是非常必要的。

但是，不能为了减小风险而盲目地进行检查，这样会造成不必要的检查，不符合经济性的要求［4］。因此，需要确定何时需要进行检查，检查什么部位，何时进行维修［5］。本文采用风险检查方法对立管腐蚀失效进行分析，制定既满足安全性要求又满足经济性要求的检查计划。

1 立管的腐蚀失效类型

立管的失效模式可以分为内部腐蚀、外部腐蚀2种失效模式，同一失效模式下也存在不同的失效类型。

1） 内部腐蚀 内部腐蚀是在生产过程中管壁变薄的主要原因，腐蚀是一个复杂的类型，取决于立管内产品组成、使用的水的类型、操作工况等因素。其失效类型分为3类：①CO2腐蚀；②清理用水腐蚀；③微生物腐蚀。

2） 外部腐蚀 外部腐蚀主要是由于海水或者空气引起的，根据立管外部防护情况可以分为3种失效类型：①无隔离层，且无防护层情况下的外部腐蚀；②无隔离层，但有防护层情况下的外部腐蚀；③有隔离层情况下的外部腐蚀。

2 腐蚀失效概率计算方法

立管腐蚀失效概率随时间的增加而变化，在初始缺陷的测量、腐蚀率的确定以及实际操作压力方面都存在一定的不确定性，可以采用可靠性的方法计算立管在此失效类型下的失效概率。

2.1 缺陷增长率的评估方法

在不同的失效类型下，缺陷的增长率将不同，用腐蚀率表示其腐蚀速度。不同失效类型的腐蚀率确定方法如下：

1） CO2腐蚀 CO2腐蚀率的计算可以参照挪威石油标准化组织（NORSOK）的 M－506文件［6］，此计算模型是对处于不同温度、pH值、CO2浓度和管壁剪切力情况下碳钢管CO2腐蚀率的计算。

2） 清理用水腐蚀 清理用水引起的腐蚀速率随着流速、氧气含量和温度的增加而增大，并且与水的类型相关，具体数值可以参考DNV－RP－G101附录 B［7－8］。

3） 微生物腐蚀 微生物腐蚀一般发生在存在厌氧碳水化合物系统的碳钢管中，其造成的内部腐蚀失效概率与清理用水的类型、管壁厚度有关，具体数值可以参考DNV－RP－G101附录B。

4） 无隔离层且无防护层的情况下外部腐蚀由于未隔离的碳钢管暴露在海洋环境中，容易发生外部腐蚀。腐蚀率会随着温度的增加和外部防护层的损坏而减小，未隔离且无防护层的碳钢管的外部腐蚀率是温度的函数，具体数值可以参考DNV－RPG101附录B。

5） 无隔离层但有防护层情况下的外部腐蚀与未隔离且无防护层的立管相比，防护层可以对腐蚀起到大的减轻效果，该减轻效果可以用（100－覆盖率）／100表示，称为减小因子。在计算时，必须考虑防护层的覆盖率随时间的变化，如果进行过维修，需要特殊考虑。

6） 有隔离层情况下的外部腐蚀 当隔离层存在孔隙时，海水将通过孔隙进入隔离层，对立管的外壁造成破坏。腐蚀率随着进入的海水量和温度的增加而增加，腐蚀率的具体值可以参考DNV－RPG101附录B。

2.2 极限状态函数的确定方法

在存在缺陷的情况下，采用DNV推荐的破裂模型计算立管的极限压力。

立管承受的载荷为内部操作压力pop，其标准差一般取为0.05。

其极限状态函数为

式中：pcapacity为含缺陷立管的极限承载压力，pop为立管内部操作压力。

2.3 失效概率的计算方法

根据极限状态函数，可以采用改进的一次二阶矩法计算立管的失效概率［9］，即

3 检查计划的制定方法

在制定检查计划之前，需要确定立管的可接受失效概率值。可接受的立管失效概率值与立管内产品类型有关。根据立管所在区域以及其人工操作情况。立管的安全等级为高［7］，其可接受的最大失效概率值定为10－5。因此，当失效概率将要超越10－5时，需要对立管进行检查或者维修，检查和维修主要针对缺陷处。

应该把最新的检查结果作为制定下次检查计划的信息，把分析流程再完成1次，以确定再次检查的时间和位置。因此，风险检查方法是一个循环的反馈过程，可以根据最新的检查信息及时、准确地更新检查计划。

4 分析实例

本文以CO2腐蚀失效类型为例，确定立管的检查计划。

4.1 立管相关数据

立管和检查报告相关数据如表1所示。

表1 立管相关数据

4.2 腐蚀率

根据以上立管的详细数据，参照NORSOK M－506文件中CO2腐蚀率的计算方法，计算出4个参数：

式中：Kt为温度系数；fCO2为 CO2挥发系数；f（pH）t为pH系数；S为管壁剪切力。

因此，年腐蚀量计算结果为

其标准差取为0.01mm／a。

4.3 失效概率

由于最后1次检查时间是2009年，可以计算T年后的新缺陷尺寸。

极限状态函数为

其中，σu＝1.09σs＝1.09×550＝599.5MPa。

正态分布变量Ymodel均值为1，变异系数为0.1。d0服从均值为7.2mm，标准差为0.174mm的正态分布。L0服从均值为68mm，标准差为0.174 mm的正态分布。C服从均值为0.18mm，标准差为0.01mm的正态分布。pop服从均值为8MPa，标准差为0.05MPa的正态分布。

采用改进的一次二阶矩法计算立管的失效概率，编制Matlab程序，可以计算出立管的失效概率曲线，如图1所示。

图1 立管失效概率随时间变化曲线

4.4 检查计划

根据图1，可以确定需要在2016年对立管的内部缺陷进行检查和维修，重点检查部位是2009年检查到的缺陷处。此外，应该将检查结果进行反馈，进行下一次检查计划的制定。

5 结论

1） 风险检查方法可以为立管制定最佳检查计划，其检查计划是在风险分析结果基础上，参照立管失效概率的可接受准则制定的。检查计划能确定最合理的检查时间和最需要检查的位置，既可以满足安全要求，又可以避免不必要的检查。

2） 本文提出的风险检查方法成功应用到立管腐蚀失效中，对于水下生产系统中的其他管线的腐蚀失效，可以参考本文的风险检查方法制定检查计划。

［1］宋青武.海洋立管风险评价与安全措施研究［D］.天津：天津大学，2009.

［2］曹 静，夏秋玲.立管完整性管理分析［J］.中国造船，2007，48（1）：654－659.

［3］张长智，王桂林.深水开发中的几种新型混合生产立管系统［J］.石油矿场机械，2010，39（9）：20－25.

［4］孙 粲，谢发勤.油钢管的CO2和H2S腐蚀及防护技术进展［J］.石油矿场机械，2009，38（5）：55－61.

［5］DNV Recommended Practice，RP－F101，Corroded Pipeline［S］.2010.

［6］NORSOK Standard，M－506，CO2Corrosion Rate Calculation Model［S］.2005.

［7］DNV Recommended Practice，RP－G101，Risk Based Inspection of Offshore Topsides Static Mechanical Equipment［S］.2010.

［8］DNV Offshore Standard，OS－F101，Submarine Pipeline Systems［S］.2010.

［9］余建星，郭振邦，徐 慧，等.船舶与海洋结构物可靠性原理［M］.天津：天津大学出版社，2001：18－23.