基于风险评估方法的双金属复合海管应用技术

朱晓林

摘 要：从国内某海工领域双金属复合海管制造的实际问题出发，对复合海管的技术现状及成型原理进行介绍；从实际案例的角度，将风险评估技术在双金属复合管领域的应用进行了探讨。

关键词：雙合金复合管 FMEA 塑性胀接成型技术 水压复合

1.双合金复合管技术现状及成型原理

1.1研究进展及技术现状

双金属复合管的液压成型理论最早由H.Krips等提出，其对换热管与管板的胀接过程进行力学分析并提出了限制压力的概念，得到了胀接成型残余接触压力的解析解。奠定了双金属复合管的液压成型理论的基础。日本的竹本昌史在此基础上假设管材为理想弹塑性材料，屈服强度为材料的实际屈服强度，根据 Tresca 屈服准则得到了胀接过程中，接触压力与胀接内压力的关系。颜惠庚在假设换热管为理想弹塑性材料，屈服强度为材料的实际屈服强度，得到了残余接触压力的解析解。

在工程应用领域双金属复合管的主流生产技术包括液压法、热挤压法、爆炸焊接法、复合板焊接法、粉末冶金法、离心铸造或离心铝热法、喷射成型法、堆焊法。双金属复合管自1991年投入使用以来，得到了广泛的应用，尤其是在石化行业的应用更是取得了显著业绩。德国的Butting公司是世界上最早开发双金属复合管制造企业，其管线90%应用于海底管线。目前，国内双金属复合管主要应用于低含量CO2地面集输管线和污水管线，主要以316L为内衬材料，塔里木、长庆、吉林、大庆等油田均有小批量应用。国内制造的双金属复合管于2014年才首次应用于我国东海。

1.2成型原理及工艺流程

双金属复合管的塑性胀接成型技术，就是对衬管施加胀接内压力，然后卸载内压力，利用衬管与基管产生不同程度的变形，在管层间就会存在一定的残余接触压力，从而紧密结合在一起。水压复合成型技术是以打压水为传压介质，利用材料的弹塑性，使基管与衬管接触并紧密结合。其复合过程可以分为以下三个阶段（如图1所示）：

（1）衬管变形阶段（消除间隙）

（2）水压复合阶段（内外管同步膨胀）

（3）卸载阶段

在整个塑性复合过程中， 内管完全发生了塑性变形， 而外管则处于弹性变形状态， 在卸载时由于外管回弹量大于内管回弹量， 外管紧箍内管， 两管间形成残余接触压力，达到紧密的机械结合，其残余接触应力大小取决于材料的回弹能力大小。

主要工艺阶段如下：（1）衬里装配阶段；（2）水压复合阶段；（3）管端堆焊阶段；（4）管端加工阶段。

2.风险评估技术在双金属复合管领域的应用

2.1风险评估的方法

风险评估分析方法通常使用潜在失效模式效应分析（Failure Mode Effect Analysis，FMEA）及危害性和可操作性研究（HAZOP）。在实际的工程应用中，所有的标准都给出了缺陷的可接受尺度，应用与一般的服役条件下具有普适性。但其普适性又很大程度的制约了工程应用的发展。比如，水深1000米的海管和水深100米的海管的要求是不一样的。诸如环境条件、材料条件、设备条件的不同也会有一定的偏差。而在工程的实际应用中，一些规范中没有界定的缺陷如何判定也是工程应用中的难题。基于此，人们将风险评估分析方法引入到工程实践中。而我们下面要分享的案例，就是典型的后者。

2.2 问题的评估

在本次双金属复合管生产过程中，发现部分复合管内壁有凸起现象，如图2所示。通过对典型的凸起复合管的解剖结果显示：基管与衬管间存在颗粒状的金属屑。被解剖基管内表面划痕深度0.12mm-0.22mm（图3），衬管外表面有明显凹坑但未见明显划痕（图4）。金属碎屑长度约2-4mm宽度约1.5-2mm（图5）。

经过排查后发现：凸起管比例较大，占总生产数量的10%左右，对复合海管的如期交付有较大影响，且此类凸起在技术规格书以及相关规范中没有明确界定。鉴于此，产品制造厂提出将此类问题归属于外观质量范畴，按API 5LD的局部不规整度的条款（≤0.5%D）作为标准验收。由于该问题在国内尚属首次，也没有国外类似的经验可以借鉴，在咨询过各方的专家后，项目组各方代表与产品制造厂就这一问题开会进行讨论，决定对这一问题进行技术评定，具体评估方案如下：

（1）评估凸起产生的原因

对金属屑进行化学成分分析，确定金属屑的来源，排除喷砂工艺中清扫不彻底或其他外部因素造成金属屑的产生。

（2）评估凸起对复合管性能的影响

在凸起管中抽取两支凸起复合管（一支为凸起较轻微，一支凸起较明显），对这两根管进行试验，试验方案如下：

坍塌试验：排除金属屑周围间隙有水气进入的可能，确定其对后续的防腐环节不造成影响；

通球试验：确认这种凸起对后续现场的通球不会产生不利影响；

四点弯曲试验：确定凸起对复合管的海上铺设不会产生不利影响；

钻孔试验：由于管线使用过程中昼夜温差大，基管与衬管间有发生串动的可能，有出现再次划伤的风险。故通过钻孔试验排除此风险。

（3）召开专家会对这一问题的风险进行评估

由业主项目组邀请石油管道专家，工程院院士担任专家组组长，中国石油集团石油管工程技术研究院、中海油研究总院、CCS、BV、DNVGL多方技术力量共同参与，对该问题进行风险评估并形成专家意见。

2.3 评估的结果

（1）凸起产生的原因

通过对金属屑的化学成分分析并与基管材料化学成份进行对比显示：金属屑与基管的成分一致。与此同时，补充采用54MPa的下限复合压力（本次Φ273.1规格的复合管极限复合压力一般超过60MPa），未发现凸起现象，继续加压至62MPa，发现轻微凸起。

综上，可以肯定金属屑是由装配过程中衬管与基管的摩擦、刮擦而产生的浅表性基层金属碎屑堆积而成。在较大的水压力的作用下，衬管在金属屑周围发生局部的塑形弯曲变形，造成了内壁的凸起。

（2）凸起对复合管性能的影响

塌陷试验：与衬管基管间间隙存在水气的复合管在塌陷试验后产生鼓包（图6 左1）不同，存在内壁凸起的复合管在塌陷试验前（图6左2）和坍塌试验后（图6左3）后凸起的形状、位置、大小没有发生改变，说明后续防腐环节的高温环境不会对凸起复合管造成不利影响。

通球试验：试验合格，确认这种凸起不会影响后续现场的通球。

四点弯曲试验：取两种规格（Φ273.1和Φ219.1）的凸起复合管各一支进行四点弯曲试验。Φ219.1规格凸起试验管在应变0.305%和80吨轴向拉力下，衬管层无皱折和搭扣现象出现，试验结果合格，继续形变至0.72%，弯曲半径为39D的状态下，衬管层出现皱折。Φ219.1规格凸起试验管在应变0.305%和80吨轴向拉力下，衬管层无皱折和搭扣现象出现，试验结果合格，继续形变至1.20%，弯曲半径为41D的状态下，衬管层出现皱折。在这两组试验中，衬管内壁凸起在试验前后无明显变化。确定了凸起对复合管的海上铺设不会产生不利影响。

钻孔试验：在凸起复合管管体上沿钢管母线每隔2m打一个通孔，共计4个孔。用中频加热到100℃左右后，检查发现4个通孔在加热和冷却过程中未出现通孔错位（图7），表明在昼夜温差环境下运行时，凸起复合管不会发生串动问题。

（3）专家组对这一问题的意见

以中国工程院院士以及中国石油集团石油管工程技术研究院、中海油研究总院、CCS、BV、DNV-GL各方专家的专家组对评估试验结果进行了论证，对该问题的风险进行了评估。专家组一致认为此类凸起属于技术规范界定的盲区，与鼓包等产品缺陷有本质区别。根据已有的试验结果，凸起对复合管的涂敷、配重、海上安装以及投入使用没有影响，但考虑到该复合管的服役期限为20年，对耐蚀层的要求较高，而连续凸起的复合管有划伤衬层的情况，建议拒收。

根据专家会讨论意见，项目组协调业主代表、CCS、监理方以及各生产厂方代表一起对内壁有凸起的复合管进行验收。由于现有的技术还不能对凸起的尺寸进行测量，故通过通球、内窥以及光影法对凸起的数量和大小进行界定。验收按照A、B、C三个等级划分（图8），A类、B类作为合格品验收，A类直接使用，B类作备用管，C类为不合格管处理。

A类特征：凸起数量少，单个存在，无明显尖锐状：现场以单根管（12192mm）内壁存在一个凸起且不尖锐为判定标准；

B类特征：单个凸起呈尖锐状或多个凸起但无明显尖锐状：现场以单根管（12192mm）内壁存在一个尖锐凸起或间隔大于3000mm的2到3个非尖锐凸起为判定标准；

C类特征：凸起数量较多，杂散分布，凸起呈现尖锐状，凸起成直线排列；凸起杂散分布，数量众多，呈尖锐状：现场以单根管（12192mm）内壁存在多于一个尖锐凸起或多于3个非尖锐凸起为判定标准。

3.结语

双金属复合管制造是一个生产工艺复杂、过程控制严格、技术要求高的过程。国内的复合海管生产和应用还处于起步阶段，从生产工艺和质量管理上仍存在许多待改进的地方。希望风险评估方法的双金属复合海管应用技术探讨对以后类似项目的开展有所帮助。

参考文献：

[1]H. Krips，M. Podhorsky.Method of hermetically swaging tubes into tube plates.US；1976.

[2]竹本昌史，王珏.列管式换热器的强度——液压胀管接头的拉脱紧固力[J].压力容器.1984（2）.

[3]颜惠庚.换热管液袋式液压胀接装备与技术[D].华东理工大学，1998.

[4]赵卫民.金属复合管生产技术综述[J].焊管.2003.26（03），10-14.

[5]孫育禄，白真权，张国超，等.油气田防腐用双金属复合管研究现状[J].全面腐蚀控制，2011，25（05），10-13.

[6]X.Wang， P.Li， R.Wang.Study on hydroforming technology of manufacturing bimetallic CRA-lined pipe[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture.2005，45（4-5）：373-8.