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海底管道安全狀態(tài)評估技術(shù)綜述

文檔作者：張敬安董欣紅侯立群文檔來源：中海石油技術(shù)檢測(中心) 有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月17日
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
　
第24 卷第1 期
2009 年2 月
中國海洋平臺
CHINA OFFSHORE PLATFORM
Vol . 24 No. 1
Feb. ,2009
收稿日期: 2008207223
作者簡介: 張敬安(19642) ,男,長期從事海底管道檢測及評估工作。
文章編號:100124500 (2009) 0120015206
海底管道安全狀態(tài)評估技術(shù)綜述
張敬安, 　董欣紅, 　侯立群
(中海石油技術(shù)檢測(中心) 有限公司,天津300452)
　　摘　要: 綜述海底管道安全狀態(tài)各項評估的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀?；诿?、英及挪威船級社DNV 標(biāo)準(zhǔn),給出
了國際上各項評估的主流方法,以期能為海底管道安全狀態(tài)評估技術(shù)的應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞: 海底管道;安全狀態(tài)評估;缺陷評估
中圖分類號: TE54 　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
A GENERAL REVIEW OF SUBMARINE PIPELINE SAFETY CONDITION
ASSESSMENT TECHNIQUES
ZHAN GJ ing2an , 　DON G Xin2hong , 　HOU Li2qun
(CNOOC Inspection Technology (Center) Co. Ltd , Tianjin 300452 , China)
　　Abstract : This paper int roduces t he current internal and external research status of sub2
marine pipeline safety condition assessment techniques. Based on USA , U K and DNV stand2
ards , the pop ular met hods in t he world applied to above assessment are mentioned. It is hope2
f ul t hat t hese methods can be benefit to t he application of submarine pipeline safety condition
assessment techniques.
Key 　words : submarine pipeline ; safety condition assessment ; defect assessment
0 　引言
海底管道(簡稱海管) 承擔(dān)著輸送海底油氣資源的重要任務(wù),是海上油氣田的生命線。中海石油總公司
現(xiàn)有海管138 條(總長約3217km) ,其中早期鋪設(shè)的海管已進入中后期服役階段,未來5 年將會有37 條海管
超期服役,隨著海油開發(fā)速度的加快,新增及超期服役海管數(shù)量不斷增加。這些超期服役的海管在長期運行
期間經(jīng)受著各種荷載。環(huán)境侵蝕、材料老化、荷載作用、疲勞及突變效應(yīng)等因素的影響勢必導(dǎo)致海管系統(tǒng)的
損傷積累和抗力衰減,從而在極端情況下還可能引發(fā)事故。因此,我們務(wù)必正確了解目前海管在海底的實際
狀況、對其安全狀態(tài)和安全服役壽命進行評估和預(yù)測,從而將海管失效引起的風(fēng)險控制在可接受的范圍內(nèi),
以較低的成本保證海管安全運行并使海上石油正常開采。
目前國外在海管安全狀態(tài)評估方面的研究和實踐已開展多年,取得了很多成果,其中最有代表性的研究
機構(gòu)挪威船級社(DNV) 基于大量的研究和實踐已編制了完整的海管系統(tǒng)安全狀態(tài)評估標(biāo)準(zhǔn)及其方法,這些
標(biāo)準(zhǔn)與方法是我國開展海管系統(tǒng)安全狀態(tài)評估技術(shù)研究的寶貴資料。
我國在陸地管道的安全狀態(tài)評估方面已進行了多年研究,中石油西安管材研究所和廊坊管道局在陸地
管道風(fēng)險評估方面已形成了比較系統(tǒng)的評估方法,并開發(fā)了相應(yīng)的評估軟件,從而取得了較顯著的經(jīng)濟效益
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和社會效益。但國內(nèi)海底管道安全狀態(tài)評估技術(shù)方面的研究則處于起步階段,中海石油技術(shù)檢測中心是國
內(nèi)第一家進行海管安全狀態(tài)及風(fēng)險評估的機構(gòu)。本文僅對海管安全狀態(tài)評估方面進行綜述。
1 　海管安全狀態(tài)評估技術(shù)內(nèi)涵
所謂海管安全狀態(tài)評估,就是基于海管的設(shè)計數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、各種變更數(shù)據(jù)以及當(dāng)前的檢測數(shù)據(jù),對海
管的安全狀態(tài)作出評價和判斷。
海管評估、海管設(shè)計和設(shè)計校核所基于的理論本質(zhì)上是一致的,只是過程和目的不同。所謂海管設(shè)計,
就是依據(jù)工藝要求和海管運輸、施工、運行各過程中所承受的各種荷載情況,確定海管材料、路由、直徑及壁
厚。所謂設(shè)計校核,就是確定已設(shè)計好的海管是否滿足工藝要求和具有足夠抵抗所有荷載的能力。評估與
設(shè)計校核很相似,但仍有差別。評估是判斷已投產(chǎn)運行了較長時間的海管在其本身改變和其所受荷載而改
變發(fā)生后,是否滿足工藝要求和具有足夠抵抗所有荷載的能力。海管本身的改變主要指海管出現(xiàn)腐蝕、裂
紋、疲勞損傷或其它損傷,所受荷載而改變主要指海管運行壓力、路由、懸跨長度、及所在海域的風(fēng)、波浪、海
流、浮冰等海況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的改變等。設(shè)計校核還包括施工過程的校核,而評估只針對運行過程。設(shè)計校核
針對的是無缺陷海管,評估針對的是有缺陷海管。
海管評估要基于海管的各項數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)主要包括:1) 海管設(shè)計、施工、運行、變更、維護等過程中的基
礎(chǔ)性數(shù)據(jù)以及各類環(huán)境數(shù)據(jù),這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和整理是非常重要的,目前中海石油技術(shù)檢測公司在這方
面已做了大量的基礎(chǔ)性工作,并已開始建立基于GIS 的海管信息系統(tǒng)來管理這些數(shù)據(jù);2) 當(dāng)前海管狀況及
其所處環(huán)境狀況的檢測數(shù)據(jù),即當(dāng)前海管本身及其所受荷載而改變后的檢測數(shù)據(jù),它是評估所需要的關(guān)鍵數(shù)
據(jù)。因此沒有檢測就沒有評估,檢測是評估的基礎(chǔ),評估是檢測的目的。
針對海管本身改變的評估包括腐蝕缺陷評估和裂紋缺陷評估。針對海管所受荷載而改變的評估包括內(nèi)
承壓狀態(tài)評估、自由懸跨評估、底部穩(wěn)定評估、整體屈曲評估與局部屈曲評估。圖1 給出了海管安全狀態(tài)評
圖1 　海管安全狀態(tài)評估分類和對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)
估的分類情況和各類評估標(biāo)準(zhǔn)及其方法。下面對各類評估
技術(shù)進行具體介紹。
2 　海管缺陷評估的主流做法
2. 1 　海管腐蝕缺陷評估
海管腐蝕是造成海管失效的重要原因,海管腐蝕評估
是海管安全狀態(tài)評估的重要組成部分。腐蝕缺陷主要為體
積型缺陷。目前國際上針對腐蝕缺陷評估的主流標(biāo)準(zhǔn)有
DNV2RP2F101[1 ] 、ASME B31G[2 ] 、PCORRC[3 ] 。其中
ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)偏保守,適用于X52 以下的中低輕度鋼;
DNV2RP2F101 比前者保守性低,適用于X652X80 范圍內(nèi)
的中高強度鋼; PCORRC 保守性與DNV2RP2F101 相當(dāng),適
用于X522X70 范圍內(nèi)的中高強度鋼。下面主要介紹DNV2
RP2F101 給出的腐蝕評估方法。
DNV2RP2F101 不但考慮了內(nèi)壓,且還考慮了海管所受的軸向和彎曲載荷。它提供了兩種腐蝕缺陷評
價方法:分項安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法,這兩種方法的區(qū)別是安全準(zhǔn)則不同。分項安全系數(shù)法中的安全準(zhǔn)則
是根據(jù)DNV 近海標(biāo)準(zhǔn)DNV2OS2F101 2007 和海底管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)來確定的。該方法使用了概率修正方程—
分項安全系數(shù)來確定腐蝕管道的許用操作壓力;許用應(yīng)力法是根據(jù)許用應(yīng)力設(shè)計(ASD) 標(biāo)準(zhǔn),將計算出的
腐蝕缺陷的失效壓力乘以海管的強度設(shè)計系數(shù)。對于許用應(yīng)力法中缺陷尺寸的不確定性,需要計算者自行
判斷。分項安全系數(shù)法考慮了腐蝕缺陷檢測的不確定性和海管材料的不確定性等因素,能更客觀地反映海
管存在腐蝕缺陷后的剩余強度。許用應(yīng)力法未考慮這些不確定性因素,在計算結(jié)果精度有所提高后,仍具一
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定的保守性。前者計算過程和測定相對復(fù)雜,后者相對簡明、便捷,故現(xiàn)場操作人員樂用后者[4 ] 。圖2 所示
的是DNV2RP2F101 給出的海管腐蝕缺陷評估的總體流程。
圖2 　海管腐蝕缺陷評估總體流程圖
2. 2 　海管裂紋缺陷評估
海管是典型的焊接鋼結(jié)構(gòu),焊接接頭往往
會發(fā)生組織結(jié)構(gòu)劣化而存在各種缺陷。在焊
接缺陷處存在的應(yīng)力集中往往是使缺陷處成
為裂紋的源頭。當(dāng)海管受到較大負(fù)載或其自
身材料的韌性不足時,往往會導(dǎo)致裂紋的失穩(wěn)
擴展,從而使管道在接頭處發(fā)生斷裂,造成突
發(fā)性甚至災(zāi)難性的事故。另外母材本身由于
制作和施工中的各種因素也可能造成裂紋缺
陷。因此海管裂紋缺陷評估也是海管安全狀
態(tài)評估的重要組成部分。
目前針對金屬裂紋缺陷評估的主流標(biāo)準(zhǔn)
有:英國的BS 7910[ 5 ] 和歐共體的SIN TAP[6 ] ,
二者都以“合而使用”為原則,并以斷裂力學(xué)為
基礎(chǔ)。BS 7910 標(biāo)準(zhǔn)采用失效評定圖FAD 法,
SIN TAP 采用FAD 法和裂紋推動力CDF
法[7 ] 。二者評估的基本思想是一致的,只是在
FAD 坐標(biāo)值計算上存在差異,從而導(dǎo)致兩種
評估方法的保守性存在一些差異。下面介紹
BS 7910 給出的裂紋缺陷評估方法。
BS 7910 主要給出了以下幾個方面的評估
內(nèi)容:
1) 裂紋區(qū)抗斷裂能力評估(簡稱斷裂評
估) ;2) 裂紋區(qū)疲勞壽命評估(簡稱疲勞評估) ;
3) 蠕變條件下的裂紋極限尺寸評估(簡稱蠕變
評估) ;4) 由裂紋導(dǎo)致的其它失效模式評估(簡
稱其它評估) 。
其中斷裂評估分為3 個級別:一級簡單評
定、二級常規(guī)評定和三級延性撕裂評定。每種評定采用的方法大致相似。一級評定程序為最簡單的評定方
法,適用于材料性能數(shù)據(jù)有限時;二級評定為常規(guī)評定方法;三級評定為最高級別評定方法,主要是對高應(yīng)變
硬化指數(shù)的材料或需要分析裂紋穩(wěn)定撕裂斷裂時,才考慮使用此方法,對于常用的焊接結(jié)構(gòu)用鋼,一般不采
用此方法評定。對于一級評定認(rèn)為不可以接受的缺陷,需在提高輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下繼續(xù)進行驗證,或者
在滿足要求的條件下應(yīng)用更高級別的評定標(biāo)準(zhǔn)進一步加以驗證。圖3 給出了海管裂紋缺陷抗斷裂能力評估
的總體流程。
3 　海管狀態(tài)評估的主流做法
3. 1 　承壓狀態(tài)評估
海管的主要功能是輸送海上平臺開采的油氣資源。油氣介質(zhì)在海管內(nèi)流動時需要一定的工作壓力,如
遇一些偶然情況,工作壓力還會增大,因此海管需要具有一定的承受內(nèi)壓的能力。承壓評估就是通過靜水壓
試驗以及分析計算的方式判斷海管目前的承壓能力。
第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　　張敬安等 　海底管道安全狀態(tài)評估技術(shù)綜述 ·17 ·
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圖3 　海管裂紋缺陷抗斷裂能力評估總體流程圖
承壓評估最直
接的方法就是在停
產(chǎn)后對海管進行靜
水壓試驗,不過這種
方法費用很高,不到
極為必要時不推薦
采用。在通常情況
下,我們采用分析計
算的方式。
DNV2OS2F101
2007[ 8 ] 中給出了基
本的海管承壓狀態(tài)
的評估公式1 :
Plx
2Pe ≤ Pb ( t)
γmγSC
(1)
式中: Plx 為管壁局
部偶然內(nèi)壓; Pe 為
海管外壓; Pb ( t) 為
海管承壓抗力值; γ
m ,γSC 為材料抗力系
數(shù),安全等級抗力系
數(shù);
其中海管承壓
抗力值Pb ( t) 由式2 和式3 給出:
Pb ( t) = 2t
D2t
f c b
2
3
(2)
f c b = min ( f y ;
f u
1. 15
) (3)
式中: t 為海管壁厚; D 為海管直徑; f c b , f y , f u 為海管材料的特征強度,屈服強度,極限抗拉強度;
承壓評估還需要考慮海管所受的軸力、彎矩以及腐蝕導(dǎo)致的壁厚減薄。
3. 2 　海管自由懸跨評估
由于海底的凹凸不平,以及各種沖刷、水蝕及海床運動,海管很可能出現(xiàn)自由懸跨[9 ] 。懸跨的海管將面
臨兩個主要問題:a) 靜力強度問題;b) 渦激振動導(dǎo)致的疲勞失效問題。自由懸跨評估就是判斷海管在出現(xiàn)
懸跨時是否出現(xiàn)上述問題。
流體在海管兩側(cè)繞流時,會在海管后面形成漩渦脫落,漩渦脫落對海管具有一定頻率的動力作用。當(dāng)漩
渦脫落的激振頻率與海管的固有頻率接近時,海管就會發(fā)生強烈振動,我們稱之為渦激振動。渦激振動的強
度取決于漩渦脫落的強度以及漩渦脫落頻率與海管固有頻率的接近程度。渦激振動的最主要問題就是疲勞
問題。DNV2RP2F105[10 ] 給出是否需對渦激振動及波浪導(dǎo)致海管的疲勞問題進行詳細(xì)疲勞壽命計算的判斷
準(zhǔn)則,其判別公式由式4 、式5 、式6 給出。
海管同向振動的固有頻率需滿足:
f n, IL
γIL
>
Uc ,100year
V IL
R ,onset ·D
12 L / D
250 ·1α
(4)
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　　海管橫向振動的固有頻率需滿足:
f n, CF
γCF
>
Uc ,100year + Uw ,1 year
V CF
R ,onset ·D
(5)
　　直接波浪作用下的判別標(biāo)準(zhǔn):
?α
=
Uc ,100year
Uw ,1year + Uc ,100year
> 2
3
(6)
式中: f n, IL 為海管同向自振固有頻率; f n, CF 為海管橫向自振固有頻率;Uc ,100year 為海管位置上100 年一遇的海
流速度;Uw ,1 year 為1 年一遇的由波浪引起的海管位置上的流速;V IL
R ,onset 為初始單向渦放流速;V CF
R ,onset 為初始
交替渦放流速;γIL ,γCF 為分項安全系數(shù)。
如海管懸跨滿足該標(biāo)準(zhǔn)時,則可認(rèn)定海管具有50 年的疲勞壽命,那么,只需依據(jù)DNV2OS2F101 2007[8 ]
的規(guī)定進行極限強度校核(ULS) ,無須進行疲勞校核;如果不滿足該標(biāo)準(zhǔn),則需要對海管進行基于S2N 曲線
和miner 線性累計損傷理論的疲勞壽命驗算。
3. 3 　海管底部穩(wěn)定性評估
判斷海管在海床上的穩(wěn)定性是海管評估的一項重要內(nèi)容。海管穩(wěn)定性分析的方法主要分為:靜態(tài)分析、
動態(tài)分析、半動態(tài)分析。
3. 3. 1 　靜態(tài)分析方法
靜態(tài)分析方法是一種傳統(tǒng)方法,偏于保守。它通過分析海管在自身重力W 、波浪和海流產(chǎn)生的阻力FD 、
升力FL 、慣性力Fi 以及土壤的摩擦力Fr 共同作用下是否保持靜態(tài)平衡來評定海管的穩(wěn)定性。式7 和式8
給出了判斷海管靜力穩(wěn)定性的平衡方程:
FD + Fi
2Fr
2W sinθ = 0 (7)
N + FL
2Wcosθ = 0 (8)
　　靜力分析方法對波浪—海管—土壤的聯(lián)合作用分析不夠,而僅用一個簡單的摩擦因數(shù)來描述海管—土
壤相互作用,顯然準(zhǔn)確性不夠。
3. 3. 2 　動態(tài)分析方法
海底管道穩(wěn)定性動態(tài)分析的基本原理是:將波浪作為周期性動力荷載作用在海管上。海管在波浪荷載
的作用下,在海床上發(fā)生往復(fù)運動。海管的這種運動對海床土壤產(chǎn)生擾動,而這種擾動使海床土壤的抗力大
大降低,海管就在這種海床上逐步下沉。當(dāng)海管下沉到一定程度后,波浪—海管—土壤的相互作用將達(dá)到一
種新的平衡[11 ] 。
動態(tài)分析要求以完整的海況過程為條件,而且需要復(fù)雜的計算機程序作為工具,操作起來難度較大。為
了適應(yīng)工程評估的需要,在動態(tài)分析的基礎(chǔ)上,美國天然氣協(xié)會和DNV 等機構(gòu)同時提出了各自的半動態(tài)分
析方法。
3. 3. 3 　半動態(tài)分析方法
海底管道穩(wěn)定性的半動態(tài)分析是忽略動態(tài)分析中次要因素,將主要因素的影響制成表格,將相應(yīng)數(shù)據(jù)代
入靜態(tài)的分析公式中進行計算。
目前,國際上流行2 種方法:一種是以DNV2RP2F109[12 ] 為基礎(chǔ)的分析方法;另一種是按照美國天然氣
協(xié)會開發(fā)的穩(wěn)定性計算機程序中L EVEL 2 進行的分析方法。
DNV 的方法是將實驗得到的各種數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)制成圖表,來表示波浪—海管—土壤之間
的相互作用關(guān)系,利用這些圖表確定相關(guān)參數(shù),把這些參數(shù)代入靜態(tài)分析公式,計算出海管的穩(wěn)定性。
美國天然氣協(xié)會開發(fā)的計算機程序分析步驟為:1) 用5 種波高模擬設(shè)計海況生成前4h 的海況,海管在
這種海況下發(fā)生下沉,計算出海管的下沉量;2) 用4 種波高模擬設(shè)計海況生成后3h 的海況,用這種海況條
件計算出水動力;3) 根據(jù)土壤數(shù)據(jù)及海管下沉量計算出土壤的阻力;4) 將上述結(jié)果代入靜態(tài)分析公式,求
出海管的穩(wěn)定性[ 11 ] 。
DNV 方法與美國天然氣協(xié)會方法雖然不同,但得到的結(jié)果比較接近。在大多數(shù)場合下,DNV 方法比美
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國天然氣協(xié)會方法略為保守些。
3. 4 　海管整體屈曲評估
海管有時會因為操作溫度和壓力引起的軸向壓縮力而向上或向側(cè)向發(fā)生屈曲,屈曲會引起海管嚴(yán)重過
應(yīng)力[ 13 ] 。DNV2RP2F110[14 ] 給出了海管處于如下3 種工況下的整體屈曲評估方法:1) 海管放置在平整的海
床上,此時海管發(fā)生側(cè)向屈曲;2) 海管放置在不平整的海床上,此時海管由于出現(xiàn)懸跨,首先發(fā)生豎向屈曲,
然后發(fā)生側(cè)向屈曲;3) 海管全部或部分埋設(shè)到海床土壤中,此時發(fā)生所謂的巨變屈曲。
DNV2RP2F110 中的評估方法考慮海管- 土壤相互作用以及各種不同的邊界條件的影響。
3. 5 　海管局部屈曲評估
當(dāng)海管安裝到深海海底時,海管外的靜水壓力將非常大,此時便出現(xiàn)了外部過壓導(dǎo)致海管局部屈曲的問
題[15 ] 。另外海管內(nèi)壓、軸力和彎矩也同時影響著海管局部屈曲的發(fā)生。DNV2OS2F101 2007[8 ] 中給出了以
下3 種局部屈曲工況的評估方程:1) 只有外部過壓引起的海管局部屈曲工況;2) 海管局部屈曲傳播工況;3)
同時受外部過壓、內(nèi)壓、軸力、彎矩作用時,海管的局部屈曲工況;
在工況3) 的評估中,DNV2OS2F101 2007 分別給出了荷載控制條件和位移控制條件下的評估方程,評
估方程考慮了多種荷載組合方式。
4 　結(jié)論
我國已有近1/ 3 的海管進入中后期服役階段,海管的安全問題日益突出。對海管進行安全狀態(tài)評估是
保證海管安全運營的重要手段,同時是制定海管檢修方案、進行延壽決策以及擬定報廢條件的重要依據(jù)。安
全狀態(tài)評估技術(shù)國外已研究多年,并累積了豐富的經(jīng)驗。美國、英國以及DNV 都投入了大量資金進行研
究,并相繼出臺了自己的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),其中DNV 的標(biāo)準(zhǔn)最為詳細(xì)和完整,它是我國安全狀態(tài)評估研究很好
的參考和借鑒。
參考文獻(xiàn)
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樹木擁有綠色,地球才有脈搏。
·20 · 中 國 海 洋 平 臺 　　　　　　　　　　　　　　　第 24 卷 　第 1 期

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