海底管道安全風險評估技術(shù)的研究現(xiàn)狀

周子鵬 鄭羽 何崇韜

【摘要】海底管道是敷設(shè)在水下或埋于海底一定深度的輸送石油、天然氣、水等的管道，是海洋石油的生命線。如果沒有合理的安全風險評估技術(shù)以及有效的防治措施，將會造成海底管道的堵塞或管道的破裂，不但嚴重影響海上油田的正常生產(chǎn)，還會造成嚴重的海洋環(huán)境污染。因此，必須有效的預(yù)測海底管道安全風險，合理的評估海底管道安全風險，防止海底管道安全事故的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】海底管道 安全風險 風險評估

海底管道是海上油氣集輸?shù)闹饕侄?，負責海洋石油平臺與平臺之間、平臺與陸地之間的石油、天然氣和水等介質(zhì)的輸送。按照設(shè)施名稱可劃為海上油田內(nèi)部的油/氣集輸管道和注水管道、海上油田至陸地的輸油/氣管道、陸地到海上系泊裝置間的海底管道以及島嶼間海底管道等。

1 海底管道的安全風險因素

海底管道經(jīng)受自重、管內(nèi)介質(zhì)、內(nèi)壓、外部水壓等工作載荷，以及風、浪、流、冰和地震等環(huán)境載荷的作用。因而，海底管道存在腐蝕失效、懸跨疲勞失效、第三方破壞等多種失效模式。海底管道工程的危險因素主要由以下3部分組成：

（1）海底管道自身固有安全風險；（2）海底管道生產(chǎn)運行過程中的風險；（3）自然環(huán)境及第三方引起的安全風險。

1.1 海底管道自身固有安全風險

海底管道工程以下幾類固有安全風險：①輸送介質(zhì)的安全風險；②管道系統(tǒng)選型安全風險；③鋪管施工質(zhì)量風險；④焊接瑕疵引起的安全風險；⑤海管材質(zhì)瑕疵等。通常認為管道失效往往依賴于管道材料、管道結(jié)構(gòu)尺寸、管道周圍的環(huán)境條件、操作條件以及相應(yīng)的保護措施等。

1.2 海底管道生產(chǎn)運行過程中的安全風險

海底管道生產(chǎn)運行過程中的同樣存在著各種安全風險，重要可以分為以下幾類：

管道腐蝕。海底管道內(nèi)部的輸送介質(zhì)造成腐蝕，如二氧化碳造成的均勻腐蝕和局部腐蝕、硫化氫的應(yīng)力腐蝕開裂、磨損腐蝕、微生物腐蝕等。護管保護層損壞，海生物。

管道堵塞。原油管道停輸后，管線中的原油不斷冷卻，段塞流堵塞管線；管線中的天然氣停輸后，在一定壓力條件下，將形成水化物，也會堵塞管線，從而給管線再啟動帶來困難。

疲勞失效。服役中的海底管道由于管道振動、流體流動作用、懸跨等情況均可能導(dǎo)致疲勞裂紋擴展和斷裂。

1.3 自然環(huán)境及第三方引起的安全風險

海底管道在施工和服役期間，自然條件的變化以及其他海上資源的活動都是海底管道潛在的安全風險。

自然環(huán)境。潮汐及海流沖刷對管道覆蓋層影響，造成海底管道覆蓋層厚度降低甚至覆蓋層消失，造成海底管道架空產(chǎn)生管道懸跨。海水會在管道支座和卡箍等位置積聚，加快未保溫管道的腐蝕速率^[2]。

船舶。對海底管道有影響的各種作業(yè)（挖泥、拋錨、炸魚或海底爆破等）的船舶資源活動。

海洋平臺等落物撞擊海底管道的安全風險。

2 海底管道的安全風險評價方法

2.1 腐蝕管線的安全評估

目前針對腐蝕管線剩余強度的分析主要應(yīng)用ANSYS軟件，對腐蝕管線的剩余強度進行彈性和非線性有限元分析，分析考慮了內(nèi)腐蝕和外腐蝕兩種情況，非線性分析中考慮了材料非線性和幾何非線性?；谝欢ǖ氖蕜t，根據(jù)有限元分析的結(jié)果對各模型的失效壓力進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果和ASME B31G準則的結(jié)果進行對比分析，可以得出以下結(jié)論：

彈性有限元分析結(jié)果表明，彈性分析結(jié)果具有很大的保守型，用于腐蝕管線剩余強度的分析室不合適的。

用非線性有限元方法對腐蝕管線剩余強度進行評估師可行的。

彈性分析和非線性分析結(jié)果都表明，腐蝕的尺寸影響管線的剩余強度，其中深度有較大影響，腐蝕的寬度也有一定影響。

腐蝕的尺寸是影響管線剩余強度的主要因素，內(nèi)外腐蝕沒有太大的區(qū)別，可以采用相同的方法進行評估。

2.2 淺海服役管道壽命評定

海底管道的使用壽命收到多種復(fù)雜因素的影響，需要綜合應(yīng)用多個工程學(xué)科的基礎(chǔ)理論，針對海底管道的不同的服役狀況，應(yīng)建立不同的計算模型，對海底管道的壽命進行評估與預(yù)測。

目前海底管道的結(jié)構(gòu)壽命模型一般分為疲勞壽命模型和復(fù)試失效壽命模型兩種，但對于絕大多數(shù)海底管道來說，疲勞與腐蝕是同時存在的，根據(jù)腐蝕的嚴重程度一般分為出以下三種情況來評估：

對于以疲勞為主的工況，按照常規(guī)疲勞評估方法進行處理。

對于均勻腐蝕比較嚴重的工況，則通過計入腐蝕引起的海管壁厚減薄來考慮其對于盈利以及腐蝕疲勞壽命的影響。

對于以點蝕為主的工況，由于海管為焊接結(jié)構(gòu)，缺陷是難以避免的，建議將腐蝕疲勞過程分為兩個階段，對腐蝕擴展壽命和疲勞裂紋擴展壽命分包進行計算，然后再相加得到總壽命。

2.3 基于DNV標準對落物撞擊海底管道的安全風險評定

海洋平臺吊機起吊貨物以及供貨船舶裝卸物資等作業(yè)活動頻繁，在這些作業(yè)中，難免出現(xiàn)落物事故，海底管道在平臺附近布置密集，很容易受到落物撞擊并造成損傷。DNV提出了一種偶然載荷作用下管線保護的風險評估方法，對于管線受損壞成都、選擇性保護措施、損壞頻率和結(jié)果評估提出了建議。根據(jù)DNV的方法對，并以某平臺海底管道為例，進行了評估計算，獲得了以下結(jié)論：

在DNV推薦的計算方法存在如下的缺陷：沒有給出確定最可能墜落點位置的具體方法，計算不同墜落點會發(fā)現(xiàn)撞擊概率偏差較大；只能得到圓環(huán)內(nèi)管線段的碰撞概率，無法得到任意文職的關(guān)系碰撞概率。這些缺陷可以通過改進計算碰撞概率的方法進行優(yōu)化^[5]。

可以通過概率統(tǒng)計的方法和隨機模擬的手段，采用失效概率定量確定管道在各類落物載荷作用下的各區(qū)域內(nèi)的失效概率和失效后果。從而提高安全風險定量的可信度。

3 結(jié)論

海底管道安全風險評估的主要目的，是最大限度地減少事故發(fā)生率和盡可能地延長海底管道的使用壽命，有效地降低海底管道維護費用。由于海底管道服役的環(huán)境復(fù)雜、多變和惡劣，因此，保證海底管道的安全平穩(wěn)運行是首先需要考慮的問題。運用安全風險評估的理念和基于各種標準和規(guī)定對海底管道進行失效概率分析和失效后果評估，能夠為海底管道的結(jié)構(gòu)完整性管理提供有力的技術(shù)支持。

參考文獻

[1] 元少平.海管安全管理[J].管道技術(shù)與裝備，2008，（06）

[2] 劉明亮，張玉鳳，等.海底管道安全性評定方法的分析[J].焊接學(xué)報.2006，（08）

[3] 丁紅巖，樂叢歡等.落物撞擊作用下海底管道風險評估[J].海洋工程，2010，（01）

作者簡介

周子鵬（1983-），男，遼寧錦州人，工程師，2008年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)就職于海洋石油工程股份有限公司，從事海底管道結(jié)構(gòu)設(shè)計，海底管道工程校核分析，海上采油平臺管道設(shè)計及應(yīng)力分析等工作。