基于風(fēng)險(xiǎn)檢查的海洋立管腐蝕失效分析

龔凡明，余建星，郝曉楠，柴 松，景海泳，張貴珍

（天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；建筑工程學(xué)院，天津300072）＊

立管是連接海底管線和海上平臺(tái)或者FPSO的重要設(shè)施，對(duì)深水油氣開(kāi)采具有重大作用［1］。近年來(lái)，發(fā)生了多起立管腐蝕失效事故，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞［2－3］。因此，對(duì)海洋立管腐蝕失效進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)分析是非常必要的。

但是，不能為了減小風(fēng)險(xiǎn)而盲目地進(jìn)行檢查，這樣會(huì)造成不必要的檢查，不符合經(jīng)濟(jì)性的要求［4］。因此，需要確定何時(shí)需要進(jìn)行檢查，檢查什么部位，何時(shí)進(jìn)行維修［5］。本文采用風(fēng)險(xiǎn)檢查方法對(duì)立管腐蝕失效進(jìn)行分析，制定既滿足安全性要求又滿足經(jīng)濟(jì)性要求的檢查計(jì)劃。

1 立管的腐蝕失效類型

立管的失效模式可以分為內(nèi)部腐蝕、外部腐蝕2種失效模式，同一失效模式下也存在不同的失效類型。

1） 內(nèi)部腐蝕 內(nèi)部腐蝕是在生產(chǎn)過(guò)程中管壁變薄的主要原因，腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的類型，取決于立管內(nèi)產(chǎn)品組成、使用的水的類型、操作工況等因素。其失效類型分為3類：①CO2腐蝕；②清理用水腐蝕；③微生物腐蝕。

2） 外部腐蝕 外部腐蝕主要是由于海水或者空氣引起的，根據(jù)立管外部防護(hù)情況可以分為3種失效類型：①無(wú)隔離層，且無(wú)防護(hù)層情況下的外部腐蝕；②無(wú)隔離層，但有防護(hù)層情況下的外部腐蝕；③有隔離層情況下的外部腐蝕。

2 腐蝕失效概率計(jì)算方法

立管腐蝕失效概率隨時(shí)間的增加而變化，在初始缺陷的測(cè)量、腐蝕率的確定以及實(shí)際操作壓力方面都存在一定的不確定性，可以采用可靠性的方法計(jì)算立管在此失效類型下的失效概率。

2.1 缺陷增長(zhǎng)率的評(píng)估方法

在不同的失效類型下，缺陷的增長(zhǎng)率將不同，用腐蝕率表示其腐蝕速度。不同失效類型的腐蝕率確定方法如下：

1） CO2腐蝕 CO2腐蝕率的計(jì)算可以參照挪威石油標(biāo)準(zhǔn)化組織（NORSOK）的 M－506文件［6］，此計(jì)算模型是對(duì)處于不同溫度、pH值、CO2濃度和管壁剪切力情況下碳鋼管CO2腐蝕率的計(jì)算。

2） 清理用水腐蝕 清理用水引起的腐蝕速率隨著流速、氧氣含量和溫度的增加而增大，并且與水的類型相關(guān)，具體數(shù)值可以參考DNV－RP－G101附錄 B［7－8］。

3） 微生物腐蝕 微生物腐蝕一般發(fā)生在存在厭氧碳水化合物系統(tǒng)的碳鋼管中，其造成的內(nèi)部腐蝕失效概率與清理用水的類型、管壁厚度有關(guān)，具體數(shù)值可以參考DNV－RP－G101附錄B。

4） 無(wú)隔離層且無(wú)防護(hù)層的情況下外部腐蝕由于未隔離的碳鋼管暴露在海洋環(huán)境中，容易發(fā)生外部腐蝕。腐蝕率會(huì)隨著溫度的增加和外部防護(hù)層的損壞而減小，未隔離且無(wú)防護(hù)層的碳鋼管的外部腐蝕率是溫度的函數(shù)，具體數(shù)值可以參考DNV－RPG101附錄B。

5） 無(wú)隔離層但有防護(hù)層情況下的外部腐蝕與未隔離且無(wú)防護(hù)層的立管相比，防護(hù)層可以對(duì)腐蝕起到大的減輕效果，該減輕效果可以用（100－覆蓋率）／100表示，稱為減小因子。在計(jì)算時(shí)，必須考慮防護(hù)層的覆蓋率隨時(shí)間的變化，如果進(jìn)行過(guò)維修，需要特殊考慮。

6） 有隔離層情況下的外部腐蝕 當(dāng)隔離層存在孔隙時(shí)，海水將通過(guò)孔隙進(jìn)入隔離層，對(duì)立管的外壁造成破壞。腐蝕率隨著進(jìn)入的海水量和溫度的增加而增加，腐蝕率的具體值可以參考DNV－RPG101附錄B。

2.2 極限狀態(tài)函數(shù)的確定方法

在存在缺陷的情況下，采用DNV推薦的破裂模型計(jì)算立管的極限壓力。

立管承受的載荷為內(nèi)部操作壓力pop，其標(biāo)準(zhǔn)差一般取為0.05。

其極限狀態(tài)函數(shù)為

式中：pcapacity為含缺陷立管的極限承載壓力，pop為立管內(nèi)部操作壓力。

2.3 失效概率的計(jì)算方法

根據(jù)極限狀態(tài)函數(shù)，可以采用改進(jìn)的一次二階矩法計(jì)算立管的失效概率［9］，即

3 檢查計(jì)劃的制定方法

在制定檢查計(jì)劃之前，需要確定立管的可接受失效概率值。可接受的立管失效概率值與立管內(nèi)產(chǎn)品類型有關(guān)。根據(jù)立管所在區(qū)域以及其人工操作情況。立管的安全等級(jí)為高［7］，其可接受的最大失效概率值定為10－5。因此，當(dāng)失效概率將要超越10－5時(shí)，需要對(duì)立管進(jìn)行檢查或者維修，檢查和維修主要針對(duì)缺陷處。

應(yīng)該把最新的檢查結(jié)果作為制定下次檢查計(jì)劃的信息，把分析流程再完成1次，以確定再次檢查的時(shí)間和位置。因此，風(fēng)險(xiǎn)檢查方法是一個(gè)循環(huán)的反饋過(guò)程，可以根據(jù)最新的檢查信息及時(shí)、準(zhǔn)確地更新檢查計(jì)劃。

4 分析實(shí)例

本文以CO2腐蝕失效類型為例，確定立管的檢查計(jì)劃。

4.1 立管相關(guān)數(shù)據(jù)

立管和檢查報(bào)告相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 立管相關(guān)數(shù)據(jù)

4.2 腐蝕率

根據(jù)以上立管的詳細(xì)數(shù)據(jù)，參照NORSOK M－506文件中CO2腐蝕率的計(jì)算方法，計(jì)算出4個(gè)參數(shù)：

式中：Kt為溫度系數(shù)；fCO2為 CO2揮發(fā)系數(shù)；f（pH）t為pH系數(shù)；S為管壁剪切力。

因此，年腐蝕量計(jì)算結(jié)果為

其標(biāo)準(zhǔn)差取為0.01mm／a。

4.3 失效概率

由于最后1次檢查時(shí)間是2009年，可以計(jì)算T年后的新缺陷尺寸。

極限狀態(tài)函數(shù)為

其中，σu＝1.09σs＝1.09×550＝599.5MPa。

正態(tài)分布變量Ymodel均值為1，變異系數(shù)為0.1。d0服從均值為7.2mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.174mm的正態(tài)分布。L0服從均值為68mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.174 mm的正態(tài)分布。C服從均值為0.18mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.01mm的正態(tài)分布。pop服從均值為8MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.05MPa的正態(tài)分布。

采用改進(jìn)的一次二階矩法計(jì)算立管的失效概率，編制Matlab程序，可以計(jì)算出立管的失效概率曲線，如圖1所示。

圖1 立管失效概率隨時(shí)間變化曲線

4.4 檢查計(jì)劃

根據(jù)圖1，可以確定需要在2016年對(duì)立管的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢查和維修，重點(diǎn)檢查部位是2009年檢查到的缺陷處。此外，應(yīng)該將檢查結(jié)果進(jìn)行反饋，進(jìn)行下一次檢查計(jì)劃的制定。

5 結(jié)論

1） 風(fēng)險(xiǎn)檢查方法可以為立管制定最佳檢查計(jì)劃，其檢查計(jì)劃是在風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果基礎(chǔ)上，參照立管失效概率的可接受準(zhǔn)則制定的。檢查計(jì)劃能確定最合理的檢查時(shí)間和最需要檢查的位置，既可以滿足安全要求，又可以避免不必要的檢查。

2） 本文提出的風(fēng)險(xiǎn)檢查方法成功應(yīng)用到立管腐蝕失效中，對(duì)于水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的其他管線的腐蝕失效，可以參考本文的風(fēng)險(xiǎn)檢查方法制定檢查計(jì)劃。

［1］宋青武.海洋立管風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與安全措施研究［D］.天津：天津大學(xué)，2009.

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

［3］張長(zhǎng)智，王桂林.深水開(kāi)發(fā)中的幾種新型混合生產(chǎn)立管系統(tǒng)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（9）：20－25.

［4］孫 粲，謝發(fā)勤.油鋼管的CO2和H2S腐蝕及防護(hù)技術(shù)進(jìn)展［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)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.船舶與海洋結(jié)構(gòu)物可靠性原理［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2001：18－23.