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海底管道安全状态评估技术综述

文档作者：张敬安董欣红侯立群文档来源：中海石油技术检测(中心) 有限公司		点击数：	更新时间： 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
中国海洋平台
CHINA OFFSHORE PLATFORM
Vol . 24 No. 1
Feb. ,2009
收稿日期: 2008207223
作者简介: 张敬安(19642) ,男,长期从事海底管道检测及评估工作。
文章编号:100124500 (2009) 0120015206
海底管道安全状态评估技术综述
张敬安, 　董欣红, 　侯立群
(中海石油技术检测(中心) 有限公司,天津300452)
　　摘　要: 综述海底管道安全状态各项评估的国内外研究现状。基于美、英及挪威船级社DNV 标准,给出
了国际上各项评估的主流方法,以期能为海底管道安全状态评估技术的应用提供参考。
关键词: 海底管道;安全状态评估;缺陷评估
中图分类号: TE54 　　　文献标识码: 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(简称海管) 承担着输送海底油气资源的重要任务,是海上油气田的生命线。中海石油总公司
现有海管138 条(总长约3217km) ,其中早期铺设的海管已进入中后期服役阶段,未来5 年将会有37 条海管
超期服役,随着海油开发速度的加快,新增及超期服役海管数量不断增加。这些超期服役的海管在长期运行
期间经受着各种荷载。环境侵蚀、材料老化、荷载作用、疲劳及突变效应等因素的影响势必导致海管系统的
损伤积累和抗力衰减,从而在极端情况下还可能引发事故。因此,我们务必正确了解目前海管在海底的实际
状况、对其安全状态和安全服役寿命进行评估和预测,从而将海管失效引起的风险控制在可接受的范围内,
以较低的成本保证海管安全运行并使海上石油正常开采。
目前国外在海管安全状态评估方面的研究和实践已开展多年,取得了很多成果,其中最有代表性的研究
机构挪威船级社(DNV) 基于大量的研究和实践已编制了完整的海管系统安全状态评估标准及其方法,这些
标准与方法是我国开展海管系统安全状态评估技术研究的宝贵资料。
我国在陆地管道的安全状态评估方面已进行了多年研究,中石油西安管材研究所和廊坊管道局在陆地
管道风险评估方面已形成了比较系统的评估方法,并开发了相应的评估软件,从而取得了较显著的经济效益
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和社会效益。但国内海底管道安全状态评估技术方面的研究则处于起步阶段,中海石油技术检测中心是国
内第一家进行海管安全状态及风险评估的机构。本文仅对海管安全状态评估方面进行综述。
1 　海管安全状态评估技术内涵
所谓海管安全状态评估,就是基于海管的设计数据、运行数据、各种变更数据以及当前的检测数据,对海
管的安全状态作出评价和判断。
海管评估、海管设计和设计校核所基于的理论本质上是一致的,只是过程和目的不同。所谓海管设计,
就是依据工艺要求和海管运输、施工、运行各过程中所承受的各种荷载情况,确定海管材料、路由、直径及壁
厚。所谓设计校核,就是确定已设计好的海管是否满足工艺要求和具有足够抵抗所有荷载的能力。评估与
设计校核很相似,但仍有差别。评估是判断已投产运行了较长时间的海管在其本身改变和其所受荷载而改
变发生后,是否满足工艺要求和具有足够抵抗所有荷载的能力。海管本身的改变主要指海管出现腐蚀、裂
纹、疲劳损伤或其它损伤,所受荷载而改变主要指海管运行压力、路由、悬跨长度、及所在海域的风、波浪、海
流、浮冰等海况的统计数据的改变等。设计校核还包括施工过程的校核,而评估只针对运行过程。设计校核
针对的是无缺陷海管,评估针对的是有缺陷海管。
海管评估要基于海管的各项数据,这些数据主要包括:1) 海管设计、施工、运行、变更、维护等过程中的基
础性数据以及各类环境数据,这些基础数据的收集和整理是非常重要的,目前中海石油技术检测公司在这方
面已做了大量的基础性工作,并已开始建立基于GIS 的海管信息系统来管理这些数据;2) 当前海管状况及
其所处环境状况的检测数据,即当前海管本身及其所受荷载而改变后的检测数据,它是评估所需要的关键数
据。因此没有检测就没有评估,检测是评估的基础,评估是检测的目的。
针对海管本身改变的评估包括腐蚀缺陷评估和裂纹缺陷评估。针对海管所受荷载而改变的评估包括内
承压状态评估、自由悬跨评估、底部稳定评估、整体屈曲评估与局部屈曲评估。图1 给出了海管安全状态评
图1 　海管安全状态评估分类和对应的标准
估的分类情况和各类评估标准及其方法。下面对各类评估
技术进行具体介绍。
2 　海管缺陷评估的主流做法
2. 1 　海管腐蚀缺陷评估
海管腐蚀是造成海管失效的重要原因,海管腐蚀评估
是海管安全状态评估的重要组成部分。腐蚀缺陷主要为体
积型缺陷。目前国际上针对腐蚀缺陷评估的主流标准有
DNV2RP2F101[1 ] 、ASME B31G[2 ] 、PCORRC[3 ] 。其中
ASME B31G标准偏保守,适用于X52 以下的中低轻度钢;
DNV2RP2F101 比前者保守性低,适用于X652X80 范围内
的中高强度钢; PCORRC 保守性与DNV2RP2F101 相当,适
用于X522X70 范围内的中高强度钢。下面主要介绍DNV2
RP2F101 给出的腐蚀评估方法。
DNV2RP2F101 不但考虑了内压,且还考虑了海管所受的轴向和弯曲载荷。它提供了两种腐蚀缺陷评
价方法:分项安全系数法和许用应力法,这两种方法的区别是安全准则不同。分项安全系数法中的安全准则
是根据DNV 近海标准DNV2OS2F101 2007 和海底管道系统标准来确定的。该方法使用了概率修正方程—
分项安全系数来确定腐蚀管道的许用操作压力;许用应力法是根据许用应力设计(ASD) 标准,将计算出的
腐蚀缺陷的失效压力乘以海管的强度设计系数。对于许用应力法中缺陷尺寸的不确定性,需要计算者自行
判断。分项安全系数法考虑了腐蚀缺陷检测的不确定性和海管材料的不确定性等因素,能更客观地反映海
管存在腐蚀缺陷后的剩余强度。许用应力法未考虑这些不确定性因素,在计算结果精度有所提高后,仍具一
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定的保守性。前者计算过程和测定相对复杂,后者相对简明、便捷,故现场操作人员乐用后者[4 ] 。图2 所示
的是DNV2RP2F101 给出的海管腐蚀缺陷评估的总体流程。
图2 　海管腐蚀缺陷评估总体流程图
2. 2 　海管裂纹缺陷评估
海管是典型的焊接钢结构,焊接接头往往
会发生组织结构劣化而存在各种缺陷。在焊
接缺陷处存在的应力集中往往是使缺陷处成
为裂纹的源头。当海管受到较大负载或其自
身材料的韧性不足时,往往会导致裂纹的失稳
扩展,从而使管道在接头处发生断裂,造成突
发性甚至灾难性的事故。另外母材本身由于
制作和施工中的各种因素也可能造成裂纹缺
陷。因此海管裂纹缺陷评估也是海管安全状
态评估的重要组成部分。
目前针对金属裂纹缺陷评估的主流标准
有:英国的BS 7910[ 5 ] 和欧共体的SIN TAP[6 ] ,
二者都以“合而使用”为原则,并以断裂力学为
基础。BS 7910 标准采用失效评定图FAD 法,
SIN TAP 采用FAD 法和裂纹推动力CDF
法[7 ] 。二者评估的基本思想是一致的,只是在
FAD 坐标值计算上存在差异,从而导致两种
评估方法的保守性存在一些差异。下面介绍
BS 7910 给出的裂纹缺陷评估方法。
BS 7910 主要给出了以下几个方面的评估
内容:
1) 裂纹区抗断裂能力评估(简称断裂评
估) ;2) 裂纹区疲劳寿命评估(简称疲劳评估) ;
3) 蠕变条件下的裂纹极限尺寸评估(简称蠕变
评估) ;4) 由裂纹导致的其它失效模式评估(简
称其它评估) 。
其中断裂评估分为3 个级别:一级简单评
定、二级常规评定和三级延性撕裂评定。每种评定采用的方法大致相似。一级评定程序为最简单的评定方
法,适用于材料性能数据有限时;二级评定为常规评定方法;三级评定为最高级别评定方法,主要是对高应变
硬化指数的材料或需要分析裂纹稳定撕裂断裂时,才考虑使用此方法,对于常用的焊接结构用钢,一般不采
用此方法评定。对于一级评定认为不可以接受的缺陷,需在提高输入数据质量的前提下继续进行验证,或者
在满足要求的条件下应用更高级别的评定标准进一步加以验证。图3 给出了海管裂纹缺陷抗断裂能力评估
的总体流程。
3 　海管状态评估的主流做法
3. 1 　承压状态评估
海管的主要功能是输送海上平台开采的油气资源。油气介质在海管内流动时需要一定的工作压力,如
遇一些偶然情况,工作压力还会增大,因此海管需要具有一定的承受内压的能力。承压评估就是通过静水压
试验以及分析计算的方式判断海管目前的承压能力。
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图3 　海管裂纹缺陷抗断裂能力评估总体流程图
承压评估最直
接的方法就是在停
产后对海管进行静
水压试验,不过这种
方法费用很高,不到
极为必要时不推荐
采用。在通常情况
下,我们采用分析计
算的方式。
DNV2OS2F101
2007[ 8 ] 中给出了基
本的海管承压状态
的评估公式1 :
Plx
2Pe ≤ Pb ( t)
γmγSC
(1)
式中: Plx 为管壁局
部偶然内压; Pe 为
海管外压; Pb ( t) 为
海管承压抗力值; γ
m ,γSC 为材料抗力系
数,安全等级抗力系
数;
其中海管承压
抗力值Pb ( t) 由式2 和式3 给出:
Pb ( t) = 2t
D2t
f c b
2
3
(2)
f c b = min ( f y ;
f u
1. 15
) (3)
式中: t 为海管壁厚; D 为海管直径; f c b , f y , f u 为海管材料的特征强度,屈服强度,极限抗拉强度;
承压评估还需要考虑海管所受的轴力、弯矩以及腐蚀导致的壁厚减薄。
3. 2 　海管自由悬跨评估
由于海底的凹凸不平,以及各种冲刷、水蚀及海床运动,海管很可能出现自由悬跨[9 ] 。悬跨的海管将面
临两个主要问题:a) 静力强度问题;b) 涡激振动导致的疲劳失效问题。自由悬跨评估就是判断海管在出现
悬跨时是否出现上述问题。
流体在海管两侧绕流时,会在海管后面形成漩涡脱落,漩涡脱落对海管具有一定频率的动力作用。当漩
涡脱落的激振频率与海管的固有频率接近时,海管就会发生强烈振动,我们称之为涡激振动。涡激振动的强
度取决于漩涡脱落的强度以及漩涡脱落频率与海管固有频率的接近程度。涡激振动的最主要问题就是疲劳
问题。DNV2RP2F105[10 ] 给出是否需对涡激振动及波浪导致海管的疲劳问题进行详细疲劳寿命计算的判断
准则,其判别公式由式4 、式5 、式6 给出。
海管同向振动的固有频率需满足:
f n, IL
γIL
>
Uc ,100year
V IL
R ,onset ·D
12 L / D
250 ·1α
(4)
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　　海管横向振动的固有频率需满足:
f n, CF
γCF
>
Uc ,100year + Uw ,1 year
V CF
R ,onset ·D
(5)
　　直接波浪作用下的判别标准:
α
=
Uc ,100year
Uw ,1year + Uc ,100year
> 2
3
(6)
式中: f n, IL 为海管同向自振固有频率; f n, CF 为海管横向自振固有频率;Uc ,100year 为海管位置上100 年一遇的海
流速度;Uw ,1 year 为1 年一遇的由波浪引起的海管位置上的流速;V IL
R ,onset 为初始单向涡放流速;V CF
R ,onset 为初始
交替涡放流速;γIL ,γCF 为分项安全系数。
如海管悬跨满足该标准时,则可认定海管具有50 年的疲劳寿命,那么,只需依据DNV2OS2F101 2007[8 ]
的规定进行极限强度校核(ULS) ,无须进行疲劳校核;如果不满足该标准,则需要对海管进行基于S2N 曲线
和miner 线性累计损伤理论的疲劳寿命验算。
3. 3 　海管底部稳定性评估
判断海管在海床上的稳定性是海管评估的一项重要内容。海管稳定性分析的方法主要分为:静态分析、
动态分析、半动态分析。
3. 3. 1 　静态分析方法
静态分析方法是一种传统方法,偏于保守。它通过分析海管在自身重力W 、波浪和海流产生的阻力FD 、
升力FL 、惯性力Fi 以及土壤的摩擦力Fr 共同作用下是否保持静态平衡来评定海管的稳定性。式7 和式8
给出了判断海管静力稳定性的平衡方程:
FD + Fi
2Fr
2W sinθ = 0 (7)
N + FL
2Wcosθ = 0 (8)
　　静力分析方法对波浪—海管—土壤的联合作用分析不够,而仅用一个简单的摩擦因数来描述海管—土
壤相互作用,显然准确性不够。
3. 3. 2 　动态分析方法
海底管道稳定性动态分析的基本原理是:将波浪作为周期性动力荷载作用在海管上。海管在波浪荷载
的作用下,在海床上发生往复运动。海管的这种运动对海床土壤产生扰动,而这种扰动使海床土壤的抗力大
大降低,海管就在这种海床上逐步下沉。当海管下沉到一定程度后,波浪—海管—土壤的相互作用将达到一
种新的平衡[11 ] 。
动态分析要求以完整的海况过程为条件,而且需要复杂的计算机程序作为工具,操作起来难度较大。为
了适应工程评估的需要,在动态分析的基础上,美国天然气协会和DNV 等机构同时提出了各自的半动态分
析方法。
3. 3. 3 　半动态分析方法
海底管道稳定性的半动态分析是忽略动态分析中次要因素,将主要因素的影响制成表格,将相应数据代
入静态的分析公式中进行计算。
目前,国际上流行2 种方法:一种是以DNV2RP2F109[12 ] 为基础的分析方法;另一种是按照美国天然气
协会开发的稳定性计算机程序中L EVEL 2 进行的分析方法。
DNV 的方法是将实验得到的各种数据和数值模拟得到的数据制成图表,来表示波浪—海管—土壤之间
的相互作用关系,利用这些图表确定相关参数,把这些参数代入静态分析公式,计算出海管的稳定性。
美国天然气协会开发的计算机程序分析步骤为:1) 用5 种波高模拟设计海况生成前4h 的海况,海管在
这种海况下发生下沉,计算出海管的下沉量;2) 用4 种波高模拟设计海况生成后3h 的海况,用这种海况条
件计算出水动力;3) 根据土壤数据及海管下沉量计算出土壤的阻力;4) 将上述结果代入静态分析公式,求
出海管的稳定性[ 11 ] 。
DNV 方法与美国天然气协会方法虽然不同,但得到的结果比较接近。在大多数场合下,DNV 方法比美
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国天然气协会方法略为保守些。
3. 4 　海管整体屈曲评估
海管有时会因为操作温度和压力引起的轴向压缩力而向上或向侧向发生屈曲,屈曲会引起海管严重过
应力[ 13 ] 。DNV2RP2F110[14 ] 给出了海管处于如下3 种工况下的整体屈曲评估方法:1) 海管放置在平整的海
床上,此时海管发生侧向屈曲;2) 海管放置在不平整的海床上,此时海管由于出现悬跨,首先发生竖向屈曲,
然后发生侧向屈曲;3) 海管全部或部分埋设到海床土壤中,此时发生所谓的巨变屈曲。
DNV2RP2F110 中的评估方法考虑海管- 土壤相互作用以及各种不同的边界条件的影响。
3. 5 　海管局部屈曲评估
当海管安装到深海海底时,海管外的静水压力将非常大,此时便出现了外部过压导致海管局部屈曲的问
题[15 ] 。另外海管内压、轴力和弯矩也同时影响着海管局部屈曲的发生。DNV2OS2F101 2007[8 ] 中给出了以
下3 种局部屈曲工况的评估方程:1) 只有外部过压引起的海管局部屈曲工况;2) 海管局部屈曲传播工况;3)
同时受外部过压、内压、轴力、弯矩作用时,海管的局部屈曲工况;
在工况3) 的评估中,DNV2OS2F101 2007 分别给出了荷载控制条件和位移控制条件下的评估方程,评
估方程考虑了多种荷载组合方式。
4 　结论
我国已有近1/ 3 的海管进入中后期服役阶段,海管的安全问题日益突出。对海管进行安全状态评估是
保证海管安全运营的重要手段,同时是制定海管检修方案、进行延寿决策以及拟定报废条件的重要依据。安
全状态评估技术国外已研究多年,并累积了丰富的经验。美国、英国以及DNV 都投入了大量资金进行研
究,并相继出台了自己的规范和标准,其中DNV 的标准最为详细和完整,它是我国安全状态评估研究很好
的参考和借鉴。
参考文献
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树木拥有绿色,地球才有脉搏。
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