董 勇 趙興元 涂多運(yùn) 邊文娟 郭艷林

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

軟管的應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)70年代后期,多應(yīng)用在相對(duì)良好海洋環(huán)境下。隨著科技快速進(jìn)步,軟管研究取得了豐碩的成果,能適用于惡劣的海洋環(huán)境,在墨西哥灣地區(qū)得到設(shè)計(jì)者的普遍青睞[1]。

軟管的彎曲剛度遠(yuǎn)低于其拉伸剛度,相同承壓下,相對(duì)普通均質(zhì)鋼管,軟管的曲率半徑更小。軟管的特殊結(jié)構(gòu),賦予了其優(yōu)于其他常規(guī)鋼制管道的諸多特殊性能。例如:柔性立管,相比鋼懸鏈線立管,具有固有耐腐蝕性能,方便預(yù)制,能夠存放于卷筒上,運(yùn)輸安裝成本較低,極大縮短施工工期,能夠適應(yīng)海洋順應(yīng)式結(jié)構(gòu)移動(dòng)平臺(tái),允許永久連接海上浮式補(bǔ)給船和海底設(shè)施[1]。

國(guó)外高壓軟管的相關(guān)研究成果可為國(guó)內(nèi)石油天然氣行業(yè)高壓軟管的研發(fā)及使用提供借鑒,加快高壓軟管國(guó)產(chǎn)化步伐,推動(dòng)石油天然氣開發(fā)事業(yè)的發(fā)展。

1 軟管分類及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 軟管分類

軟管管體通常由內(nèi)外密封層和增強(qiáng)層兩大功能層構(gòu)成。

根據(jù)各功能層結(jié)合方式的不同,軟管可劃分為粘結(jié)型軟管和非粘結(jié)型軟管。粘結(jié)型軟管的各功能層通過(guò)硫化工藝處理后成為一體；非粘結(jié)型軟管的各功能層之間存在環(huán)形間隙,各層之間允許相對(duì)滑動(dòng)。粘結(jié)型軟管通常較短,如輸送石油天然氣的粘結(jié)型立管及粘結(jié)型節(jié)流壓井軟管,單根典型長(zhǎng)度一般為30 m[2];非粘結(jié)型軟管相對(duì)較長(zhǎng),單根可達(dá)數(shù)百米,甚至數(shù)公里[3]。

根據(jù)增強(qiáng)層所使用材料的不同,也可將軟管分為兩大類:金屬基軟管(Metal-Based Flexible Pipes)和復(fù)合材料基軟管(Composite-Based Flexible Pipes,FCP)。前者通常僅使用螺旋鋼制材料作為增強(qiáng)層材料;后者通常采用玻璃鋼、芳綸纖維等復(fù)合材料作為增強(qiáng)層材料。通常,復(fù)合材料基粘結(jié)型軟管又被稱增強(qiáng)熱塑性管(Reinforced Thermoplastic Pipes，RTP)[1]。

1.2 軟管相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)已發(fā)布了幾個(gè)公認(rèn)的工業(yè)軟管規(guī)范,涵蓋了從功能定義到安裝方面的要求。20世紀(jì)90年代末期,API標(biāo)準(zhǔn)(API 17J、API 17K及API 17B)重新編排并被收錄為ISO標(biāo)準(zhǔn)。

API 17B“Recommended Practice for Flexible Pipe”是陸上、近海、深海環(huán)境下軟管設(shè)計(jì)使用的總規(guī)范,該規(guī)范適用于粘結(jié)型軟管、非粘結(jié)型軟管及軟管輔助元件的設(shè)計(jì)[4]。

API 17J“Specification for Unbonded Flexible Pipe”僅適用于金屬基非粘結(jié)型軟管的設(shè)計(jì),但明確指出可參照API 17B附錄H對(duì)纖維聚合物增強(qiáng)層進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。

API 17K“Specification for Bonded Flexible Pipe”適用于金屬基及非金屬基粘結(jié)型軟管的設(shè)計(jì)[6]。

API 17L1“Specification for Flexible Pipe Ancillary Equipment”及API 17L2“Recommended Practice for Flexible Pipe Ancillary Equipment”適用于防彎器、彎曲限制器、水下浮標(biāo)等軟管輔助元件的設(shè)計(jì)[7-8]。

API RP 15S“Qualification of Spoolable Reinforced Plastic Line Pipe”僅適用于陸上RTP管設(shè)計(jì),如果應(yīng)用到海洋環(huán)境,需對(duì)軟管進(jìn)行額外設(shè)計(jì)[9]。DNVGL-RP-F 119“Thermoplastic Composite Pipes”適用于海洋環(huán)境RTP管設(shè)計(jì)[10]。

需特別指出,節(jié)流壓井軟管采用API 16C“Choke and Kill Equipment”設(shè)計(jì)[11]。海上低壓卸油軟管(輸送穩(wěn)定原油,設(shè)計(jì)壓力一般為1.5 MPa)一般采用OCIMF(Oil Companies International Marine Forum)指南“Guide to Manufacturing and Purchasing Hoses for Offshore Moorings”設(shè)計(jì)[12]。

另外,設(shè)計(jì)軟管系統(tǒng)時(shí),常需聯(lián)合使用ASME、ASTM、NACE等標(biāo)準(zhǔn)來(lái)處理水動(dòng)力載荷,酸性介質(zhì)判定及完整性管理等相關(guān)要求。

2 軟管結(jié)構(gòu)特性分析及其發(fā)展現(xiàn)狀

非粘結(jié)型軟管結(jié)構(gòu)較粘結(jié)型軟管結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,本文以非粘結(jié)型軟管為例,對(duì)軟管管體及端部接頭結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析,并對(duì)其研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)述。

2.1 軟管管體一般功能層

軟管主要由管體及端部接頭組成。軟管管體通常由骨架層、內(nèi)襯層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層、耐磨層、外保護(hù)層等多層結(jié)構(gòu)組成。其中,骨架層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層主要提供強(qiáng)度;內(nèi)襯層、外保護(hù)層主要用來(lái)密封隔離內(nèi)部輸送流體與外部環(huán)境,防止輸送流體及外界流體(如海水)進(jìn)入環(huán)空層(內(nèi)襯層與外保護(hù)層間的環(huán)形間隙,滲透氣體可以在環(huán)空層自由流通,在端部接頭處實(shí)現(xiàn)密封),腐蝕鎧裝層。非粘結(jié)型軟管典型截面圖見圖1。

2.1.1 骨架層

骨架層一般為軟管的最內(nèi)層,直接與輸送流體接觸,需具備良好的抗腐蝕性能,通常是由扁的不銹鋼帶形成的互鎖結(jié)構(gòu)。

骨架層主要用于防止管道因外壓載荷(如海水靜壓)或環(huán)空層氣體集聚造成內(nèi)襯層壓潰失效。由于軟管內(nèi)襯層一般為聚合物,長(zhǎng)期服役過(guò)程中,烴類流體中的氣相會(huì)通過(guò)內(nèi)襯層緩慢滲透入環(huán)空層,造成氣體集聚。緊急停輸泄壓后,如果沒有骨架層提供支撐,環(huán)空層內(nèi)集聚氣體壓力大于內(nèi)管壓力,會(huì)導(dǎo)致潛在的內(nèi)襯層壓潰事故。

如果管道不輸送含氣流體(如注水管線、化學(xué)藥劑加注管線),軟管環(huán)空層不會(huì)存在氣體集聚,無(wú)壓潰風(fēng)險(xiǎn),設(shè)計(jì)時(shí)可取消骨架層。如果采取了特殊防壓潰措施,無(wú)骨架層軟管也可用于輸送脫氣原油[4]。

2.1.2 內(nèi)襯層

內(nèi)襯層緊貼骨架層,直接與輸送流體接觸。內(nèi)襯層通常由熱塑性材料通過(guò)擠塑成型,主要功能是提供密封,使內(nèi)部輸送流體與環(huán)空層隔離。

2.1.2.1 內(nèi)襯層材質(zhì)選擇

常見的內(nèi)襯層材料有高密度聚乙烯(HDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、交聯(lián)聚乙烯(XLPE)、尼龍(PA-11或PA-12)、聚偏二氟乙烯(PVDF)。選擇內(nèi)襯材料的最主要因素是設(shè)計(jì)溫度。典型內(nèi)襯層材料特性[4]見表1。

表1 典型內(nèi)襯層材料特性

材質(zhì)應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)溫度/℃?zhèn)渥DPE/MDPE輸水、靜態(tài)管-50～65對(duì)烴類敏感,高溫下烴類易被吸收導(dǎo)致性能降低XLPE油、氣、水輸送,靜態(tài)管-50～9090 ℃/10.35 MPa,70 ℃/20.7 MPaPA-11/PA-12無(wú)水環(huán)境、動(dòng)態(tài)管-20～80對(duì)濕度敏感,隨溫度升高,PA-11和PA-12會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)(鏈剪反應(yīng))PVDF烴類環(huán)境-20～130應(yīng)防止增塑劑損失和熱循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致材料永久性收縮,軟管端部?jī)?nèi)襯拔脫,破裂等失效事故

由表1可知,傳統(tǒng)內(nèi)襯層材料最高設(shè)計(jì)溫度為130 ℃。當(dāng)流體輸送溫度在130～200 ℃時(shí),應(yīng)選用非傳統(tǒng)內(nèi)襯層材質(zhì),設(shè)計(jì)時(shí)按API 17TR1“Evaluation standard for internal pressure sheath polymers for high temperature flexible pipes”執(zhí)行性能評(píng)估[13]。

2.1.2.2 內(nèi)襯層氣體滲透量計(jì)算

聚合物的固有屬性,決定了內(nèi)襯層兩側(cè)必然存在流體的緩慢滲透。例如:CO2、H2、H2S、水蒸氣、CH4等小分子氣體會(huì)通過(guò)內(nèi)襯層緩慢進(jìn)入環(huán)空層,水蒸氣冷凝后與酸性氣體介質(zhì)結(jié)合會(huì)產(chǎn)生腐蝕環(huán)境,腐蝕鎧裝層。若外保護(hù)層破損,導(dǎo)致海水進(jìn)入環(huán)空層與滲透集聚的酸性氣體結(jié)合,會(huì)加速鎧裝層腐蝕。

軟管內(nèi)襯層氣體滲透量的計(jì)算是環(huán)空層放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ),也是軟管完整性管理的重點(diǎn)。

內(nèi)襯層氣體滲透量可通過(guò)式(1)得出[1]：

(1)

式中:Q為滲透氣體體積,cm3;P為滲透系數(shù),cm3/(cm·s·MPa);A為管道內(nèi)襯有效截面積,cm2;p為內(nèi)襯前后壓差,MPa;t為滲透持續(xù)時(shí)間,s;x為內(nèi)襯厚度,cm。滲透系數(shù)一般與溫度密切相關(guān),表2給出了40 ℃下HDPE的滲透系數(shù)[1]。

表2HDPE滲透系數(shù)(40 ℃下)

滲透氣體HDPE滲透系數(shù)/(cm3·cm-1·s-1·MPa-1)CH41×10-7H2S1×10-7CO25.5×10-7

式(1)表明,相比低壓軟管,高壓軟管滲透效應(yīng)更明顯,氣體滲透量隨管道服役時(shí)間累積。

通過(guò)全尺寸試驗(yàn)是獲取滲透數(shù)據(jù)的理想做法,然而一般情況下滲透是動(dòng)態(tài)過(guò)程,且管道運(yùn)行參數(shù)及流體物性隨時(shí)間變化,不易即時(shí)獲取,可假設(shè)采用設(shè)計(jì)溫度確定滲透系數(shù)(溫度越高,滲透系數(shù)越大),取內(nèi)襯外層濃度為0保守計(jì)算滲透量[1]。

美國(guó)NOV(National Oilwell Varco)公司Marie團(tuán)隊(duì)[14]指出，眾多海洋軟管環(huán)空層H2S實(shí)際含量遠(yuǎn)低于基于傳統(tǒng)環(huán)空模型計(jì)算出的環(huán)空層H2S含量。該團(tuán)隊(duì)提出了基于“H2S消耗理論”的環(huán)空層H2S含量預(yù)測(cè)新模型,5 MPa工況下的全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性,但該團(tuán)隊(duì)未給出5 MPa以上工況模型的預(yù)測(cè)精度。

法國(guó)石油研究院Benjelloun Touimi Z等人[15]開發(fā)了MOLDITM模型,推動(dòng)了軟管設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步。該模型用于計(jì)算環(huán)空層中的集聚氣壓及氣體組成,綜合考慮了滲透率、濃度、壓力等參數(shù)隨時(shí)間的變化,軟管內(nèi)部各功能層幾何尺寸、溫度梯度、管道骨架層對(duì)內(nèi)襯層的屏蔽影響等各種因素。該團(tuán)隊(duì)聲稱其模型預(yù)測(cè)結(jié)果與多個(gè)軟管廠家的內(nèi)襯滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

2.1.3 抗壓鎧裝層

互鎖鋼絲沿管道軸向約90°纏繞于內(nèi)襯層上,即為抗壓鎧裝層,主要用于承受內(nèi)部輸送流體產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力及機(jī)械壓潰載荷,防止抗壓鎧裝層下面的內(nèi)襯層及骨架層承壓后橢圓化。存在橢圓化缺陷的骨架層會(huì)削弱軟管抗壓潰能力[16]。

抗壓鎧裝層的材質(zhì)一般為高強(qiáng)度碳鋼,極限抗拉強(qiáng)度為700～900 MPa。當(dāng)輸送流體為非酸性介質(zhì)時(shí),極限抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 400 MPa;當(dāng)輸送流體為酸性介質(zhì)時(shí),為避免發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕(SSC)及氫致裂紋(HIC),應(yīng)選擇低極限抗拉強(qiáng)度鋼(極限抗拉強(qiáng)度低至750 MPa)或馬氏體不銹鋼[1]。

2.1.4 抗拉鎧裝層

矩形扁鋼沿管道軸向約20°～55°纏繞于耐磨層上,即為抗拉鎧裝層,主要用于承受軟管拉伸載荷及內(nèi)壓?？箟烘z裝層一般成對(duì)出現(xiàn),深海立管由于承受較大拉伸載荷,一般有4個(gè)抗拉鎧裝層。

螺旋鋼帶間的滑移,增加了非粘結(jié)型軟管的彎曲柔性,同時(shí)也增加了鋼帶的磨損和疲勞?；屏颗c纏繞角度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。約55°纏繞角時(shí),軟管可實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)自平衡、環(huán)向壓力及軸向壓力平衡,無(wú)抗壓鎧裝層軟管即采用這種設(shè)計(jì),此時(shí)抗拉鎧裝層同時(shí)承受環(huán)向應(yīng)力[4]。

抗拉鎧裝層的材質(zhì)一般為高強(qiáng)度碳鋼,當(dāng)輸送流體為酸性介質(zhì)時(shí),需考慮耐腐蝕鋼。隨著深海油氣田開發(fā)逐步推進(jìn),動(dòng)態(tài)立管的設(shè)計(jì)催生了復(fù)合材料鎧裝層的出現(xiàn)。相比普通鋼材,復(fù)合材料不僅具有更高抗拉強(qiáng)度(目前碳纖維極限抗拉強(qiáng)度可達(dá)3 000 MPa),而且對(duì)酸性介質(zhì)不敏感[17]。因此,纖維增強(qiáng)材料的出現(xiàn)為抗拉/抗壓鎧裝層的設(shè)計(jì)提供了更多選擇。

2.1.5 耐磨層

耐磨層位于抗拉/抗壓鎧裝層之間,通常為聚合物,用于減小鎧裝層間相對(duì)滑移導(dǎo)致的磨損,同時(shí)保護(hù)鎧裝層鋼絲避免因被壓縮而導(dǎo)致徑向屈曲。耐磨層主要用于動(dòng)態(tài)環(huán)境[4]。

2.1.6 外保護(hù)層

外保護(hù)層可采用內(nèi)襯層同樣的設(shè)計(jì)材料,主要用來(lái)隔離外界環(huán)境,同時(shí)避免軟管在存放、安裝、服役過(guò)程過(guò)程中鎧裝層的機(jī)械損傷。一般情況下,外保護(hù)層應(yīng)涂色,避免聚合物因紫外線照射和大氣中O2接觸產(chǎn)生光-氧降解。

2.2 軟管管體特殊功能層

1)根據(jù)設(shè)計(jì)需求,可單獨(dú)增加軟管某種功能層,如:防火層、保溫層、抗H2S層等。

Lefebvre X等人[18]聯(lián)合Technip公司研發(fā)的第一代抗H2S層(設(shè)計(jì)溫度70 ℃),其緊貼內(nèi)襯層,通過(guò)與內(nèi)襯層滲透出來(lái)的H2S發(fā)生化學(xué)反應(yīng),確保整個(gè)服役期限內(nèi)隔離H2S與環(huán)空層(抗拉/抗壓鎧裝層),避免環(huán)空層產(chǎn)生腐蝕,該設(shè)計(jì)使得輸送酸性流體時(shí),環(huán)空層使用超高抗拉強(qiáng)度碳鋼成為可能，見圖2。

2)根據(jù)設(shè)計(jì)需求,也可對(duì)軟管基本功能層進(jìn)行加強(qiáng)。如圖3,Coflexip軟管[19],對(duì)以下三部分進(jìn)行了加強(qiáng),可應(yīng)用于高壓高溫高酸性氣田井口測(cè)試計(jì)量,評(píng)價(jià)井測(cè)試用軟管性能參數(shù)[19]見表3。

a)骨架層設(shè)置為雙層,可承受井口高壓(103.5 MPa/69 MPa)工況。

b)在外保護(hù)層外部設(shè)置不銹鋼外保護(hù)套,避免機(jī)機(jī)械撞、磨損、風(fēng)化和外界環(huán)境造成的意外損傷。

c)在骨架層內(nèi)部設(shè)置熱塑性內(nèi)管,實(shí)現(xiàn)管道密封,極大程度降低流體滲透,實(shí)現(xiàn)軟管整個(gè)服役期限內(nèi)環(huán)空層氣體不會(huì)對(duì)抗壓鎧裝層造成腐蝕。

圖3 評(píng)價(jià)井測(cè)試用軟管示意圖

表3 評(píng)價(jià)井測(cè)試用軟管性能參數(shù)

設(shè)計(jì)壓力/MPa設(shè)計(jì)溫度/℃內(nèi)徑/mmCO2+H2S酸性介質(zhì)含量/(%)6911050.8/76.2/101.6<506913050.8/76.2/101.6<30103.513050.8/76.2<10

3)根據(jù)設(shè)計(jì)需求,可增加軟管中間保護(hù)層。將內(nèi)襯層及外保護(hù)層中間的環(huán)空層分隔為內(nèi)、外兩個(gè)環(huán)空層,大大降低輸送流體滲透入鎧裝層(外環(huán)空層)的機(jī)會(huì),也避免外保護(hù)層失效海水淹沒內(nèi)環(huán)空層,同時(shí)可兼做耐磨層[20],見圖4。

圖4 中間保護(hù)層軟管示意圖

另外,IPU軟管(Integrated Pipe Umbilical)可實(shí)現(xiàn)電信號(hào)、光纖信號(hào)、供電、加熱等多種功能集成[4]。

2.3 軟管端部接頭

以非粘結(jié)型軟管為例,對(duì)其端部接頭及環(huán)空放空系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.3.1 端部接頭

軟管端部接頭實(shí)現(xiàn)軟管管體與終端連接器的過(guò)渡。軟管各功能層分別在端部接頭處單獨(dú)固定,各功能層承受的載荷經(jīng)端部接頭傳遞到終端連接器上[4],見圖5。

圖5 非粘結(jié)型軟管端部接頭連接示意圖

最新做法是在接頭內(nèi)套與接頭外套中注入環(huán)氧樹脂,軟管管體的抗拉鎧裝層與端部接頭融為一體,確保連接具有足夠強(qiáng)度[21]。

軟管端部接頭需確保在整個(gè)服役期間軟管各功能層在端部接頭處嚴(yán)格密封,不發(fā)生結(jié)構(gòu)變形及拔脫事故。一般為自密封,流體壓力越高,密封效果越好[21]。

2.3.2 環(huán)空放空系統(tǒng)

通常,在端部接頭處設(shè)置環(huán)空放空系統(tǒng),防止停輸泄壓時(shí),內(nèi)襯層壓潰失效。一般在端部接頭設(shè)置泄壓閥,當(dāng)環(huán)空內(nèi)壓力高于設(shè)定值時(shí),泄壓閥自動(dòng)打開,否則泄壓閥關(guān)閉,同時(shí)應(yīng)確保非泄壓工況時(shí),外界流體(如海水)不能進(jìn)入環(huán)空層。

3 軟管主要失效模式分析

API 17B中表4對(duì)軟管最主要失效模式進(jìn)行了總結(jié),包括壓潰失效、爆破失效、拉伸失效、壓縮失效、過(guò)度彎曲失效、扭轉(zhuǎn)失效、疲勞失效、沖蝕失效、腐蝕失效等失效模式。

結(jié)合軟管結(jié)構(gòu)組成,可具體分析軟管主要失效模式。

3.1 內(nèi)襯層與外保護(hù)層失效

內(nèi)襯層與外保護(hù)層,多為聚合物。在特定環(huán)境下,聚合物會(huì)老化降解,該過(guò)程不可逆,與材料特性、操作條件、環(huán)境條件及維護(hù)方法密切相關(guān),降解有熱降解、光降解、氧化降解、水解等多種形式。

內(nèi)襯層與外保護(hù)層在存儲(chǔ)、安裝、運(yùn)輸或正常生產(chǎn)過(guò)程中，受到重壓、機(jī)械打擊、磨損、過(guò)度彎曲等，會(huì)導(dǎo)致壓潰失效、沖蝕失效、彎曲失效。

3.2 骨架層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層失效

骨架層一般為不銹鋼,不會(huì)發(fā)生腐蝕失效,但由于直接和輸送流體接觸,會(huì)發(fā)生沖蝕失效。通常情況下,鎧裝層處于無(wú)水環(huán)境中,不會(huì)發(fā)生腐蝕;但當(dāng)外保護(hù)層失效后,外部流體(通常為海水)進(jìn)入環(huán)空層,會(huì)導(dǎo)致腐蝕。因緊貼外保護(hù)層,抗拉鎧裝層最易發(fā)生腐蝕,而抗壓鎧裝層相對(duì)遠(yuǎn)離外保護(hù)層,發(fā)生腐蝕可能性大大降低。當(dāng)輸送流體中含有H2S,CO2等酸氣氣體時(shí),因滲透效應(yīng)的存在,鎧裝層的腐蝕可能更嚴(yán)重。由于循環(huán)彎曲,鎧裝層會(huì)產(chǎn)生較大循環(huán)應(yīng)力,最終導(dǎo)致疲勞失效。腐蝕效應(yīng)與疲勞效應(yīng)一般協(xié)同作用。

工廠試壓、存儲(chǔ)、安裝及服役過(guò)程中,內(nèi)部流體壓力過(guò)大,會(huì)發(fā)生爆破失效;承受過(guò)大彎曲時(shí),鎧裝層解鎖會(huì)發(fā)生彎曲失效;張緊器擠壓力過(guò)大或海水靜壓過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致外保護(hù)層壓潰失效。

2002年、2007年，巴西、澳大利亞、墨西哥灣、西非及北海地區(qū)的軟管失效統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:外保護(hù)層的失效，內(nèi)襯層的老化和拔脫是軟管失效的主要表現(xiàn)形式,其中外保護(hù)層損壞導(dǎo)致的軟管失效比例在2007年高達(dá)35%[22],見圖6。

圖6 2002年、2007年度軟管主要失效原因統(tǒng)計(jì)圖

2007年,挪威石油安全局委托SeaFlex公司發(fā)布了非粘結(jié)型軟管失效模式專題研究報(bào)告,涉及設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝、正常運(yùn)行期、延長(zhǎng)使用期的全生命周期內(nèi)的失效因素分析,提出了一套軟管完整性管理方案[23]。

2008年,挪威石油安全局委托4 Subsea公司發(fā)布了粘結(jié)型軟管設(shè)計(jì)、失效模式及服役狀態(tài)的研究報(bào)告[3]。報(bào)告指出內(nèi)襯層、外保護(hù)層失效導(dǎo)致的軟管失效不可忽視。

綜上所述,預(yù)防軟管內(nèi)襯層與外保護(hù)層失效是軟管完整性管理的重點(diǎn)。

4 國(guó)外軟管主要生產(chǎn)廠家

4.1 非粘結(jié)型軟管

2010年,英國(guó)Upstream公司的軟管業(yè)務(wù)被美國(guó)GE公司收購(gòu)。GE公司產(chǎn)品主要涉及50.8～482.6 mm軟管,適應(yīng)于高溫、高壓、高含硫化氫介質(zhì),以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境。

2012年,丹麥NKT公司的軟管業(yè)務(wù)被美國(guó)NOV公司收購(gòu)。NOV公司產(chǎn)品主要涉及63.5～406.4 mm軟管,最小管徑軟管設(shè)計(jì)壓力可達(dá)103.5 MPa,最大管徑軟管設(shè)計(jì)壓力可達(dá)27.6 MPa,最高設(shè)計(jì)溫度可達(dá)130 ℃,適用于靜態(tài)環(huán)境和動(dòng)態(tài)環(huán)境。

2017年,法國(guó)Technip公司與美國(guó)FMC Technologies公司合并為TechnipFMC公司。新公司繼承了原Technip公司的軟管業(yè)務(wù)，產(chǎn)品主要涉及76.2～558.8 mm軟管,軟管最大設(shè)計(jì)壓力可達(dá)138 MPa,最大管徑軟管設(shè)計(jì)壓力可達(dá)27.6 MPa,最高設(shè)計(jì)溫度可達(dá)150 ℃,適用于靜態(tài)環(huán)境和動(dòng)態(tài)環(huán)境。

4.2 粘結(jié)型軟管

粘結(jié)型軟管設(shè)計(jì)制造相比非粘結(jié)型軟管來(lái)說(shuō),相對(duì)簡(jiǎn)單。國(guó)外生產(chǎn)廠家相對(duì)較多,主要有英國(guó)Dunlop公司、瑞典Trelleborg公司、美國(guó)Goodyear公司、美國(guó)Parker公司、意大利Bassioffshore等公司[24]。

5 國(guó)外軟管技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

5.1 新材料研發(fā)

1)針對(duì)內(nèi)襯層,開展耐高壓、高溫聚合材料的研發(fā)。

2)針對(duì)腐蝕環(huán)境,開展耐H2S材料的研發(fā)。

3)針對(duì)鎧裝層,開展超高等級(jí)鋼的研發(fā)。

4)針對(duì)鎧裝層,開展高強(qiáng)度復(fù)合材料的研發(fā),如碳纖維材料、芳輪材料。

5)針對(duì)保溫需求,開展高效保溫材料的研發(fā)。

5.2 軟管功能集成

如法-美合資TechnipFMC公司研發(fā)的IPB管(Integrated Production Bundle)。

5.3 開發(fā)環(huán)空層集聚氣體滲透量預(yù)測(cè)技術(shù)

如法國(guó)石油研究院Benielloun-Touimi Z等人開發(fā)的MOLDTTM模型。

5.4 軟管服役期完整性管理技術(shù)

包含環(huán)空層集聚氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)、鎧裝層失效實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)、運(yùn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析及預(yù)測(cè)。

6 結(jié)論

1)高壓軟管功能特性與其結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān),應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用功能需求，經(jīng)濟(jì)合理地設(shè)計(jì)選用高壓軟管各功能層,避免冗余設(shè)計(jì)。

2)預(yù)防內(nèi)襯層與外保護(hù)層的失效是高壓軟管完整性管理的重點(diǎn)。

3)建議國(guó)內(nèi)研發(fā)單位及生產(chǎn)廠家加強(qiáng)與美國(guó)GE、美國(guó)NOV及法-美合資TechnipFMC等公司的技術(shù)交流,提高高壓軟管設(shè)計(jì)制造能力。

4)建議國(guó)內(nèi)高壓軟管研發(fā)從幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行突破:新材料研發(fā)，軟管功能集成，開發(fā)環(huán)空層集聚氣體滲透量預(yù)測(cè)技術(shù)，軟管服役期完整性管理技術(shù)。