非粘结挠性复合软管常见失效模式与失效原因分析-辽宁化工2022年06期

摘      要： 根据非粘结挠性复合软管常见失效模式，结合软管各结构层成型方式、材质、功能以及所处环境进行分析，阐明非粘结挠性复合软管失效诱因以及失效的后果，有助于提高生产企业及使用单位的安全使用意识，有助于复合软管监检测的研究创新，有助于软管行业的快速健康发展。

关  键  字：非粘结;软管;失效

中图分类号：P756.2     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2022）06-0837-05

非粘结挠性复合软管作为一种新型管材，由于具备耐腐蚀、弯曲刚度低、地形适应性好、单根管段长铺设便捷、综合成本低等优势，目前中海油渤海、南海海域已经大量应用，现已服役软管长度   超200 km。

典型软管结构由骨架层、内压密封层、抗压铠装层、抗拉铠装层、外包覆层构成^[1]。由于各个结构层既相互独立，又相互配合，使得各个结构层功能得以发挥，从而实现管体结构功能;各结构层材质存在差异，且所处环境不同，导致复合软管具备多种失效模式。本文目的在于针对软管典型失效模式，分析软管失效的诱因及失效原因，有助于提高生产企业及使用单位的安全使用意识，有助于复合软管监检测的研究创新，有助于复合软管行业的快速健康发展。

1  软管常见失效模式

1.1  软管结构

非粘结挠性复合软管结构如图1所示。

1.2  软管失效类型

1.2.1  骨架层失效模式^[2]

骨架层材质为不锈钢，由钢带互锁缠绕而成，其主要功能为支撑内管，防止内压密封层承受外压时产生压溃。常见失效模式为骨架层腐蚀、解锁变形、压溃等，如图2、图3所示。

1.2.2  内压密封层失效模式^[2]

内压密封层的主要作用是对输送的流体起到密封的作用，该层是由聚合物挤塑而成，其主要失效模式为老化、蠕变与起泡失效，如图4至图6所示。

1.2.3  抗压铠装层失效模式

抗压铠装层主要作用为抵抗来自于内压和外部压溃载荷的径向力。该层是由Z字型金属带互锁缠绕而成，该金属带的材质为碳钢。其常见失效模式为腐蚀与解锁变形失效，如图7、图8所示。

1.2.4  抗拉铠装层失效模式^[2]

抗拉铠装层扁钢为软管提供轴向强度，轴向力可由内压、重量、外部的动态载荷和安装期间的拉伸力产生。该层的扁钢由碳钢制造，常见失效模式为腐蚀失效、疲劳断裂、鸟笼，如图9至图11所示。

1.2.5  外包覆层失效模式^[2]

外包覆层的主要功能是阻止外部海水进入金属铠装层，保护金属铠装层防止海水对其造成腐蚀，同时也抵抗外部机械载荷对软管的损伤。其常见失效模式为第三方造成外包覆层破损、外包覆层磨损、排气系统异常导致外管破裂，如图12至图15所示。

2  软管失效原因分析

2.1  骨架层失效原因

2.1.1  腐蚀缺陷

骨架层直接与内部输送介质接触，输送介质中CO₂、H₂S等气体均会造成骨架层不锈钢材料腐蚀，其腐蚀主要体现为均匀腐蚀、点腐蚀、冲刷腐蚀和SSC/HIC应力腐蚀。腐蚀的发生导致骨架层整体或者局部减薄，从而管体抗径向外压溃能力降低，管体易发生压溃或椭圆;同时骨架层抗轴向拉伸能力降低，骨架层互锁结构易发生变形或解锁。

管体服役期间应关注内部输送介质变化、输送工况变化等，关注骨架层材料腐蚀状况，确保骨架层材料腐蚀在可接受范围内。

2.1.2  解锁变形失效

骨架层互锁结构具有弯曲挠性，但当弯曲半径小于最小弯曲半径、管线受到过大的外部拉力或是受到过大的外部压力，骨架层互锁结构受到过度挤压，则容易发生变形或是解锁，甚至是压溃。

管体服役期间，由于海流冲刷导致管体埋设状态发生变化，造成管体局部隆起以及悬跨，应关注管体在位状态的弯曲半径，避免出现过度弯曲现象，隆起及悬跨部位即时进行填埋压块处理。

2.2  内压密封层失效原因

2.2.1  材料老化失效

内衬层和外包覆层是由高分子聚合物材料连续挤出制成，其作用为密封管道内的输送流体，其直接与内部输送介质接触。非金属材料在服役期间随着使用时间的延长，材料性能衰退。材料性能衰退与输送介质、温度、pH、压力等直接相关。通常生产厂家会针对目标应用环境进行老化寿命计算，但是当现场工况发生变化如温度升高、介质组分变化、化学药剂加入等均会影响材料老化速度。材料老化后力学性能衰退、韧性降低、裂纹敏感性降低，当其性能下降至低于应用工况要求时，会导致内压密封层裂纹、断裂、起泡等，从而引起失效。

服役期间应严格控制服役工况如温度、压力、介质组份、化学药剂等，当运行工况发生重大变化时，宜进行适应性评价，确保材料老化寿命满足服役要求。

2.2.2  蠕变引起密封失效

内压密封层密封管道内输送介质，其端部通过密封圈与内压密封层之间挤压形成密封。当内压密封层材料随服役年限增长，内压密封层材料会发生蠕变，即内压密封层材料发生变形导致密封圈与其之间挤压力降低，从而引起密封面长度减少、密封压力降低，进而引起密封失效，从而导致内压密封层的密封与固定失效，管体发生泄漏。

2.2.3  材料起泡失效

若管体内输送介质含气体，如小分子气体如甲烷、乙烷、CO₂、H₂S、水蒸气等，小分子气体会在内压驱动下渗透穿过内压密封层进入环形空间。管体停输泄压速度过快，则渗透至内压密封层内的气体快速释，引起内压密封层材料起泡，导致材料力学性能降低引起失效。

现场作业过程中应严格控制降压速率，建议采取逐级降压并稳压的方式。

2.3  抗压铠装层失效

2.3.1  腐蚀缺陷失效

抗压铠装层介于内压密封层与外包覆层之间，其不直接与内部输送介质接触，也不与外部海水介质接触，其处于管体环形空间内。如2.2.3节中所述，小分子气体中CO₂、H₂O以及H₂S渗透至环形空间内，从而对抗压铠装层碳钢材料造成腐蚀甚至引起硫化物应力开裂。抗压铠装层为“Z”字形互锁结构，腐蚀发生引起金属层减薄，造成抗内压能力降低;同时腐蚀会引起互锁结凸台减薄，进而引起抗压铠装层结构解锁。

管体服役期间，应关注环形空间内气体组分及分压，预测碳钢材料腐蚀状况。

2.3.2  解锁变形失效

抗压铠装层解锁变形失效与骨架层解锁变形失效机理一致，详见2.1.2节。

2.4  抗拉铠装层失效

2.4.1  腐蚀失效

抗拉铠装层腐蚀失效与抗压铠装层腐蚀失效机理一致，详见2.3.1节。

2.4.2  疲劳断裂

抗拉铠装层主要功能在于承受管体轴向拉伸荷载。针对于动态立管，波浪和水流作用到柔性立管和浮力块上引起的动态载荷的不确定性，导致管道处于长期低频拉伸负载下。立管接头尾部位置扭矩不能释放，扁钢易于发生疲劳断裂。

宜重点关注柔性立管接头尾部立管位置，扁钢发生断裂，则管体外径发生变化，且管体抗拉层失稳，管体发生扭转变形。

2.4.3  崎岖/鸟笼

当软管受到轴向压缩时，抗拉铠装层金属线材向径向移动，并产生高弯曲应力，导致软管各层间产生间隙，过大的压缩载荷会造成软管径向崎岖，导致各金属线材排列失序，造成抗拉铠装层结构失稳膨胀散开，并导致外包覆层破损。

2.5  外包覆层失效

2.4.1  材料老化失效

外包覆层老化失效机理与内压密封层老化机理基本一致，详见2.2.1节，但其不与内部介质接触，而是直接与海水接触，同时阳光照射会造成材料紫外老化。

2.4.2  外包覆层破损

软管外包覆层破损是软管主要失效模式，造成软管外包覆层破损的诱因包括：第三方造成损伤、隆起与悬空管体根部磨损、由于过度弯曲引起的张力导致外包覆层破裂。

软管外包覆层破损并不会直接导致管体结构功能失效，但其会导致海水进入软管环形空间，造成环形空间内抗压、抗拉层碳钢钢带的腐蚀，导致管体抗压、抗拉能力降低，进而导致管体发生失效。

2.4.3  外包覆层爆破

管体环形空间由于由气体渗入，导致环形空间内存在气体压力。通常软管接头端部会安装排气阀门，当环形空间内压力与外界压力压差达到排气阀打开压力时，排气阀自动打开并排气。

排气阀位于管体接头端部，由于外部异物或是海生物导致排气阀不能正常打开，会导致软管环形空间气体压力升高，导致软管外包覆层破裂。

3  结束语

通过以上对非粘结挠性软管的失效模式及失效原因的分析可知，软管各结构层功能、成型方式、材质以及所处环境条件存在差异，各结构层存在多种失效模式。目前软管监检测通常采用钢管的监检测技术手段进行，但软管各结构层失效模式与钢管失效模式存在较大差异，亟须研发针对于软管失效模式的监检测技术手段。针对于软管的失效模式，开展针对性监检测技术开发，有助于减少软管运行服役风险，提高软管运行安全性。

参考文献：

[1]API SPEC 17J，Specification for Unbonded Flexible Pipe[S]. American Petroleum Institute，2009.

[2]DRUMOND G P ， PASQUALINO I P ， PINHEIRO B C ， et al. Pipelines， risers and umbilicals failures： a literature review[J]. Ocean Engineering， 2018， 148（JAN.15）：412-425.

[3]API RP 17B，Recommended Practice for Flexible Pipe[S].American Petroleum Institute， 2008.

[4]UKOOA.Guidance note on monitoring methods and integrity assurance for un-bonded flexible pipe[M].Doc No. 2-1-4-221/GN01， 2002

[5]BRACK M ， MENDES S ， SOUZA L A L E ， et al. An integrity management strategy based on flexible risers conceived to be self-monitored[C].26th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering， 2007.

[6]BAI Y，BAI Q，RUAN W. Advances in Pipes and Pipelines： Flexible Pipes[M]. 1st ed. Hoboken： Wiley，2017.

[7]LEIRA B，BERGE S，FERGESTAD D，et al.Life time extension of flexible risers：a generic case study[C]. Offshore Technology Conference，2015.

Analysis of Common Failure Modes and Failure Causes

of Unbonded Flexible Pipe

WANG Chang-xue， WANG Hong-xuan， GAO Ling-xiao

（CNOOC （Tianjin） Pipeline Engineering Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300452， China）

Abstract：  According to the common failure modes of non-bonded flexible pipe， combined with the analysis of the forming method， material， function and environment of each structural layer of the pipe， the failure causes and consequences of non-bonded flexible composite pipe were clarified， which is helpful to improve the safety awareness of production enterprises and users， research and innovate composite pipe monitoring and testing methods.

Keywords： Unbonding; Flexible pipe; Failure