（固体力学专业论文）失效分析在海洋平台工程中的应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文的主要工作是针对海洋平台工程中已出现的两类问题进行分析，通过使用不同 的手段，运用机械工程中常用的失效分析思路，结合实验研究了柔性管线泄露问题，结 合监测手段研究了桩基问题。这两类问题本身互不相关，但由于运用了同样的分析思路， 使得这两类问题又产生了一定的共性，所以。本文中全面的分析了这两类问题的特殊性 和普遍性，主要研究工作包括： 首先，基于室内拆解实验结果、材料实验结果，结合现场检测报告信息，针对柔性 管线泄露问题进行了分析。由于第一手信息不够丰富，同时，柔性管线在世界上的应用 也不是特别广泛，所以，几乎没有经验所循，因此，引入在机械工程中常用在金属材料 上的失效分析概念，同时，进行大量的管线信息收集工作，最终找到泄露原因。同时， 针对柔性管线结构进行了分析，与普通硬管进行了对比，找出了柔性管线这种多层复杂 结构本身的优点和缺点，对以后柔性管线的安全使用进行了系统的分析。 其次，基于监测手段，针对平台桩基问题进行了分析。结合平台所在的地域| 2 上及桩 基存在问题的特殊性，确定了比较新颖的监测手段，在无法直接监测到桩基沉降度的情 况下，利用光纤传感器和倾斜计监测桩基的应变反映和相对角度，从反方向侧面监测了 桩基的沉降情况，这种手段在世界海洋平台工程中也是很少采用的。同时，结合土壤特 性，同样运用失效分析思路，给予了该监测手段理论上的支持，该监测手段取得了较好 的效果。最后，针对海洋平台工程结构长期健康监测的需要，研究了运用光纤传感器和 倾斜计等测量手段，进行反问题监测的可操作性。 关键词：失效分析；柔性管线；桩基 壅塾坌堑垄堂堂兰鱼三里主塑壁旦 一 a p p l i c 撕o n so f f a i h 聪a n 由s i s i l lp l a t f o i l l lp r o j e c t a b s t r a c t t w o 哆p e so fp r o b l e m se ) d s ti no i lp l a d ! b l 甜e 粕a l y z c db yd i 艉r e n tm e a n s ，i 1 1w h i c h 也e 站m d 盯dj n a c t i v a t i o na n a i y s i sm e 血o di nm e c h a n i c a le n g i n e e r m gi sa p p l i e d ，1 a bt e s tw 船 c o n d u c t e df o rt h el e a ko u tp r o b l 锄o ff l e x i b l ep i p e i 证e s ，趾dm 蚰i 蜘n go nr e a ls 灯u 咖ew 私 i 1 1 订o d u c e di l lp i p ef o u n d a t i o np r o b i e m a l 廿l o u g hn l et w op r o b l e m s 耵ed i f r e 崩咄t h es a m e 柚a l y s i sm 如o di su d 1 1 1t h i sp a p e rc o m m o n a l 时髓dp a r t i c u l a r 时o f 也et w o 劬弦so f p m b i e m 盯ec o m p a r e d ，t l l ef o i l o w i n ga r ei n c l u d e d ： f i l 3 t l y ，恤l e a k 眦p t o b l e m0 ff l 懿逊1 ep 取l i n e si s 硒a l y z e d b a s e do nr e s o l v m go f 也e b r o k e np i 口e l i n e ，t e s tm s u l to fm a t e r i a lp r o p e r t i e sa i l dd e t e 吐i o nd a t a 的mt l l er e a is t n l c 嘶 b e c a u 也贸ew 船l m kf i r s tt 瑚砸i n f o 衄a t i o n ，柚dn e x i b l ep i p e l i n ei sn o tu 耐w i d e 坶蛆t h e w o r l d ，n om o r ee x p e r i e n c ec 缸b ef 0 1 1 0 w e d a f t e r 也em a c t i v a t j o n 锄a i y s i sw a sj 1 1 仃o d u c e d 姐dm u c hi i l f o m a t b na b 讲l tp i 1 m ew a s l l e c t e d ，f i n a l l y 坞a s o no fk a k w a sd i s c o v e r e d a t t l l es 孤et i m e p a m c u l 8 f i 母o f f l e 癌b l ep i p e h n ew 舔蜘a l y z e d 柚dc 咖p 甜i s o nt 0o r d t n a yh 砌 p p e l i n ew a sd o n e t h ea d v 蝴a n dw e a k n e s so fn e x i b l ep i p e l m ，ak 矾o f m u ml a y e r s 由m c t i l r cw 嬲f o u n do u 匕剐s t e m a t i ca i l a i y s i st ot l l eu s eo fn e 蝴b l ep i p e l i l l ei n 廿l e 如t u 阳w a s d o o n 也eo 她rh a r i d ，p i p ef q u n d a t 沁np r o b l e mw a s 锄a l y z c db a s e0 nn l e dm o n i t o 血g b e c a l l s eo f t l l ep a m c u i 鲥t yo f t l l ea r o f t l l ep l a t f o 册，n e wm o n i t o 山gm e t l l o dw 船a f i p l i e d ， b e c a u s et h es e d i 玎n t a t - 0 no fp 谗ef o u j l d 最1 曲nc 姐n o tb em e a s u r e dd h c 吐y ，f m e rs 哪o r 甜m i l l c l i i l a t i o ng 鲫g ew 盯eu s c dt om e 够u r es e d 蛐e n t a t i o ni l l 曲优t l y i n a c t i v a n o na n a l y s i s 船s o c i a t e dw 胁p r o p e r t i e so fs o 订s u p p 叫t i l em o n i t o r i n gr e s u l lf 抽a l l y ，a c c o r d i n gt 0 ( h e r c q u j r 啪e n to fl o n g - t e 加m o n i t o r i n go np l a t f 0 加，p o s s i b i l i t yo fm o n 的r i n gw i mi n d i r e c t p r o b l e mm e t l l o du s i n 窑f m e rs e n s o ra n d 伽c l i n a t i o n 蚪u g ei se x p l o r e d k e yw o r d s ：f a i l u r e 蛐a i y s i s ；f i e i i b kp i p e ；p i c k e t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 储躲! 堕吼叫翟 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 1 话 导师始雪孑! 谬 _ _ 丛年月上鱼 大连理工大学硕士学位论文 引言 1 海洋平台工程 我国是海洋国家，在各种资源供求矛盾越来越突出、环境日趋恶化的形势下，开发 和保护海洋已成为人口、资源、经济、社会和环境可持续发展的根本出路。 开发利用海洋资源要以海洋工程为依托。海洋工程是在海洋环境条件下开发利用海 洋资源过程中所进行的一切建设工程的总称。海洋平台工程包含的内容较多。目前，海 洋平台工程多用于海洋石油勘探开发。由于海洋环境恶劣，工程建设难度大，技术要求 高，探索性强。因此，这也是不断扩大开拓的领域【“。 海洋平台的建造技术通过长期的发展和进步，已经日趋完善。但在看到这些成绩的 同时，也不应忘记曾经发生过的平台事故。这些事故给我们带来了人员伤亡和经济损失 是非常沉痛的。因此，利用平台开发海洋资源，市政府海洋的高风险事业。所以针对 海洋平台的失效分析在工程中就显得十分重要和必要。 2 失效分析溉述 国家标准g b 3 1 8 7 8 2 中定义：失效( 故障) 产品丧失规定的功能。对可修 复产品通常也称故障。由此，我们可以给出失效分析的定义：判断失效产品的失效模式， 查找产品失效机理和原因，提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动。失效分析的 主要内容包括口j ： 1 、调查( 包括确认是否失效、取证、普查等) ； 2 、判断失效模式； 3 、查找失效原因( 包括与产品失效相关的管理因素) ； 4 、探讨失效机理及其与失效模式的关系( 过程的因果关系) ； 5 、失效后果( 影响和危险性) 分析： 6 、合理制定失效判据( 必要时才进行) ； 7 、失效的数理统计分析( 必要并有条件时才进行) ； 8 、模拟再现和失效预测( 必要并有条件时才进行) ： 9 、明确产品失效责任( 必要时才进行) ： 1 0 、提出防止再失效的对策( 失效分析成果的反馈和相应) ，注意新的失效因子。 失效模式是指失效的外在宏观表现形式和过程规律。 失效分析在海洋平台工程中的应用 失效机理是指失效的物理、化学变化本质和微观过程可以追溯到原子、分子尺度和 结构的变化，但与此相对的是它迟早也要表现出一系列宏观( 外在的) 的性能、性质变 化和联系。 失效分析的信息，是能客观反映失效的起始、发展、变化和完成的全过程。 目前，工程界的失效分析主要是针对机械结构特别是金属材料，针对海洋平台工程 的失效分析由于涉及的知识太广，包括环境荷载的确定、结构动力分析、材料分析、桩 基础分析、疲劳分析、平台上部设施分析等多种知识和学科，特别是环境荷载因素的不 确定性，对我们进行失效分析造成了很大的困难。鉴于这种情况，针对海洋平台工程的 特点，结合机械失效分析的思路，提出了系统失效分析思路和局部具体失效分析的概念。 o 一 图1 系统失效分析思路及路线 f 塘l l e o r ya n dc o u r s eo f s y s t 锄f a i h l r ea n a l y s i s 具体局部失效分析：针对具体失效的海洋平台工程产品进行具体的失效分析。思路 和程序遵循系统失效分析思路，又要体现出具体的失效产品的特点。 3 海洋平台监测技术 海洋平台结构的实时自动化监测技术通过监测数据的实时采集、处理、分析，确定 平台的安全状态，具有快捷、省时、精度高、实时控制等优点受到越来越多的重视。海 洋平台监测系统主要包括海洋环境载荷自动监测系统、平台损伤、位移监测系统以及平 台阴极保护监测系统等。其中国内外对环境载荷的监测研究较多，也已经逐渐成熟。例 如英国s a a b 海洋电子仪器公司最近研制的一种非介入式传感器w a v e r a d a ，可以监测海上 装置附近的波浪和水面高度，精度达到l m ，已经安装在壳牌石油公司的a u k 、s e a n 和 c l i p e r 平台上。俄罗斯也在s a k h a l i n 油田安装了冰载荷监测系统。中国海洋渤海公司与 大连理工大学联合在辽东湾j z 2 0 2 平台建立了基于计算机远程网络的海冰定点观测系 大连理工大学硕士学位论文 统，对海冰相关信息进行实时连续观测取得了很好的效果。特别需要指出的是，在国家 8 6 3 计划海洋监测技术( 8 1 8 ) 主题的资助下，九五期间开发的近海环境自动监测系统为 代表的一系列产品和技术均达到了上世纪9 0 年代中期的国际先进水平，部份达到或接近 目前的国际先进水平，这其中包括平台基观测系统、海床基观测系统等p 】。 平台损伤主要包括裂纹、腐蚀和变形等，相应地，平台损伤监测系统又可以细分为 裂纹监测、腐蚀监测以及结构应力与变形监测等。这方面的研究在国内外相对发展较慢， 在我国还处于起步阶段。 失效分析在海洋平台工程中的应用 1 绥中3 6 1 平台柔性管线失效分析 1 1 柔性管线发展现状 海底管线作为海洋石油开发工程的重要组成部分，它的发展已有数十年的历史，海 上各油田内部、油田间以及油田至陆上终端常由海底管线连接。 海底管线按照输送介质可以分为油管线、气管线和水管线，按照是否保温可以分为 保温管和非保温管，保温管一般采用双层钢管加保温层的方式。传统上的海底管线均采 用硬质钢管，但是随着海洋石油事业的发展，海底管线的应用碰到了越来越多的新问题 和新课题。海洋环境千变万化，海底土壤的特性亦千差万别，海底地形地貌以及状况等 各不相同，如沙坡、沙脊、海底冲刷以及海底活动性浅层气等，对于这样的环境条件用 传统的硬质钢管作为海底管线可能是不可行的，或者虽然可行但是需要付出更多的施 工、安装和处理费用，并且需要承担一定的风险这时，柔性管线( f l e x i b l ep i p e ) 就 给我们提供了另外一种选择途径。 柔性管线不同于普通软管，这种软管中内置钢箍层，所以可以随意变形，但是又具 有一定的刚度，可以承受内压、外压、温度荷载以及恶劣的环境荷载( 包括风、浪、流 等) 的作用，多作为单点系泊或者浮式生产系统的立管系统以及海底管线系统。随着海 洋石油勘探、开发的需要和软管技术自身的进步，软管系统的应用范围越来越大，有的 海底管线已经采用软管代替硬质钢管。 软管和硬质钢管相比有很多优越性。除了可以承受硬质钢管所能承受的功能荷载和 环境荷载，还因其使用了防腐材料，所以抗腐蚀：由于其柔性，因而在输送介质为高温 的情况下无需像硬质钢管一样设置膨胀弯；施工简便，无需大型铺管船队，施工速度比 铺设硬质钢管要快许多倍；连接方便；对于开采周期不长的油田，软管系统可以回收再 利用。 在前面提到的沙坡、沙脊等复杂设计条件下，若使用硬质钢管作为海底管线则具有 很大的危险性，一是可能出现超常悬跨，二是因悬跨而造成疲劳破坏，其次是如果沙坡、 沙脊有活动性，将会出现不可预见的危险状况，而软管由于其挠性，在铺设时就可以随 着地形的变化而变化，对于活动性沙坡。软管也可以随其变化而变化，悬跨对于软管的 破坏性也比硬质钢管小得多，软管具有足够的强度抵抗悬跨时所受的荷载并且软管具有 很好的抵抗疲劳破坏的特性，可以抵抗悬跨段往复荷载的作用。海底冲刷造成悬跨的情 况和上面提到的沙坡、沙脊类似，冲刷的结果是地基的破坏，从而造成悬跨。在海底存 在活动性浅层气的情况下，浅层气的上冒，同样会造成管线的悬跨，所以在这些情况下 大连理工大学硕士学位论文 采用软管比硬质钢管具有更大的安全性。 应该说，软管比硬质管道具有更强的“专营性”，世界上仅有少数厂家设计和生产软 管，并且生产和设计往往是同一家公司完成。这种情况对于业主既有利也有不利。有利 的是同一家公司设计和生产会使产品适用性更强；不利的是业主选择的余地较小。国外 从事软管设计、生产和旖工的公司主要有： c o f l e x i ps t a n a0 f f s h o r e 公司 w e l l s 豫e a m 软管公司 n k t 软管公司 我国从事软管设计和生产的厂家很少，具有一定设计和生产成型技术的厂家更是很 少。因此，对于软管的试验研究具有很大的研究价值和实用价值。 柔性管线有很多成功应用的例子，如在挪威t r o l lo l j e 平台、南海涸1 0 3 油田等 均应用状况良好。限制软管使用的主要因素是软管的价格较高，所以，广泛的应用柔性 管线代替普通硬质管线既不经济，也不台理。但是在一定的使用条件下，通过综合评价， 软管作为海管使用仍具有其优越性。但是，我们也应该注意到，由于柔性管线的剐度不 如普通钢管，所以，柔性管线的安全性能也是值得关注的。 图1 1 柔性管线典型应用实例 f j 9 1 1a p p l i c a t i o n so f f l e x i b l ep i p e 柔性管线通常都绕在轮子上运输，使用时再卸下来。值得注意的是不同规格尺寸的 柔性管线绕在同一轮子上运输时，需用隔板分开，不能叠在一起，否则，当使用的先后 顺序发生变化时，将给运输和安装造成麻烦。 失效分析在海洋平台工程中的应用 1 2 工程背景及现场检测报告 为了分析管线泄漏原因并进行完整的失效分析，首先必须收集足够的现场失效信 息，这在失效分析里是至关重要的一环。我们对当时的现场检测报告进行回顾与分析。 检测报告主要内容为：2 0 0 1 年5 月，在绥中3 6 1 油田附近海面发现有油花出现，专人调查 因油量较小没有找到泄漏点。当年1 1 月天气晴好，海上平潮时，该油田a i 平平台附近出现 成片的油花亮带。经过详细研究，依据有关技术文件及相关规范、标准，制定了s z 3 6 1 油矿原油泄漏点监测作业施工方案，于2 0 0 2 年2 月2 1 日动员出海，越，p 平台至b 平台 海底类检测，对上方近平台处杂物进行清理，并利用高压进行除泥作业，使管线暴露 出泥面，由于水质混浊，无法实旋水下录像作业，所以潜水员只能依靠手的感觉对管线 有无机械损伤和变形进行检查。经潜水员多次潜水除泥清理障碍物后，终于发现m 口b 平台海底管道与a p p 平台立管相接处的一段海底软管发生漏油，原因是距水平硬管连接 法兰根部1 0 c m 处的软管出现贯穿2 3 管周的环向开裂，最大开裂宽度达3 0 m m 。泄漏点 处软管沉入泥中1 0 0 c m ，管道有振动现象【6 - 8 。 图1 2 平台示意图 f i 9 1 2s k e t c ho f o 凰h o r e 大连理工大学硕士学位论文 蘸蓬 攀蒸羹攀 图1 3 绥中3 6 一l 油田泄漏点示意图 f 培1 3s k e t c ho ft h ef r a c t u r ea tt h el e a kp o i t so ft h ep i p e l i n e 泄露点在管线上的具体位置。 1 3 管线相关资料收集 本项目收集了发生泄漏管线的基本数据。该管线是w e l l s 船啪公司生产的8 英寸柔 性软管，设计使用年限为2 0 年( 于1 9 9 3 年投入使用，在2 0 0 1 年发生泄漏) 。 1 3 1 海底管线的操作 该管线在正常情况下的操作：在铺设竣工后投运前，要进行1 5 倍操作压力的水压 试验气密和扫线，并要进行三次以上的通球作业。确认管道无漏、无脏物后，用淡水或 海水进行大于操作温度6 0 暖管作业直至温升合格。正式投产前要将海管入海处p s h h 和p s l l 旁通，对流程进行手动操作。待下游见液后流程稳定，把海管压力、温度值按 要求进行调整。将p s 唧和p s l l 复位正常状态，向海关连续注入防腐剂。 日常操作中，除了观察记录海管压力、温度外，另一关键点是要根据原油综合含水 的变化，调整防腐剂的注入浓度。分3 个档，即综合含水在0 1 5 ，1 5 一3 0 及3 0 以上时调整动态加注防腐剂【4 j 。 定期按时通球作业是日常操作的个重要环节，可缓解立管部位的油砂磨损腐蚀， 可以清理腐蚀物，减少电化学反应的电位差的变化。 计划停输后及应急状态后再启动的操作： ( 1 ) 计划停输后再启动油管道：超过2 4 小时以上停输的海管必须要进行替换原油 的作业，替换液在冬季一般采用柴油，冬夏季为淡水或海水。用柴油替换时，再次启动 无需暖管作业，只要把油井出来的生产换热器温度升高，也可采用海水替换加空气扫线 法处理海管。当用海水把有管道内原油替换完毕后( 海水加温后更好) ，立即用空压机 对海管进行扫线，排出的海水量要大于立管总合液体量。使立管部位停止扫线后不存海 失效分析在海洋平台工程中的应用 水，液面至少要低于海水面5 m 以下，处于不会结冰处。这种形式在再次启动时要进行 暖管作业，冬夏季采用淡水或海水，替换后要采用暖管法投产再启动a ( 2 ) 应急状态后再启动：当平台或浮式储油轮发生重大故障及受到自然灾害时， 时间要求紧迫，末对海管处理或替液不完全对再启动难度很大。所以，要在紧急状态下， 尽可能用压缩空气或油井套管气( 高产气井，油气比高的井) 对海管最大限度排液。至 少要把立管液体和部分海底管道内液体排掉，争取海底管道的半管存液。在恢复生产再 启动时，用压井泵或注水泵将柴油或海水加热，小排量暖管排液待海管温度升至操作温 度6 0 以上即可按操作步骤开井。 1 3 2 海底管道的检测和维修 海底管道检测的最重要原则是确保管道操作的安全性，保护海洋环境以及保护投 资。进行管道检测是为了延长管道的使用寿命，通过检测确定管壁的缺陷，检查泄漏部 位、制定维修方案p j 。 对海管检测的目的主要是：检查内部和外部腐蚀情况，以及机械损伤对管道造成危 害的程度。通常对管内凹坑、内部衬里的腐蚀变形、剥离、疲劳破裂、应力腐蚀裂缝等 检测采用检测仪器，如：摄像仪、漏磁检测仪、超声测厚仪和探测应力腐蚀开裂的超声 波仪器等。对海管全程进行检测。为了完成特定功能，所有管道检测仪器都装有仪表和 动力源。同样和其他在线装置一样，也要有发射和接收装置。没有永久性的发射和接 收装置时，必须安装临时装置，对于大多数仪器来说，可通过9 0 0 m m 管径，最小弯曲 半径为1 5 d 的管道，有些仪器要求最小半径为3 d ，甚至更大。 常用管内检测仪器是侧径仪，用于确定和描述几何形状异常，如凹痕、挠曲、扩径 或缩径以及是否有障碍物，如阀门半开等。测径仪通过机械方式和弹性检测器或固定形 板等进行管道内径的物理测量。 摄像仪用于检测管道内部腐蚀缺陷椭圆度，接头或其他部位可见的内表面裂纹，检 验内涂层状况。这种装置用照相机以事先确定的时间间隔拍摄照片，如腐蚀点及每一道 环焊缝。摄像仪用频闪灯光拍摄尺寸从1 5 2 4 m m ( 6 i n ) 9 1 4 4 m m ( 3 6 i n ) 管道内被照 亮的区域，由于很明显需要光，这种仪器要在气体环境中使用，当用于液体时，要抽空 液体才能用氮气驱动完成全过程，不管用于气、液哪种条件下，再用前必须先清管。 漏磁检测仪和超声波测厚仪在使用时参见说明书操作即可。 目前对管内检测综合功能检测仪器，在国外已经使用。多用途多功能交互式管内自 动检测装置，采用氮气驱动复式结构。能适用于不同直径和斜度的管道，它内部安装一 个电子仪器，周围惰气氮层环绕，可以用在许多可燃性气体中使用。由便携式计算机控 大连理工大学硕士学位论文 制的仪表盘可完全控制它的视频照相系统，并能自动记录时间、位置及设备状况和检测 结果。 对于海管外部腐蚀也是不可忽视的，采取何种有效方法及早测得腐蚀情况在很大程 度上起到了早处理早预防的目的。主要采取测量的方法是拖曳探测器( 拖绳管道电压测 量) 在异域测试的位置，如海上立管或岸上试验站。引一测试输出端与管道相接，或者 测试输出以一放在海底的固定电极引出。在启动测试输出端的同时，一块氮化银的参与 电极被测量船拖到管道正上方。在船上管道到电极之间的电压( p e 电压) 被计算机化 的数据采集系统测定量记录下来，电压显示在屏幕终端上，并由打印机打印出来。在管 道完工坐标比较准确的区域允许拖曳探测器与管道间距保持在1 5 m 阻内。用测量频繁通 断电流的通断锯齿波轮廓，对于各处电压不同的管道判别支流保护的有效率，达到记录 绘图、预报结果的目的。 管道的维修是为了减少管道的停工期，在筹备管道铺设前，要对偶然事故的修复工 作以及制定建立管道的紧急修复编制计划，这些计划必须是用于修复工作要求。它们分 为3 种，水面修复、水下干式高压焊接和机械式连接器。 1 、 水面修复，这种方法需要将管道提升与水面，将损坏管段切除后用焊接新 管段来替换损坏管段，或用焊接法兰盘，非直线装配方法来修复。在这种 情况下，将每一条管子的端部放回到海底并且用两端带法兰的软管连接起 来，或通过非常仔细的测量和预制将一侧沉放到海底，并用各种连接构件 将其与其他和准备好的端部连接在一起，此法对天气海况影响最敏感。 2 、 水下干式高压焊接，如果希望全部的焊接工作在不提升海管的情况下完成， 则所有的工作应在水下进行，而无须提升管道至水面，这种方法允许由潜 水员完成管子之间的熔合焊或填充焊。所有工作可在干式焊接舱中进行， 也可由焊接潜水员进行湿法焊接。该方法虽不像水面修复那样对天气影响 特别敏感，但水下焊接对水下焊接技术是非常敏感的。 3 、 机械式连接器，目前有许多这类产品可用于管道的修复。这些产品不需要 将管道提升到水面，也不需要进行水下焊接。这些产品可适用于各种外形 和复杂程度的容器的修复。 1 3 3 柔性管线结构分析 柔性软管在绥中3 6 1 油田中的主要应用是代替了部分立管和膨胀弯。该柔性软管 具有挠性大、安装容易等诸多优点。但是，同样伴随着一些问题：最主要的是柔性和强 失效分析在海洋平台工程中的应用 度之间的矛盾。管线需要具有较大的柔性，而同时又必须满足外荷载要求。为了解决这 一矛盾，该管线采用了多层结构，关键层材料选用复合材料。 柔性管线从结构上分为三类： 1 、 单层管，单层管适用于温热带、浅海，海域水深5 m 之内的油田内部的油气 管网，在长输管道中一般只用于天然气管道。管道防腐一般采用内外喷涂 绝缘脂并采用牺牲阳极保护，牺牲阳极多采用均布法和手箍法两种。 2 、 双层保温关，双层管适用于各海域油田内部油、气管网，注水管网，在长 输管道中多用于液体管道。这种管保温性能好，环境温度对其干扰影响小， 适用范围广。管道防腐多采用保护套管外部p 涂绝缘脂，并加牺牲阳极 保护，内部管与外部保护套管之间采用聚氨酯泡沫保温层。 3 、 立管，立管是垂直于平台的海管部分，是极易受机械损伤的部分之一，也 是外部腐蚀和内部腐蚀的严重部位。飞溅区( 潮差带) 是电化学反应的集 中点，一般应有保护套管。 在柔性软管在实际应用中，两端均需要与普通钢管连接。而对于这样的多层结构来 说，软管与硬管之间的连接部分也成为了关键的部分。介绍一下该管线与法兰连接构造 和技术【9 】口 图1 4 末端装置 f i 9 1 4e n df i n i i l g s 该柔性管两端采用法兰连接的方式，与柔性管相连的一般法兰是可旋转式的，它与 柔性管之间不是焊接的，而是编织进柔性管的各层材料中去的。普通钢管则是与法兰的 另一半焊接在一起。连接法兰采用的是a n s i6 0 0 r 耶法兰。其中，f 1 e x t e n s i l e 层延伸入 法兰内部，与机构相互锁住，连接了管线和法兰。 全部输油、输气、输注海水管道外部都有均匀包裹的聚氨酯泡沫保温层。最外部是 保护套管，海管埋入海底泥面以下1 5 m 处( 以保护套管顶部为基准) 。 大连理工大学硕士学位论文 管线内部结构为多层结构，下图为管线内部结构示意图： n 帆a _ i c i 硝 斡铂毫皇l n 猢 e 蹦l 猎s t 且 村吨a 谴1 l c 雠l b 渊s 阻 爿y i j o n l p 鞭： 钔a 粕l s 9 3 墩 圈1 ，5w e l l s t r e 公司生产的8 英寸柔性管线示意图 f i 9 1 5c o n s t r u c t i o no ft h e8i n c hf 1 e x i b l ep i p e l i n ep r o d u c e db yw e l l s t r e a mc o m p a n y 图1 6 柔性管线剖面图 f 培1 6s e c t i o no f f l 酣m ep 和 各层的具体数据如表1 篡冀一藿善一 失效分析在海洋平台工程中的应用 表1 1 各层材料性能数据 t a b 1 1p a r a m e t e r so f e a c hl a y e ro f t h ef l 杈i b l ep i p e 从收集的柔性软管的薄弱环节是密封层与法兰连接部位，当受到较大的荷载作用 后，可以导致连接处的开裂。 管线的运输与安装：为了在运输和安装过程中不损坏柔性管线，要特别注意的是柔 性管线的最小弯曲半径，一般情况下，弯曲半径不得小于1 1 倍的最小弯曲半径。该平 台这次使用的3 条柔性管线的最小弯曲半径分别为o 7 8 m ，1 3 3 m 和1 4 7 m 。 这3 条柔性管线的安装均采用水面上与立管及平管连接的方式，步骤如下： ( 1 ) 首先将柔性管线的一端与立管连接好； ( 2 ) 将立管与柔性管线一起吊起，把立管送入到立管夹卡中，柔性管线的另一端 仍被吊在水面上； ( 3 ) 将铺好的平管吊出水面； ( 4 ) 连接平管与柔性管线的另一端； ( 5 ) 下放到海底。 大连理工大学硕士学位论文 绥中3 6 1 油田的平均水深为3 0 m ，为实现上述水面连接，选定柔性管线的长度为 6 0 m 。 1 4 管线室内拆解实验 为了确定管线的泄露位置需要对泄漏的管线进行拆解。在对现场检测报告与柔性管 线的基础数据分析后，将发生泄漏的管线运送到大连理工大学工业装备结构分析国家重 点实验室进彳亍了拆解。 在对管线的拆解前制定了比较详细的计划，主要包括如下内容： 在实验台上在管线与法兰连结处分层锯开，将复合管一层一层的剥开、清洗、拍照。 每剥开一层与管线资料比较与分析后再剥离下一层。 以下是管线由外向里分层剥离的照片与分析： 图1 7f l e x s h i e l d 照片 f i 9 1 7p h o t o 鲫ho f f l e x s h i e l d 1 第一层( f l c x s h i e l d ) ：即外层表皮。该层功能是防止管线受海水腐蚀。在管线 运到实验室前，已经发现最外层与法兰连接处已经脱开，直接露出了第三层。这说明管 线受到了较大的外荷载，从而导致了密封层的开裂。 检测报告中也指出潜水员发现管线的外层有环向开裂。外层的开裂可以说明管线受 力的变形比较大。 2 第二层( f l e x i i l s u l 2 ) ：该层由绝缘泡沫材料构成，起绝缘作用。拆解到该层可以 发现少量油污，但是，该层的螺旋状结构保持完整。 失效分析在海洋平台工程中的应用 图1 8f l e 豇n s u l 2 照片 f 培1 8p h o 姆昏r a p ho f f l e x 血印1 2 3 。第三层口l e x i n s u l l ) ：该层主要是为了增加了保温和防止了原油中蜡的沉积e 该 层螺旋状结构总体保持完好，其中有几条螺旋发生断裂。考虑本层为p v c 材料组成， 该层也不是事故发生层。 图1 9f 1 e x i n s u l l 照片 f 培1 9p h o t o f a p ho f f l e x i n s u l l 4 第四层( f l e ) ( w e 呻：该层起密闭作用，拆解至该层时发现了较多油污，经过清理 发现该层基本保持原状，只有接口处出现小面积破损，但由于破损处并未发生扩展，考 虑有可能是由于装配原因或者制作工艺或者材料老化等原因引起，而且破碎面积不大。 故认为不是事故发生层。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 0f l e x w e a r 照片 f i 9 1 1 0p h o t o g r a p ho f f l e x w e 盯 5 f l e 砒e n s i l e ：该层由螺旋状钢筋构成， 部外压和轴向张力。由于该层不起密闭作用， 生层。 为主要受力层，承受了管线所受的几乎全 而且结构保持完好，故不是泄漏的事故发 6 第六层岱l e x b a r r l e r ) ：起主要密闭作用，防止由于内压而使内部流体挤出和由于 外压而外部流体进入。拆解到该层，我们可以看到，该层发生了断裂，而且裂纹发生了 较大范围的扩展。可以断定，原油主要是从这一层泄漏出来的 图1 1 lf l e x t e n s i l e 照片 f i 9 1 11p h o t 0 舯p ho f f l e x t e n s i l e 失效分析在海洋平台工程中的应用 图1 1 2f l “b a m e r ( 密封层) 照片 f i 9 1 1 2p h o t o f a p ho f f l 【b 埘l e r 7 f i e x b o d y ：该层是互锁的金属螺旋状结构，可以使管线有一定的挠度，而且也承 担了内部流体压力。 图1 1 3f l e 曲o d y 照片 f i 9 1 1 3p h 咖g r a p ho f f l e x b o d y 通过对管线的拆解实验，可以得出结论，管线泄漏主要是第六层的密封层发生的开 裂，使原油从法兰连接处渗漏出来，这是为什么没有发生大量原油外泄的主要原因。 1 5 管线的环境荷载分析 管线的失效一定是由外荷载引起的，我们对管线进行了受力分析，研究了管线所受 的外荷载模式。 管线所受的荷载可分为两种：一类是极端外荷载，另一类是交变荷载。 首先，我们对管线进行了受力分析，研究了管线所受的外荷载模式。 假设管道发生的是小变形，且不考虑材料内部结构阻尼，内部流体和外部流体都仅 与管道产生相互作用【1 0 。12 1 。 p a 流体微元 b 管道微元 af l u i de l e m e n t i n t h e p i p e l 妇 b p 咖l i n ee l e m e n t 图1 1 4 内部流体与管道微元受力分析图 f 蟾1 1 4s t r e s s 也e 血i d 锄d p i p e l i e l e m e n t s 内部流体单元与管道单元：当不考虑外部流体时，取管内流体微元与管道单元受力 分析，其中p 为管内流体压力，s 为管道横截面内周长，r 为流体与管道结台面上的剪 应力，f 为流体作用于管道上横向力的线集度，t 、q 、m 分别为管道横截面上所受的轴 向拉力、横向剪力和弯矩。 由于管线为复合材料组成，当极端荷载超过管线的设计荷载时，可以在管线最薄弱的 位置产生开裂。极端荷载可以是正常作业荷载也可以是意外的荷载。一般情况下，意外 荷载要大于设计荷载，从而导致结构的破坏。 尽管w e l l m e a m 公司生产的柔性管采用了特殊的加强措施，但与完全金属管相比， 柔性管线的强度还是比较低，特别是管线于法兰的连接处，是管线的最薄弱位置，当受 到意外荷载可能产生破裂。 意外荷载主要是指机械损伤，其原因比较复杂，一种是对管线直接作用的荷载，比 如船锚的撞击作用，如在渤中的渤中3 4 油田、埋北油田和本油田都曾发生过类似事件， 尤其从a p p 到明珠号的输气管道在投产前试压中发现管道断裂，经查是渔船抛锚所致。 失效分析在海洋平台工程中的应用 另外一种是较大的变形，这主要是由于土壤的稳定是不合乎条件造成的。地层滑坡、蠕 动，或是地震引起的管线滑移，或者异常潮流和波浪作用以及冲蚀也会使局部海床下陷 导致的过大变形。所以，机械损伤是不可忽视的重要因素。意外大荷载具有一定的不可 预知因素，而大变形则是可以利用提高土壤的稳定性来预防： l 、使用配重混凝土土层； 2 、增加壁厚提高管线强度； 3 、改善管线回填方法，防止沉积物迁移。 管线的振动可以使破损处产生疲劳开裂，从而加速管线的失效。管线振动的激励荷 载分为管内部压力波动与管外部海流流场造成管线的涡激振动。 由于该管线内部介质为液体( 原油) ，所阻称为液体管道。在液压系统中，压力和 流量不可能完全没有波动，而液压系统的振动，往往又来源于压力和流量的波动，因此 引起管道振动的因素是客观存在的。通过现场检测的报告中也提到了管线确实有振动情 况存在。 管线固有频率和响应振幅的理论分析： 管系的自由振动方程为： 圈 z ) = 2 【m 】 x ) 其中国， z ) 是结构的频率和振型。 若管线结构上作用有简谐干扰力时，此时考虑阻尼时的振动方程为： m 】 r ) + c 】 p + 【足】 】，) = p ) s i n ( 目 ( 1 1 ) 式中 m 为质量矩阵； k 为刚度矩阵； c 为阻尼矩阵； p ) 为干扰力振幅列阵。应用振 型迭加法，将上述方程分解为一系列单自由度方程进行求解，可以求得整个管线结构各 阶固有频率和振型。 管道振动带来的危害性： ( 1 ) 影响人员精神状态，严重的管道振动给人们带来恐惧感，生产装置有时不能正常 运转： ( 2 ) 引起设备基础变形，部件损坏及仪表系统失灵； ( 3 ) 增加功耗，增大噪音，降低设备的有效功率； ( 4 ) 严重的管道振动会使管道构件产生疲劳破坏，造成输送流体、气体泄露，引起爆 炸、燃烧，可能会出现人身伤亡事故及平台的灾害性事故。 管道及其支吊架和与之相连的各种设备或装置构成了一个复杂的机械结构系统，该 系统产生振动的原因是由多种原因引起的： 一、管线外部流场，即海流引起的涡激振动。置于海里的管线，因各种原因所形成 的管跨段或者平台的悬空管线段，在潮流、波浪流经管线时，由于压力差的变化，引起 大连理工大学硕士学位论文 边界层剥离，即会造成尾流涡漩分离，并以一定的频率发放涡漩。若涡漩发放的频率与 管线的固有频率一致或相近时，则既可引起管线的共振，使管线损伤或破坏。但本管线 在水下是埋在泥沙下的，受此种振动影响相对较小，所以，可以忽略这种情况。 二、管道系统即管系一般是由多种管件组成，因此影响振动的因素也涉及到管道材 料、设备及特殊管道元件( 法兰) 的布置、管件( 弯头、三通、膨胀节，异径管等) 的 连接形式、管径的大小、支吊架的位置、管道的走向、管线内部流体流速、液压等变化 而引起的振动。管道内的流体在流过管道过程中，由于管路的弯头、管径变化等因素，不 可避免地有流速、压头的变化，这样就产生了管道振动问题。如活塞式压缩机、往复泵， 由于吸、排量的间歇性和周期性使管流的压力、速度、密度等参数既随位置变化，又随时 间变化。管流的压力、速度、密度等参数随时间呈周期性变化的现象称“管流脉动”。 管流脉动是引起管道及附属设备振动的主要原因。然而，通过研究搜集到的该柔性输油 管线的设计结构资料发现：内压的大小对管线结构影响最大的为起加强作用的 f i e x t e n s i l e 层，在拆解实验中我们已经看到f l e x t e n s i l e 层保持完好，并非事故发生层。 同时，资料中还说明，该管线对振动的抵抗能力很强，以上所述的内部流体运动或是流 速、内压的变化等引起的一般振动本身不足以对管线造成破坏。 为了减弱涡激振动对管线的影响，一般都会将海底管线埋藏在土壤之下，一般埋藏 深度应在管顶上1 1 5 m 左右。但是，由于波浪因素的影响，埋藏在土壤下的柔性管线 同样存在着安全隐患1 1 ”。 一种情况是由于波浪的周期性重复与管线的覆盖层土壤冲击作用，当孔隙渗漏液窜 入到覆盖层土壤内，覆盖层土壤的有效抗碱强度逐渐减小，以致降至零，就会造成土壤 液化。土壤液化后，将使管线浮起，造成严重后果。 还有一种情况就是若其覆盖层土壤在周期性波浪冲击下，由于管线的埋深不够；或 是回填的填料不如管沟周围的土壤固实；或是管线回填后，没有将回填填料压实，就会 发生有效抗剪切强度降低甚至降为零，这样，覆盖层不再给管线施加足够的向下的压力。 这时，一旦管线的密度小与其周围介质的密度时，则管线就会浮到土与水的界面处，出 现漂浮状态，此现象即为管线漂浮。管线漂浮现象发生后，管线就完全暴露在波浪与海 流的水动力作用之下，带来危害严重【悼1 7 】。 所以，为了防止这种情况的发生，可采取的措施有： 1 、埋管线于土壤液化深度之下； 2 、用锚将土壤液化段管线紧固； 3 、回填填料采用不会液化的材料； 4 、土壤液化段采用石块堆在土层之上 失效分析在海洋平台工程中的应用 计算管道系统是一个连续的弹性结构系统，它在管内脉动流体的激发下，产生相应 的机械振动，所以，在未来的设计管道系统工作中除了计算管内气柱固有频率和压力脉 动值外，还必须对管系的结构固有频率和机械振动响应进行分析和计算，只有这样才能 断定管系的安全可靠程度。 1 6 管线所处环境条件以及输送介质影响分析 环境条件也是管线失效分析的重要内容，如果管线在极端的温度与腐蚀环境条件可 以降低结构的使用寿命。项目执行过程中查阅了s z 3 6 - l 海域的环境条件。 平台主要海况如下； 平均水深：3 2 c 最高气温：3 7 8 。c 主流向：5 0 。和2 3 0 。 最低气温：一2 5 。c 强风向：n 海水表层最高水温：2 7 1 c 常风向：s s w 海水表层最低水温：一2 1 。c 强浪向：s s w 海水底层最高水温：2 5 6 c 海水底层最低水温：一1 4 。c 塑料的刚性随所处的环境温度的变化面变化，在标准环境的温度下表现为韧性或者 非刚性的塑料当环境温度向低温方向变化而达到某一低温区域时，就表现出呈刚性， 继而变成脆性。对于该柔性软管所在的海域，水深比较浅，海底温度随季节变化较大， 在冬季，海底温度