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【摘要】海底管道是敷设在水下或埋于海底一定深度的输送石油、天然气、水等的管道，是海洋石油的生命线。如果没有合理的安全风险评估技术以及有效的防治措施，将会造成海底管道的堵塞或管道的破裂，不但严重影响海上油田的正常生产，还会造成严重的海洋环境污染。因此，必须有效的预测海底管道安全风险，合理的评估海底管道安全风险，防止海底管道安全事故的发生。
【关键词】海底管道 安全风险 风险评估
海底管道是海上油气集输的主要手段，负责海洋石油平台与平台之间、平台与陆地之间的石油、天然气和水等介质的输送。按照设施名称可划为海上油田内部的油/气集输管道和注水管道、海上油田至陆地的输油/气管道、陆地到海上系泊装置间的海底管道以及岛屿间海底管道等。
1 海底管道的安全风险因素
海底管道经受自重、管内介质、内压、外部水压等工作载荷，以及风、浪、流、冰和地震等环境载荷的作用。因而，海底管道存在腐蚀失效、悬跨疲劳失效、第三方破坏等多种失效模式。海底管道工程的危险因素主要由以下3部分组成：
（1）海底管道自身固有安全风险；（2）海底管道生产运行过程中的风险；（3）自然环境及第三方引起的安全风险。
1.1 海底管道自身固有安全风险
海底管道工程以下几类固有安全风险：①输送介质的安全风险；②管道系统选型安全风险；③铺管施工质量风险；④焊接瑕疵引起的安全风险；⑤海管材质瑕疵等。通常认为管道失效往往依赖于管道材料、管道结构尺寸、管道周围的环境条件、操作条件以及相应的保护措施等。
1.2 海底管道生产运行过程中的安全风险
海底管道生产运行过程中的同样存在着各种安全风险，重要可以分为以下几类：
管道腐蚀。海底管道内部的输送介质造成腐蚀，如二氧化碳造成的均匀腐蚀和局部腐蚀、硫化氢的应力腐蚀开裂、磨损腐蚀、微生物腐蚀等。护管保护层损坏，海生物。
管道堵塞。原油管道停输后，管线中的原油不断冷却，段塞流堵塞管线；管线中的天然气停输后，在一定压力条件下，将形成水化物，也会堵塞管线，从而给管线再启动带来困难。
疲劳失效。服役中的海底管道由于管道振动、流体流动作用、悬跨等情况均可能导致疲劳裂纹扩展和断裂。
1.3 自然环境及第三方引起的安全风险
海底管道在施工和服役期间，自然条件的变化以及其他海上资源的活动都是海底管道潜在的安全风险。
自然环境。潮汐及海流冲刷对管道覆盖层影响，造成海底管道覆盖层厚度降低甚至覆盖层消失，造成海底管道架空产生管道悬跨。海水会在管道支座和卡箍等位置积聚，加快未保温管道的腐蚀速率[2]。
船舶。对海底管道有影响的各种作业（挖泥、抛锚、炸鱼或海底爆破等）的船舶资源活动。
海洋平台等落物撞击海底管道的安全风险。
2 海底管道的安全风险评价方法
2.1 腐蚀管线的安全评估
目前针对腐蚀管线剩余强度的分析主要应用ANSYS软件，对腐蚀管线的剩余强度进行弹性和非线性有限元分析，分析考虑了内腐蚀和外腐蚀两种情况，非线性分析中考虑了材料非线性和几何非线性。基于一定的失效准则，根据有限元分析的结果对各模型的失效压力进行预测，预测结果和ASME B31G准则的结果进行对比分析，可以得出以下结论：
弹性有限元分析结果表明，弹性分析结果具有很大的保守型，用于腐蚀管线剩余强度的分析室不合适的。
用非线性有限元方法对腐蚀管线剩余强度进行评估师可行的。
弹性分析和非线性分析结果都表明，腐蚀的尺寸影响管线的剩余强度，其中深度有较大影响，腐蚀的宽度也有一定影响。
腐蚀的尺寸是影响管线剩余强度的主要因素，内外腐蚀没有太大的区别，可以采用相同的方法进行评估。
2.2 浅海服役管道寿命评定
海底管道的使用寿命收到多种复杂因素的影响，需要综合应用多个工程学科的基础理论，针对海底管道的不同的服役状况，应建立不同的计算模型，对海底管道的寿命进行评估与预测。
目前海底管道的结构寿命模型一般分为疲劳寿命模型和复试失效寿命模型两种，但对于绝大多数海底管道来说，疲劳与腐蚀是同时存在的，根据腐蚀的严重程度一般分为出以下三种情况来评估：
对于以疲劳为主的工况，按照常规疲劳评估方法进行处理。
对于均匀腐蚀比较严重的工况，则通过计入腐蚀引起的海管壁厚减薄来考虑其对于盈利以及腐蚀疲劳寿命的影响。
对于以点蚀为主的工况，由于海管为焊接结构，缺陷是难以避免的，建议将腐蚀疲劳过程分为两个阶段，对腐蚀扩展寿命和疲劳裂纹扩展寿命分包进行计算，然后再相加得到总寿命。
2.3 基于DNV标准对落物撞击海底管道的安全风险评定
海洋平台吊机起吊货物以及供货船舶装卸物资等作业活动频繁，在这些作业中，难免出现落物事故，海底管道在平台附近布置密集，很容易受到落物撞击并造成损伤。DNV提出了一种偶然载荷作用下管线保护的风险评估方法，对于管线受损坏成都、选择性保护措施、损坏频率和结果评估提出了建议。根据DNV的方法对，并以某平台海底管道为例，进行了评估计算，获得了以下结论：
在DNV推荐的计算方法存在如下的缺陷：没有给出确定最可能坠落点位置的具体方法，计算不同坠落点会发现撞击概率偏差较大；只能得到圆环内管线段的碰撞概率，无法得到任意文职的关系碰撞概率。这些缺陷可以通过改进计算碰撞概率的方法进行优化[5]。
可以通过概率统计的方法和随机模拟的手段，采用失效概率定量确定管道在各类落物载荷作用下的各区域内的失效概率和失效后果。从而提高安全风险定量的可信度。
3 结论
海底管道安全风险评估的主要目的，是最大限度地减少事故发生率和尽可能地延长海底管道的使用寿命，有效地降低海底管道维护费用。由于海底管道服役的环境复杂、多变和恶劣，因此，保证海底管道的安全平稳运行是首先需要考虑的问题。运用安全风险评估的理念和基于各种标准和规定对海底管道进行失效概率分析和失效后果评估，能够为海底管道的结构完整性管理提供有力的技术支持。
参考文献
[1] 元少平.海管安全管理[J].管道技術与装备，2008，（06）
[2] 刘明亮，张玉凤，等.海底管道安全性评定方法的分析[J].焊接学报.2006，（08）
[3] 丁红岩，乐丛欢等.落物撞击作用下海底管道风险评估[J].海洋工程，2010，（01）
作者简介
周子鹏（1983-），男，辽宁锦州人，工程师，2008年毕业于河北工业大学，硕士研究生，现就职于海洋石油工程股份有限公司，从事海底管道结构设计，海底管道工程校核分析，海上采油平台管道设计及应力分析等工作。
【关键词】海底管道 安全风险 风险评估
海底管道是海上油气集输的主要手段，负责海洋石油平台与平台之间、平台与陆地之间的石油、天然气和水等介质的输送。按照设施名称可划为海上油田内部的油/气集输管道和注水管道、海上油田至陆地的输油/气管道、陆地到海上系泊装置间的海底管道以及岛屿间海底管道等。
1 海底管道的安全风险因素
海底管道经受自重、管内介质、内压、外部水压等工作载荷，以及风、浪、流、冰和地震等环境载荷的作用。因而，海底管道存在腐蚀失效、悬跨疲劳失效、第三方破坏等多种失效模式。海底管道工程的危险因素主要由以下3部分组成：
（1）海底管道自身固有安全风险；（2）海底管道生产运行过程中的风险；（3）自然环境及第三方引起的安全风险。
1.1 海底管道自身固有安全风险
海底管道工程以下几类固有安全风险：①输送介质的安全风险；②管道系统选型安全风险；③铺管施工质量风险；④焊接瑕疵引起的安全风险；⑤海管材质瑕疵等。通常认为管道失效往往依赖于管道材料、管道结构尺寸、管道周围的环境条件、操作条件以及相应的保护措施等。
1.2 海底管道生产运行过程中的安全风险
海底管道生产运行过程中的同样存在着各种安全风险，重要可以分为以下几类：
管道腐蚀。海底管道内部的输送介质造成腐蚀，如二氧化碳造成的均匀腐蚀和局部腐蚀、硫化氢的应力腐蚀开裂、磨损腐蚀、微生物腐蚀等。护管保护层损坏，海生物。
管道堵塞。原油管道停输后，管线中的原油不断冷却，段塞流堵塞管线；管线中的天然气停输后，在一定压力条件下，将形成水化物，也会堵塞管线，从而给管线再启动带来困难。
疲劳失效。服役中的海底管道由于管道振动、流体流动作用、悬跨等情况均可能导致疲劳裂纹扩展和断裂。
1.3 自然环境及第三方引起的安全风险
海底管道在施工和服役期间，自然条件的变化以及其他海上资源的活动都是海底管道潜在的安全风险。
自然环境。潮汐及海流冲刷对管道覆盖层影响，造成海底管道覆盖层厚度降低甚至覆盖层消失，造成海底管道架空产生管道悬跨。海水会在管道支座和卡箍等位置积聚，加快未保温管道的腐蚀速率[2]。
船舶。对海底管道有影响的各种作业（挖泥、抛锚、炸鱼或海底爆破等）的船舶资源活动。
海洋平台等落物撞击海底管道的安全风险。
2 海底管道的安全风险评价方法
2.1 腐蚀管线的安全评估
目前针对腐蚀管线剩余强度的分析主要应用ANSYS软件，对腐蚀管线的剩余强度进行弹性和非线性有限元分析，分析考虑了内腐蚀和外腐蚀两种情况，非线性分析中考虑了材料非线性和几何非线性。基于一定的失效准则，根据有限元分析的结果对各模型的失效压力进行预测，预测结果和ASME B31G准则的结果进行对比分析，可以得出以下结论：
弹性有限元分析结果表明，弹性分析结果具有很大的保守型，用于腐蚀管线剩余强度的分析室不合适的。
用非线性有限元方法对腐蚀管线剩余强度进行评估师可行的。
弹性分析和非线性分析结果都表明，腐蚀的尺寸影响管线的剩余强度，其中深度有较大影响，腐蚀的宽度也有一定影响。
腐蚀的尺寸是影响管线剩余强度的主要因素，内外腐蚀没有太大的区别，可以采用相同的方法进行评估。
2.2 浅海服役管道寿命评定
海底管道的使用寿命收到多种复杂因素的影响，需要综合应用多个工程学科的基础理论，针对海底管道的不同的服役状况，应建立不同的计算模型，对海底管道的寿命进行评估与预测。
目前海底管道的结构寿命模型一般分为疲劳寿命模型和复试失效寿命模型两种，但对于绝大多数海底管道来说，疲劳与腐蚀是同时存在的，根据腐蚀的严重程度一般分为出以下三种情况来评估：
对于以疲劳为主的工况，按照常规疲劳评估方法进行处理。
对于均匀腐蚀比较严重的工况，则通过计入腐蚀引起的海管壁厚减薄来考虑其对于盈利以及腐蚀疲劳寿命的影响。
对于以点蚀为主的工况，由于海管为焊接结构，缺陷是难以避免的，建议将腐蚀疲劳过程分为两个阶段，对腐蚀扩展寿命和疲劳裂纹扩展寿命分包进行计算，然后再相加得到总寿命。
2.3 基于DNV标准对落物撞击海底管道的安全风险评定
海洋平台吊机起吊货物以及供货船舶装卸物资等作业活动频繁，在这些作业中，难免出现落物事故，海底管道在平台附近布置密集，很容易受到落物撞击并造成损伤。DNV提出了一种偶然载荷作用下管线保护的风险评估方法，对于管线受损坏成都、选择性保护措施、损坏频率和结果评估提出了建议。根据DNV的方法对，并以某平台海底管道为例，进行了评估计算，获得了以下结论：
在DNV推荐的计算方法存在如下的缺陷：没有给出确定最可能坠落点位置的具体方法，计算不同坠落点会发现撞击概率偏差较大；只能得到圆环内管线段的碰撞概率，无法得到任意文职的关系碰撞概率。这些缺陷可以通过改进计算碰撞概率的方法进行优化[5]。
可以通过概率统计的方法和随机模拟的手段，采用失效概率定量确定管道在各类落物载荷作用下的各区域内的失效概率和失效后果。从而提高安全风险定量的可信度。
3 结论
海底管道安全风险评估的主要目的，是最大限度地减少事故发生率和尽可能地延长海底管道的使用寿命，有效地降低海底管道维护费用。由于海底管道服役的环境复杂、多变和恶劣，因此，保证海底管道的安全平稳运行是首先需要考虑的问题。运用安全风险评估的理念和基于各种标准和规定对海底管道进行失效概率分析和失效后果评估，能够为海底管道的结构完整性管理提供有力的技术支持。
参考文献
[1] 元少平.海管安全管理[J].管道技術与装备，2008，（06）
[2] 刘明亮，张玉凤，等.海底管道安全性评定方法的分析[J].焊接学报.2006，（08）
[3] 丁红岩，乐丛欢等.落物撞击作用下海底管道风险评估[J].海洋工程，2010，（01）
作者简介
周子鹏（1983-），男，辽宁锦州人，工程师，2008年毕业于河北工业大学，硕士研究生，现就职于海洋石油工程股份有限公司，从事海底管道结构设计，海底管道工程校核分析，海上采油平台管道设计及应力分析等工作。