近些年來，隨著油氣能源需求量的不斷增加和陸上油氣開采數(shù)量持續(xù)減少，海上油氣資源的開采力度不斷增大。雖然海上油氣可以通過多種渠道輸送至陸上油庫，但是在這些渠道中，管道運輸仍然是成本最低、受外界干擾最小的一種方式。由于海洋環(huán)境較為復(fù)雜，所以海底管道不可避免地會出現(xiàn)大量的缺陷，從而威脅管道安全。與陸上管道相比，海底管道實施檢測的難度相對較大，只能通過加強防護的方法保障管道安全。在該研究中，首先對海底管道的特點進行了介紹，分析影響海底管道失效的因素及具體原因，并提出有效的防護措施和管道修復(fù)措施，為促進國內(nèi)海洋油氣資源的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 海底管道特點

1. 1 建設(shè)投資高

 

與建設(shè)陸上油氣管道不同，在建設(shè)海底油氣管道的過程中，需要大量的船只協(xié)同作業(yè)。例如，管溝開挖需要開溝船，管道運輸需要材料供給船，管道鋪設(shè)需要鋪管船； 另外，在整個作業(yè)的過程中，需要輔助船只參與。眾多船只的協(xié)同作業(yè)需要充足的資金保障。

1. 2 施工質(zhì)量要求嚴(yán)格

 

由于海底管道所處的環(huán)境較為復(fù)雜和特殊，勢必增加施工難度，一旦管道出現(xiàn)危險事故，需要投入維護的資金相對較多； 因此，在管道建設(shè)階段，對管道設(shè)計施工的質(zhì)量要求相對較高。

1. 3 所處環(huán)境多變

 

眾所周知，海洋環(huán)境變化無常、難以預(yù)測，且變化都較為劇烈（ 例如出現(xiàn)的臺風(fēng)、海浪等） 。因此，在進行海底管道建設(shè)時，要隨時對海洋環(huán)境進行檢測，以便出現(xiàn)危險事故時，能及時采取必要的補救措施。

1. 4 施工作業(yè)復(fù)雜

 

雖然海底管道建設(shè)工作大部分都是在海洋進行，但是也存在少部分工作需要陸上項目組的配合，例如管道的研制、船只的建造和維護、食品及水源的供應(yīng)等等； 同時，建設(shè)船只的走向及所應(yīng)到達的位置也需要陸上基地的配合，因此，海底管道建設(shè)整個施工作業(yè)過程變得更加復(fù)雜。

2 海底管道失效統(tǒng)計分析

 

據(jù)統(tǒng)計，在1986—2016 年的30 年內(nèi)，國內(nèi)共在相關(guān)海域內(nèi)建設(shè)管道315 條，管徑為50. 8 ～762. 0 mm，總長度高達6 202 km，主要用于天然氣輸送、原油輸送以及混輸?shù)取鴥?nèi)1986—2016 年的30 年內(nèi)管道數(shù)量和管道長度統(tǒng)計結(jié)果見圖1。

 

在這30 年內(nèi)，國內(nèi)共發(fā)生海底管道事故51次，事故的具體原因統(tǒng)計見圖2。從圖2 可以看出，這些事故主要是由于管道腐蝕、第三方破壞、工程質(zhì)量問題以及自然災(zāi)害所引起，其中，自然災(zāi)害主要包括臺風(fēng)和浪花沖擊等。

 

從圖3 可以看出，腐蝕和第三方破壞兩種威脅因素在各個海域均有分布，在東海地區(qū)并沒有出現(xiàn)因工程質(zhì)量問題引發(fā)的失效事故，在渤海地區(qū)和南海西部并沒有出現(xiàn)因自然災(zāi)害引發(fā)的失效事故，在南海區(qū)域出現(xiàn)的因腐蝕問題所引發(fā)的失效事故數(shù)量最多。

 

3 海底管道失效原因分析

3. 1 腐蝕

 

腐蝕是引起海底管道失效最主要的因素，也是威脅海底管道安全的關(guān)鍵所在。一般情況下，可以將海底管道腐蝕問題分為海底管道外腐蝕和海底管道內(nèi)腐蝕兩種類型。

3. 1. 1 海底管道外腐蝕

 

海底管道完全處于海水環(huán)境中，海水的組成成分十分復(fù)雜，含有大量的無機鹽和有機成分，因此，海水屬于一種電解質(zhì)。由于管道自身具有一定的導(dǎo)電性能，使得管道與海水之間組成了原電池，加快了管道的電化學(xué)腐蝕； 在另一方面，海洋環(huán)境的鹽含量相對較大，這促使管道的導(dǎo)電性能增加，進一步使得管道的腐蝕速率增加。

當(dāng)然，海底管道的腐蝕速率并不是恒定的，其具體數(shù)值與海洋環(huán)境溫度、管道所處的海底深度以及海水的流速都具有一定的關(guān)系。一般情況下，海水流速對管道外腐蝕的影響最大，這主要是海水中含有大量的顆粒物分子，這些顆粒物會沖刷管道表面，從而使得管道表面的保護層被破壞；海洋環(huán)境溫度對腐蝕速率的影響也十分明顯，一般情況下，海洋環(huán)境的溫度越高，管道電化學(xué)反應(yīng)的速度越快，其腐蝕越嚴(yán)重； 管道所處的海底深度越深，管道所處的溫度越低，管道的外腐蝕速率越小，但是，管道所處深度越低，管道的設(shè)計及建設(shè)成本就越高，因此，管道深度的選擇必須結(jié)合多方面的因素。

3. 1. 2 管道內(nèi)腐蝕

 

在對陸地油氣資源進行開采以后，一般需要進行深層次處理才進行長輸，但是由于海洋平臺的面積相對較小，因此，海底油氣資源開采以后，僅能對其進行簡單處理然后進行輸送，這使得油氣資源中含有大量的酸性成分和細菌。酸性成分一般分為兩種類型，分別是H2S 和CO2。

H2S 的存在會使得海底管道內(nèi)表面產(chǎn)生全面腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂，產(chǎn)生局部腐蝕的可能性相對較小，當(dāng)然，具體產(chǎn)生何種腐蝕主要和H2S 的濃度以及管道材料有關(guān)； CO2的存在主要會使得海底管道產(chǎn)生局部腐蝕； 油氣資源中細菌的存在，會使得管道內(nèi)表面腐蝕速率增加。

3. 2 第三方破壞

 

第三方破壞是引起海底管道腐蝕失效的第二大因素。對于海底管道而言，第三方破壞主要分為三種形式，分別是漁業(yè)活動、航道作業(yè)和墜落物體，其中，漁業(yè)活動又可以分為船只拋錨、漁網(wǎng)破壞以及沉船三種類型。

3. 2. 1 漁業(yè)作業(yè)

 

船只拋錨會對海底管道的外部配重設(shè)施產(chǎn)生損壞（ 例如對混凝土層產(chǎn)生破壞等） ，同時也會引起管道產(chǎn)生局部的開裂。漁網(wǎng)會纏繞海底管道，在對漁網(wǎng)進行拖拽的過程中，會對管道的防護層產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重時可能會引起管道產(chǎn)生斷裂，從而造成油氣資源泄漏。當(dāng)產(chǎn)生沉船問題時，會使得海底管道承受較大的載荷，從而造成管道產(chǎn)生損傷。

3. 2. 2 航道作業(yè)

 

在進行船只的航道作業(yè)時，若船只與海底管道之間的距離較小，則船只的行駛也會對管道產(chǎn)生影響，例如船只行駛部位海水流速較快，從而對管道產(chǎn)生沖蝕。

3. 2. 3 墜落物體

 

當(dāng)船只從管道周圍經(jīng)過時，船只上會有物體掉落，掉落的物體會對管道產(chǎn)生沖擊，從而使得管道表面產(chǎn)生局部缺陷； 當(dāng)沖擊力較大時，可能會直接擊穿管道，從而造成油氣泄漏。

3. 3 工程質(zhì)量

 

與陸地油氣管道相比，海底油氣管道對工程質(zhì)量的要求相對較高，工程質(zhì)量也是引起海底管道失效的主要原因。施工質(zhì)量問題主要可以分為三個方面，分別是焊接質(zhì)量不合格、外防腐層不合格以及承重設(shè)施不足。

3. 3. 1 焊接質(zhì)量不合格

 

不管是陸地管道還是海底管道，由于焊接問題所引起的管道失效事故相對較多。對于海底管道而言，對焊接質(zhì)量的要求更高，這主要是因為海底管道的焊接位置處更容易遭受腐蝕和沖蝕。當(dāng)海底管道焊接質(zhì)量不合格時，輕則會產(chǎn)生油氣泄漏，重則可能導(dǎo)致管道斷裂，從而引起更大風(fēng)險。

3. 3. 2 外防腐層不合格

 

由于海底管道外壁極易遭受腐蝕，因此，需要在管道外壁增設(shè)防腐層。當(dāng)外防腐層存在問題時，勢必會加速管道的腐蝕失效。

3. 3. 3 固定設(shè)施不足以抵消其浮力

 

一般來說，海底管道必須增設(shè)一定的固定設(shè)施，否則管道將在海水浮力的作用下產(chǎn)生變形。

如果管道的固定設(shè)施不足以抵消其浮力，管道可能會因變形而斷裂。

3. 4 自然災(zāi)害

 

與陸地環(huán)境相比，海洋環(huán)境變化多端，且環(huán)境的變化較為劇烈，當(dāng)海洋環(huán)境產(chǎn)生變化時，海底管道的安全將會受到嚴(yán)重的威脅。對于海洋環(huán)境而言，威脅海底管道安全的自然災(zāi)害因素主要可以分為兩種類型，分別是地震和臺風(fēng)。

3. 4. 1 地震

 

當(dāng)海洋環(huán)境中出現(xiàn)地震災(zāi)害時，海底表面將產(chǎn)生嚴(yán)重的地表變形，從而出現(xiàn)斷層，嚴(yán)重時可能會在海底出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，使得管道的損壞概率升高。一般來說，由于地震問題所引發(fā)的管道失效主要集中于兩處位置，一是管道連接處，在地震的作用下此位置極易出現(xiàn)斷裂； 二是管道附件位置，例如閥門、三通等，在地震的作用下，極易使管道附件遭受破壞。

3. 4. 2 臺風(fēng)

 

當(dāng)海洋環(huán)境中出現(xiàn)臺風(fēng)問題時，海底表面可能會出現(xiàn)地面運動，從而使得管道產(chǎn)生位移； 如果管道的拉伸應(yīng)力不足，則會引發(fā)管道斷裂。同時，管道產(chǎn)生位移以后，可能會在其他因素的作用下，再次產(chǎn)生安全問題。

4 海底管道防護及修復(fù)措施

4. 1 防護技術(shù)

4. 1. 1 防腐蝕措施

（ 1） 內(nèi)防腐

 

海底管道的內(nèi)防腐蝕措施主要可以分為兩種類型，一種是在管道內(nèi)加入緩蝕劑，另一種是對管道內(nèi)壁應(yīng)用內(nèi)涂層技術(shù)。雖然增加緩蝕劑確實可以有效地防止管道內(nèi)壁腐蝕，而且目前大多數(shù)海底管道都采用該種方法進行內(nèi)壁防腐蝕； 但是緩蝕劑的配比需要根據(jù)實際輸送介質(zhì)的不同進行合理的設(shè)計。在內(nèi)涂層技術(shù)方面，目前較為成熟的技術(shù)有環(huán)氧粉末內(nèi)涂層技術(shù)、液體環(huán)氧涂料內(nèi)涂層技術(shù)等。盡管各種內(nèi)涂層技術(shù)的原理不同，但是最終都能有效降低管道內(nèi)壁的腐蝕速率。

（ 2） 外防腐

 

對于海底管道而言，在采取外防腐措施時，首先應(yīng)考慮該種措施的防水性能； 同時，也必須考慮海底管道的服役時間。目前，常見的海底管道外防腐技術(shù)有三種類型，分別是熔結(jié)環(huán)氧粉末外防腐層技術(shù)、3LPE 防腐技術(shù)以及襯塑管道技術(shù)。熔結(jié)環(huán)氧粉末外防腐層技術(shù)主要用于海底單層管道實施防腐。3LPE 防腐技術(shù)可以用于海底單層管道、雙層管道以及配重管道實施防腐，因此，3LPE防腐技術(shù)的應(yīng)用范圍相對較廣。由于襯塑管道技術(shù)的投資成本相對較高，因此一般不用于海底管道外防腐。

（ 3） 陰極保護

 

常見的海底管道陰極保護技術(shù)可以分為兩種類型，一種是外加保護電流，另一種是犧牲陽極。

兩種方法都是對金屬管道施加電子，使其處于電子過剩的狀態(tài)，從而使得管道始終處于負電位的狀態(tài)，這種金屬管道就不容易被腐蝕。但是兩種方法有一定的區(qū)別，外加保護電流就是對管道施加電流，從而達到施加電子的目的，海底管道的涂層破損越嚴(yán)重，則施加的電流密度就相對越大。

犧牲陽極就是將管道與一塊活躍的金屬材料相連，使得活躍金屬與管道之間組成原電池； 而管道將成為原電池的陰極，在進行電化學(xué)反應(yīng)的過程中，管道作為陰極將會受到保護。一般來說，犧牲陽極的方法更為簡單，實施成本相對較低； 因此，目前的海底管道基本都采用犧牲陽極的技術(shù)進行陰極保護。

（ 4） 使用不銹鋼材料

 

采用不銹鋼管道材料，能從本質(zhì)上解決海底管道的腐蝕問題，從而使得海底管道的使用壽命得以延長。目前，最常見的不銹鋼材料有B10 /B30 不銹鋼、HDR 雙相不銹鋼等； 但是，使用不銹鋼材料建設(shè)海底管道的成本相對較高，目前使用尚不廣泛。

4. 1. 2 防止第三方破壞措施

（ 1） 嚴(yán)格把控漁船作業(yè)區(qū)域目前，國內(nèi)僅對漁船作業(yè)的時間進行了明確的規(guī)定，但是并沒有對漁船的作業(yè)范圍及空間進行明確規(guī)定。由于漁民對海底管道的建設(shè)并不了解，所以在作業(yè)時并沒有在管道所在區(qū)域?qū)嵤┮欢ǖ姆婪洞胧瑥亩斐闪斯艿榔茐牡葐栴}。因此，國家相關(guān)部門應(yīng)充分考慮海底管道所處位置，劃定禁捕區(qū)域，從而避免對管道造成傷害［12］。

（ 2） 嚴(yán)格把控航運船只航道為了保障航運船只不會對海底油氣管道造成損壞，同時也為了有效避免墜落物體對管道造成破壞，海運部門應(yīng)對通過相應(yīng)海域的船只制定專門的航道，航道應(yīng)盡可能遠離海底管道所處區(qū)域。

另外，可以在海運船只上安裝監(jiān)控設(shè)施，嚴(yán)格監(jiān)控其航運路線，防止因船員航行失誤駛?cè)牒５坠艿浪巺^(qū)域，從而嚴(yán)格避免航運船只對管道造成損壞。

4. 1. 3 提高工程質(zhì)量措施

（ 1） 提高焊接和防腐層質(zhì)量

 

在提高海底管道焊接質(zhì)量方面，可以采取以下措施，其中提高焊接人員的技能水平最為重要。

目前的焊接技術(shù)已經(jīng)相對較為成熟，焊接人員的技能水平將是焊接質(zhì)量最為重要的影響因素，因此，應(yīng)首先提高焊接人員的技能水平［13］。由于進行焊接作業(yè)的設(shè)備也會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，因此，施工單位應(yīng)定期對焊接設(shè)備進行維護，并盡可能提高設(shè)備的先進水平。一般情況下，焊接所處環(huán)境的濕度、溫度以及風(fēng)速都會對最終的焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，在進行焊接作業(yè)時，所處環(huán)境的溫度要低于焊接材料的最低運行溫度，風(fēng)速也應(yīng)處于正常值范圍內(nèi)，若超過正常值則需要增設(shè)防風(fēng)設(shè)備； 當(dāng)環(huán)境的濕度較高時，則不能進行焊接作業(yè)。

目前的海底管道防腐層技術(shù)也相對較為成熟； 但是，管道補口位置如何進行防腐蝕是一項重大難題，最常見的補口防腐蝕技術(shù)有聚氨酯補口防腐蝕技術(shù)、FBE + 改性聚烯烴節(jié)點防腐蝕技術(shù)以及高性能復(fù)合涂層防腐蝕技術(shù)，補口防腐蝕技術(shù)如何選擇需要根據(jù)實際而定。

（ 2） 堅持周期性檢測

 

在海底管道長時間運行以后，管道的焊接位置、防腐層不可避免的會出現(xiàn)破損； 同時，管道的固定設(shè)備也會出現(xiàn)一定程度的變化。因此，這就需要對焊口、防腐層以及固定設(shè)備進行周期性檢測，及時發(fā)現(xiàn)這些部位或設(shè)備存在的問題，并采取一定的措施進行解決。

4. 1. 4 防自然災(zāi)害措施

 

（ 1） 提高管道材料的拉伸強度

 

自然災(zāi)害對管道造成的破壞十分巨大，將使得管道產(chǎn)生變形，當(dāng)管道所受實際拉伸應(yīng)力大于理論拉伸強度時，管道將遭受到破壞，因此，提高管道材料的拉伸強度是防止自然及地質(zhì)災(zāi)害引起管道破壞的有效措施。但是，提高海底管道的拉伸強度，勢必會增加管道的投資成本，因此，一般不采用該措施。

（ 2） 做好危害預(yù)防措施

 

對于防止自然及地質(zhì)災(zāi)害問題，目前并沒有太好的解決措施，因此，只能加強對海洋環(huán)境的實時監(jiān)控，根據(jù)海洋環(huán)境變化，隨時做好管道損毀的應(yīng)急預(yù)案，盡可能降低管道損毀所產(chǎn)生的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。

4. 2 修復(fù)技術(shù)

 

4. 2. 1 管道變形

 

一般情況下，管道變形并不會造成泄漏問題，但是卻會使得海底管道的使用壽命嚴(yán)重下降，當(dāng)海底管道的變形程度相對較大時，則無法對其進行清管作業(yè)，因此，當(dāng)管道產(chǎn)生變形時，十分有必要對其進行修復(fù)。在進行管道修復(fù)之前，需要對管道的變形位置及變形量進行詳細的勘查。當(dāng)管道的變形量相對較小時，可以采用管道校正措施，校正其變形量； 當(dāng)管道的變形量相對較大時，應(yīng)對變形管段進行及時的更換。

4. 2. 2 管道穿孔

 

海底管道的穿孔問題一般都是由腐蝕所造成，管道穿孔并不會使得管道產(chǎn)生較大的變形，但是可能會對環(huán)境產(chǎn)生影響。針對穿孔問題，目前最常見的修復(fù)技術(shù)為機械封堵卡箍技術(shù)，該技術(shù)的實施需要潛水員來完成，也可以有海底機器人完成。當(dāng)管道的泄漏孔相對較小時，也可以使用特種密封膠對孔洞進行密封處理，從而達到管道修復(fù)的目的。

4. 2. 3 管道裂縫

 

當(dāng)海底管道上出現(xiàn)裂縫問題時，管道的泄漏量相對較大，此時海上油氣田單位必須停止正常的生產(chǎn)作業(yè)，待管道修復(fù)之后，才能繼續(xù)生產(chǎn)。

若管道裂縫位置出現(xiàn)于海洋的淺水區(qū)（ 低于5 m） ，此時可以采用水上焊接技術(shù)對管道進行修復(fù)； 若管道裂縫位置出現(xiàn)于海洋的深水區(qū)（ 超過5 m） ，則需要采用沉井式常壓干式艙對管道進行修復(fù)。

4. 2. 4

 

，同樣都會引起海洋環(huán)境污染和海上油氣田停止作業(yè)。雖然管道產(chǎn)生裂縫時一般不會引起管道變形，但是管道斷裂可能會使得管道產(chǎn)生位移變形，因此，在進行修復(fù)作業(yè)時，應(yīng)首先使用船只將管道拉到同一條直線上，然后才可以進行修復(fù)作業(yè)，必要時，可以對斷裂管段進行更換。

5 結(jié)論

（ 1） 隨著社會對能源需求量的增加，以及陸上油氣資源的逐漸減少，未來油氣資源開采將從陸地轉(zhuǎn)向海洋。由于海底管道具有建設(shè)投資高、施工質(zhì)量要求嚴(yán)格、所處環(huán)境多變以及施工作業(yè)復(fù)雜等特點，海底管道的日常運行受到了嚴(yán)重的威脅，如何保障海底管道的安全成為了一項重大難題，也會對未來能源的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

（ 2） 在1986—2016 年的30 年內(nèi)我國海底管道總共出現(xiàn)了51 次失效事故，海底管道外腐蝕、管道內(nèi)腐蝕、漁業(yè)作業(yè)、航道作業(yè)、墜落物體、焊接質(zhì)量不合格、外防腐層不合格、承重設(shè)施不足、地震以及臺風(fēng)是引起海底管道失效的十大因素。

（ 3） 為了保障海底管道的安全，應(yīng)當(dāng)采取內(nèi)防腐、外防腐和陰極保護等措施，使用不銹鋼材料，嚴(yán)格把控漁船作業(yè)區(qū)域和航運船只航道，提高焊接質(zhì)量和防腐層質(zhì)量，周期性檢測管道焊口防腐層以及承重狀況，提高管道材料的拉伸強度以及嚴(yán)格檢測環(huán)境變化等，有針對性地采取必要的防護措施。同時，對于破損管道，應(yīng)根據(jù)破損程度的不同，采取必要的修復(fù)措施，保障管道安全，推動國內(nèi)管道行業(yè)的發(fā)展。