纤维增强复合柔性软管的失效与修复

60卷增刊 1 中国造船Vol.60 Special 1 2019年1月SHIPBUILDING OF CHINA Jan. 2019文章编号：1000-4882（2019）S1-0244-08纤维增强复合柔性软管的失效与修复王元，莫仁杰，王勇（深圳海油工程水下技术有限公司工程技术部，深圳 518067）摘要纤维增强复合柔性软管（Fibre-Reinforced Polymer Flexible, FRPF）是为深水油气开发研制的一类新型软管，具有低重量-强度比和耐腐蚀等优点，广泛适用于深水和超深水海上油气田开发项目。

实际工程应用中，安装事故、不可预见的环境事件、复杂海洋荷载作用、输送油气介质的温度荷载等，可能造成软管的失效破坏。

FRPF的失效形式和机理尚未完全判明，各类失效的维修方式还未完善，存在应急保障风险。

这种应急保障风险，在一定程度上限制了FRPF在实际海上油气田开发项目的应用。

论文对FRPF的失效模式和机理进行分析，提出FRPF外保护套、环空、再连接等维修方法，为实际工程FRPF维修工作提供方案基础。

关键词：纤维增强聚合物软管；纤维聚合物软管失效；软管维修中图分类号：P751文献标识码：A0 引言海上油气田开发需采用管道将油气资源输送至岸上或海上油气生产平台。

得益于弯曲半径小、存储运输安装方便、和易于回收等优点的柔性软管在海上油气管道项目中得到了广泛应用。

柔性软管抗压抗拉均需要由铠装层承担，然而现有的金属材料制成的柔性软管在深水开发中存在缺陷。

首先，随着水深的增加，需要使用更高强度的金属或增加金属管材壁厚、增加多层抗压铠装，导致了软管的重量和结构设计分析的复杂程度的增加。

其次，金属材料铠装可能受到海水、传输的高温碳氢介质、水中微生物、和其他酸性物质（如，H2S）等的腐蚀作用[1]，导致失效。

再次，水下洋流会对管道产生循环作用力，造成金属的疲劳并导致铠装甚至骨架层的失效。

基于以上几点原因，在1500m以上水深的油气开发中，金属软管的使用已接近极限[2]。

纤维增强复合聚合物柔性软管（Fibre-Reinforced Polymer Flexible,FRPF）由纤维增强材料制成铠装层，制成粘性或非粘性软管，具有重量轻、强度比高、环境耐受度高、防腐蚀性强等优点[3]，将成为新一代超深水油气输送的理想管材。

尽管具有很多优势，但是FRPF由于工程实例较少[4]，目前的研究主要偏重材料开发、纤维增强材料制造等方面。

现有FRPF的研究大多是对FRPF的结构力学特别是截面设计和受力的有限元分析[5]、材料耐受性等进行研究[6]。

传统上对柔性软管的研究主要为对截面特性、疲劳、回接、铺设安装等前期制造和安装环节[7-9]，而对于FRPF的维修基本没有研究。

基金项目：国家工信部项目（深海纤玻增强柔性管研制与示范应用）60卷增刊1王元，等：纤维增强复合柔性软管的失效与修复245本文综述了FRPF可能的损伤失效模式及现有的软管维修方法。

论文首先介绍FRPF的结构特征；其次，对FRPF的破损与失效进行分析；然后，在把握结构特征和失效模式的基础上，针对FRPF不同失效模式和机理，探索对应的维修技术；最后，本文根据FRPF制造与安装使用过程中的特点，对维修方法的发展方向进行了总结和预测。

1 纤维增强柔性管的结构FRPF根据所使用的环境，可被制成粘性骨架和和粘性无骨架两种（图1(b)与图1(c)[10]）。

其中粘性骨架FRPF的设计与传统柔性软管结构（图1(a)）相似，只是用纤维铠装层替代了碳钢铠装。

而粘性软管，主要由内衬层（热塑、热固材料制成）、纤维复合铠装层（FRP材料）和外护套（热塑）组成。

FRPF一般不使用FRP材料做内衬[11]。

（a）非粘性FRPF （b）有金属骨架层的粘性FRPF （c）聚合物粘性FRPF图1 二种粘性FRPF软管与传统柔性软管结构[10]由于造价和生产难度的原因，粘性软管一般作为立管（动态应用），很少作为海管使用（静态用）[12]。

由于FRPF的内衬结构和纤维增强抗拉铠装无法以焊接方式连接金属接头，需要使用Metal-to-Composite Interface（MCI）的方式连接（图2）。

（a）锁扣式（b）嵌套式（c）金属内衬（d）膨胀式接头图2 四种不同的MCI设计[13]2 纤维增强柔性管的损伤失效模式传统软管的损伤案例中的外护套、环空、铠装失效，以及内衬层或骨架层损坏、失效等多种情形，在FRPF中也可能出现。

其中，内衬/骨架层的损伤则一般无法维修[14]。

FRP材料的受损主要是由外部影响或内部影响造成而带来的抗拉铠装层的失效。

软管外部影响主要是由作业环境或软管内部结构变化（如，环空堵塞）引起。

作业环境导致的损坏包括安装中附件安装不当、软管与异物接触、使用过程中软管与异物发生剐蹭等[15]。

软管内部结构246 中国造船学术论文变化导致的主要是外护套膨胀开裂[16]，造成开裂的原因可能是环空堵塞造成内部压力过大[17]的撕裂，或是环空中的气体与热塑材料发生反应而导致的材料性能退化破裂[14]。

伴随着外护套的破损带来的是海水渗入铠装甚至内衬。

软管内部影响主要是输送的碳氢化合物泄漏和H2S等环空内气体导致的FRP 材料老化、水解、剥落[1]。

海水的影响会因吸水导致FRP玻璃态转化湿度（T g）下降而显著降低FRP 的抗性强度[18]。

FRP中的树脂等成分也可能水解，并导致抗剪切性能的下降[19]。

伴随着水解，FRP的抗疲劳能力会下降，其对由涡激振动（Vortex-Induced-Vibration）疲劳的抵抗能力会显著下降[20,21]。

传输中的碳氢物温度可能接近甚至高于FRP的T g温度，会导致柔性纤维脱落和老化[22]。

在纤维增强树脂老化的过程中，其受到横向抗拉及剪切应力强度下降，会发展出沿纤维裂纹，并导致抗拉铠装失效[23]。

纤维增强柔性管的维修。

FRPF出现损伤后，需要评估修复的可行性和必要性（图3）。

首先是对受损位置进行检测，根据损坏的评估严重程度和维修位置等因素。

在判断可维修后，要根据损坏程度、维修要求、安装范围和已存在的维修方法制定维修策略[15]。

维修策略制定后，按设计、认证、测试、安装和维修后的完整性评估一系列环节执行维修。

现有软管维修记录以环空、外护套的维修记录为主，少部分立管维修使用了打捞切除再造连接接头的维修方法。

图3 软管损坏、维修评价体系[24]FRPF的维修策略。

根据柔性软管的破损位置及在海底的安装形式，可以分为水下或水上两大类。

水下维修，主要由潜水员/ROV水下在位，对软管进行维修；水上维修，则一般在FRPF未入水前（或打捞后）在船上/平台上进行。

在300 m水深以内的水下维修中，由潜水员实施的维修方案，使得外护套及环空损伤的修复相对较容易，可选的维修方法丰富。

随着水深的增加至300 m以上时，水下维修只能使用水下机器人（ROV）。

由于ROV灵活性的问题，只能使用安装特定夹具来修复软管。

水上维修涉及到软管的打捞回收、固定、切割后再连接等一系列过程，受施工资源、海洋环境、维修成本的制约较大，其更多应用于关键立管部位的维修。

60卷增刊1王元，等：纤维增强复合柔性软管的失效与修复2472.1水下维修外护套是最常见的维修位置。

外护套破损有可能是铺设中的意外擦伤、安装后受外力作用的破损、以及环空压力增加的撕裂。

环空层堵塞后的气体堆积，还可能造成水解、纤维脱落等导致纤维增强而造成铠装强度的降低。

因此，在安装后的水下维修前，需要对柔性软管的整体完整性做综合评估[25]，通过数值仿真结合使用性能要求，判断是否有进行维修的潜力[26]。

安装中的擦伤可以使用外护套高聚物焊接，可由生产厂家进行修复。

需要注意的是：FRP材料的T g温度可能与外护套材料的焊接温度接近，维修参数需要生产厂家额外关注。

300 m以浅的铺设后的水下维修操作主要是由潜水员完成，由ROV操作的维修和案例很有限[15]。

潜水员进行的外护套维修中，主要使用防腐胶带对破损区域（图4(a)）进行绑扎[26]。

限于胶带绑扎水下无法进行烘烤硬化，该方法只能对洞、孔等小破损进行维修，胶带维修后软管的强度较差[27]。

随着水深超过300 m，则只能使用ROV携专用维修夹具对软管进行维修（图4(b)）。

另外，维修夹具也可以在破损区域较大、或环空状态堵塞的情况下使用。

值得注意的是，增加的附加物可能会影响动态管的局部强度、水下稳定性、抗压能力、抗疲劳性能等。

夹具的选择需要根据夹具的安装位置、安装方式以及软管的使用模式进行综合评估，根据软管的使用模式（静态或动态）最终决定选择的夹具。

（a）胶带缠绕破损外护套（b）ROV安装的外护套维修卡具[24]图4 软管维修当外护套盒、铠装层均发生失效的情况下，可以使用结构维修夹具（图5）[12]。

结构维修夹具分为两层，内衬夹具和外护套夹具。

内衬夹具是一套刚性结构夹具，可代替铠装层加固在软管上（图5(a)）。

内衬夹具安装完成后，其外侧由金属扎圈固定一套聚合物外护套夹具，起到保护作用（图5(b)）。

然而，目前结构维修夹具的应用有很多限制；首先，其只能由潜水员进行安装（多螺栓、金属扎圈），限制了其使用部位和安装深度。

针对传统软管的环空堵塞，可以通过钻孔进行加压氮气（或液压油）注入等对环空进行保压清理。

然而，由于FRP材料本身由高分子材料组成，注入液压油可能造成铠装损伤，因此该方案很可能不能使用。

在维修环空堵塞的FRPF时，需要使用可钻通环空的刚性夹具，该夹具同时可以对受损的外护套和铠装进行加固。

相比结构维修夹具、刚性夹具体积相对较小，结构简单（图6）。

刚性夹具设计中可留有钻孔，通过该钻孔可以插入导管将堵塞的环空气体排出。

然而，无论结构维修夹具还是刚性夹具都需要克服夹具厚度和制造精密度的问题[28]。

248 中 国 造 船 学术论文（a ）铠装加强卡套 （b ）软性外护套保护层图5 软管结构维修卡套[12]图6 有环空通气孔的硬质维修卡套[16]在夹具类维修后，需要关注的是修复后软管对径向压力的承受能力、环空是否通畅以及修复部件/结构的尺寸是否对柔性软管的整体刚度造成了影响。

安装结构修复夹具会使软管局部丧失可检验性，增加后续维护难度。

在维修立管的过程中，需要考虑立管动态使用过程中可能出现的外套维修部件在频繁的风浪作用下的移位，避免导致维修失效。

除此之外，由于夹具等修复部件需使用螺栓等固定，因此，在柔性软管的使用过程中，需要定期对螺栓的扭矩进行检查。

除了夹具外，在铠装受损严重的情况下，还可以使用再连接的方式进行FRPF 的维修。

2.2 水上维修在深水开发中，在水下若发生损伤的整条海管，由于弃置成本高，可以尝试通过采用水下切割破损段再连结。

将切割后的软管两端通过与备用段粘接实现再连结，或通过安装接头将软管重新打通[17]。