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量持續減少，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。由于海洋環境較為復雜，所以海底管道不可避免地會出現大量的缺陷，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措施，為促進國內海洋油氣資源的發展奠定基礎。

1 海底管道特點

1. 1 建設投資高

 

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

1. 2 施工質量要求嚴格

 

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

1. 3 所處環境多變

 

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

1. 4 施工作業復雜

 

雖然海底管道建設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、食品及水源的供應等等； 同時，建設船只的走向及所應到達的位置也需要陸上基地的配合，因此，海底管道建設整個施工作業過程變得更加復雜。

2 海底管道失效統計分析

 

據統計，在1986—2016 年的30 年內，國內共在相關海域內建設管道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、原油輸送以及混輸等。國內1986—2016 年的30 年內管道數量和管道長度統計結果見圖1。

 

在這30 年內，國內共發生海底管道事故51次，事故的具體原因統計見圖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、工程質量問題以及自然災害所引起，其中，自然災害主要包括臺風和浪花沖擊等。

 

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，在東海地區并沒有出現因工程質量問題引發的失效事故，在渤海地區和南海西部并沒有出現因自然災害引發的失效事故，在南海區域出現的因腐蝕問題所引發的失效事故數量最多。

 

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

當然，海底管道的腐蝕速率并不是恒定的，其具體數值與海洋環境溫度、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；海洋環境溫度對腐蝕速率的影響也十分明顯，一般情況下，海洋環境的溫度越高，管道電化學反應的速度越快，其腐蝕越嚴重； 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，管道的設計及建設成本就越高，因此，管道深度的選擇必須結合多方面的因素。

3. 1. 2 管道內腐蝕

 

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

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，分別是漁業活動、航道作業和墜落物體，其中，漁業活動又可以分為船只拋錨、漁網破壞以及沉船三種類型。

3. 2. 1 漁業作業

 

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

3. 2. 2 航道作業

 

在進行船只的航道作業時，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生影響，例如船只行駛部位海水流速較快，從而對管道產生沖蝕。

3. 2. 3 墜落物體

 

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

3. 3 工程質量

 

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

3. 3. 1 焊接質量不合格

 

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。當海底管道焊接質量不合格時，輕則會產生油氣泄漏，重則可能導致管道斷裂，從而引起更大風險。

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防腐層。當外防腐層存在問題時，勢必會加速管道的腐蝕失效。

3. 3. 3 固定設施不足以抵消其浮力

 

一般來說，海底管道必須增設一定的固定設施，否則管道將在海水浮力的作用下產生變形。

如果管道的固定設施不足以抵消其浮力，管道可能會因變形而斷裂。

3. 4 自然災害

 

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

3. 4. 1 地震

 

當海洋環境中出現地震災害時，海底表面將產生嚴重的地表變形，從而出現斷層，嚴重時可能會在海底出現滑坡現象，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

 

當海洋環境中出現臺風問題時，海底表面可能會出現地面運動，從而使得管道產生位移； 如果管道的拉伸應力不足，則會引發管道斷裂。同時，管道產生位移以后，可能會在其他因素的作用下，再次產生安全問題。

4 海底管道防護及修復措施

4. 1 防護技術

4. 1. 1 防腐蝕措施

（ 1） 內防腐

 

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

（ 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有三種類型，分別是熔結環氧粉末外防腐層技術、3LPE 防腐技術以及襯塑管道技術。熔結環氧粉末外防腐層技術主要用于海底單層管道實施防腐。3LPE 防腐技術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防腐技術的應用范圍相對較廣。由于襯塑管道技術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，從而使得管道始終處于負電位的狀態，這種金屬管道就不容易被腐蝕。但是兩種方法有一定的區別，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，在進行電化學反應的過程中，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） 嚴格把控漁船作業區域目前，國內僅對漁船作業的時間進行了明確的規定，但是并沒有對漁船的作業范圍及空間進行明確規定。由于漁民對海底管道的建設并不了解，所以在作業時并沒有在管道所在區域實施一定的防范措施，從而造成了管道破壞等問題。因此，國家相關部門應充分考慮海底管道所處位置，劃定禁捕區域，從而避免對管道造成傷害［12］。

（ 2） 嚴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，海運部門應對通過相應海域的船只制定專門的航道，航道應盡可能遠離海底管道所處區域。

另外，可以在海運船只上安裝監控設施，嚴格監控其航運路線，防止因船員航行失誤駛入海底管道所處區域，從而嚴格避免航運船只對管道造成損壞。

4. 1. 3 提高工程質量措施

（ 1） 提高焊接和防腐層質量

 

在提高海底管道焊接質量方面，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。

目前的焊接技術已經相對較為成熟，焊接人員的技能水平將是焊接質量最為重要的影響因素，因此，應首先提高焊接人員的技能水平［13］。由于進行焊接作業的設備也會對焊接質量產生較大影響，因此，施工單位應定期對焊接設備進行維護，并盡可能提高設備的先進水平。一般情況下，焊接所處環境的濕度、溫度以及風速都會對最終的焊接質量產生影響。因此，在進行焊接作業時，所處環境的溫度要低于焊接材料的最低運行溫度，風速也應處于正常值范圍內，若超過正常值則需要增設防風設備； 當環境的濕度較高時，則不能進行焊接作業。

目前的海底管道防腐層技術也相對較為成熟； 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有聚氨酯補口防腐蝕技術、FBE + 改性聚烯烴節點防腐蝕技術以及高性能復合涂層防腐蝕技術，補口防腐蝕技術如何選擇需要根據實際而定。

（ 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破損； 同時，管道的固定設備也會出現一定程度的變化。因此，這就需要對焊口、防腐層以及固定設備進行周期性檢測，及時發現這些部位或設備存在的問題，并采取一定的措施進行解決。

4. 1. 4 防自然災害措施

 

（ 1） 提高管道材料的拉伸強度

 

自然災害對管道造成的破壞十分巨大，將使得管道產生變形，當管道所受實際拉伸應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災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） 做好危害預防措施

 

對于防止自然及地質災害問題，目前并沒有太好的解決措施，因此，只能加強對海洋環境的實時監控，根據海洋環境變化，隨時做好管道損毀的應急預案，盡可能降低管道損毀所產生的經濟損失和環境污染。

4. 2 修復技術

 

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重下降，當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，因此，當管道產生變形時，十分有必要對其進行修復。在進行管道修復之前，需要對管道的變形位置及變形量進行詳細的勘查。當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； 當管道的變形量相對較大時，應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生較大的變形，但是可能會對環境產生影響。針對穿孔問題，目前最常見的修復技術為機械封堵卡箍技術，該技術的實施需要潛水員來完成，也可以有海底機器人完成。當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，從而達到管道修復的目的。

4. 2. 3 管道裂縫

 

當海底管道上出現裂縫問題時，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作業，待管道修復之后，才能繼續生產。

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

4. 2. 4

 

，同樣都會引起海洋環境污染和海上油氣田停止作業。雖然管道產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生位移變形，因此，在進行修復作業時，應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作業，必要時，可以對斷裂管段進行更換。

5 結論

（ 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向海洋。由于海底管道具有建設投資高、施工質量要求嚴格、所處環境多變以及施工作業復雜等特點，海底管道的日常運行受到了嚴重的威脅，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展產生重大影響。

（ 2） 在1986—2016 年的30 年內我國海底管道總共出現了51 次失效事故，海底管道外腐蝕、管道內腐蝕、漁業作業、航道作業、墜落物體、焊接質量不合格、外防腐層不合格、承重設施不足、地震以及臺風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，應當采取內防腐、外防腐和陰極保護等措施，使用不銹鋼材料，嚴格把控漁船作業區域和航運船只航道，提高焊接質量和防腐層質量，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格檢測環境變化等，有針對性地采取必要的防護措施。同時，對于破損管道，應根據破損程度的不同，采取必要的修復措施，保障管道安全，推動國內管道行業的發展。