深水無粘結(jié)柔性管抗拉伸層屈曲問題研究進(jìn)展

楊 旭，孫麗萍，艾尚茂

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150076)

立管和海底管道系統(tǒng)作為海洋石油開發(fā)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，承擔(dān)著運(yùn)輸油氣、鉆井、注水等重要任務(wù)，被譽(yù)為“海洋石油生命線”。與其他管道產(chǎn)品相比，柔性管具有結(jié)構(gòu)布置形式靈活、順應(yīng)性強(qiáng)、與平臺(tái)耦合較弱、安裝與回收成本低等優(yōu)點(diǎn)，在挪威北海、巴西以及美國(guó)墨西哥灣的深海油氣田中被廣泛運(yùn)用。我國(guó)南海油氣資源儲(chǔ)量豐富，絕大多數(shù)油藏處于深水、超深水區(qū)域?？梢灶A(yù)見，深水柔性管在我國(guó)南海有著廣闊的發(fā)展前景。

柔性管一般分為粘結(jié)(bonded)柔性管和無粘結(jié)(unbonded)柔性管兩種形式。粘結(jié)柔性管，主要指立管內(nèi)各層結(jié)構(gòu)不能相互滑移，其制造長(zhǎng)度因硫化工藝受到限制;而無粘結(jié)柔性管道則無此限制，長(zhǎng)度可達(dá)幾百米甚至幾千米，且便于依用戶要求而增減結(jié)構(gòu)層的數(shù)目是目前柔性管的主要形式，被廣泛應(yīng)用［1］。這里所指柔性管為無粘結(jié)柔性管。

無粘結(jié)柔性管是多層復(fù)合管狀結(jié)構(gòu)物，一般按從內(nèi)層到外層順序包括內(nèi)襯層(internal carcass)、內(nèi)壓防護(hù)層(internal pressure)、內(nèi)鎖壓力層(pressure armor)、抗磨層(anti-wear tape)、抗拉層(tensile armor)、外保護(hù)層(outer sheath)，此外在一些層與層之間還存在用聚酯纖維(polymer)制作的中介保護(hù)層。柔性管各層的英文名稱、材料、功能如圖1 所示。內(nèi)襯層采用不銹鋼材料制作，是由截面為S 型的連續(xù)長(zhǎng)鋼條經(jīng)塑性成形制成的一種內(nèi)部自鎖柔性結(jié)構(gòu)。該層是柔性管的主要支撐結(jié)構(gòu)，承受內(nèi)外部的徑向載荷，防止立管因徑向變形而發(fā)生塌陷等結(jié)構(gòu)失效。內(nèi)壓防護(hù)層是由復(fù)合材料聚酯纖維制造的相對(duì)較薄的中介層，主要目的是防止內(nèi)襯層和抗壓層的移位，抵抗化學(xué)侵蝕，防止內(nèi)外層結(jié)構(gòu)互相影響。內(nèi)鎖壓力層是由兩條碳鋼鋼帶沿著與管軸近90°方向纏繞而成的互鎖結(jié)構(gòu)層。該層可增強(qiáng)柔性管的內(nèi)外壓承載能力，且能夠承受徑向載荷，但是該層對(duì)軸向載荷和彎曲載荷的承載能力較弱?？估瓕邮怯蓛蓪虞S對(duì)稱的螺旋鋼纜層制成，鋼纜與軸向夾角為30°～55°，用以抵抗軸向拉力，防止管線斷裂，不具備抵抗軸向壓應(yīng)力的能力。外保護(hù)層主要由復(fù)合材料制作，目的是防腐、防止內(nèi)層磨損等［2］。柔性管結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，在工作和安裝過程中，會(huì)受到內(nèi)外壓、軸向拉力、彎矩、扭矩等多種載荷，存在著壓潰、屈曲、疲勞、屈服等多種失效形式，這都為柔性立管設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn)。目前，柔性管的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)基本被法國(guó)的Technip 公司、英國(guó)Wellstream 公司和丹麥NKT 公司壟斷，國(guó)內(nèi)對(duì)于柔性立管的設(shè)計(jì)制造基本處于空白［3］。

圖1 柔性管各層結(jié)構(gòu)名稱、材料、功能Fig.1 Materials，functions and names of flexible pipe cross-section's layers

深水柔性管在安裝或工作工況中，在彎曲點(diǎn)會(huì)受到彎矩和水壓的共同作用，抗拉層螺旋鋼纜會(huì)受到軸向壓應(yīng)力作用，產(chǎn)生屈曲失效。隨著工作水深的增加，抗拉伸層鋼纜屈曲成為柔性管的重要失效形式。柔性管螺旋鋼纜受壓屈曲，包括徑向屈曲或者側(cè)向屈曲兩種形式，如圖2 所示。其中徑向屈曲指的是鋼纜遭到破壞凸出圓柱表面，因?yàn)槠茐男问叫嗡气B籠，又被稱為“鳥籠現(xiàn)象”。側(cè)向屈曲指的是鋼纜沿著圓柱表面發(fā)生橫向偏移［4-5］。鳥籠現(xiàn)象和側(cè)向屈曲最早是20 世紀(jì)90年代末期在挪威海域的一個(gè)1 700 m 水深的柔性管道鋪設(shè)項(xiàng)目中被發(fā)現(xiàn)的。屈曲分析一般考慮兩種情況，其一為管道外側(cè)未遭到破壞，抗拉層螺旋鋼纜需承受外部水壓力，稱為干燥環(huán)境(dry annulus condition);當(dāng)管道遭到破壞，螺旋鋼纜已經(jīng)與海水接觸，則螺旋鋼纜不再受到外部水壓影響，稱為濕環(huán)境(wet annulus condition)，其中干燥環(huán)境下更易進(jìn)入材料塑性變形階段［6-7］。

螺旋鋼纜屈曲失效涉及多種非線性結(jié)構(gòu)問題，具有重要的研究意義。近年來國(guó)外許多學(xué)者致力于對(duì)該問題的研究，取得了許多成果。這里從數(shù)值模擬和試驗(yàn)兩方面介紹國(guó)外的研究現(xiàn)狀及其有待解決的主要問題，希望可以為國(guó)內(nèi)柔性管的發(fā)展提供參考。

圖2 柔性管抗拉層螺旋鋼纜的受壓屈曲Fig.2 Radical buckling failure

1 數(shù)值模擬研究進(jìn)展

數(shù)值模擬的主要意義在于將數(shù)值結(jié)果與已有試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，尋找一種準(zhǔn)確成熟的方法以替代昂貴的試驗(yàn)，分析影響抗拉層屈曲的主要因素，為建立柔性立管設(shè)計(jì)規(guī)范提供參考。當(dāng)前基本采用非線性有限元法對(duì)該問題進(jìn)行仿真模擬。該問題的主要難點(diǎn)在于:第一，螺旋鋼纜是特殊的結(jié)構(gòu)形式，用傳統(tǒng)的歐拉伯努利梁模型或?qū)嶓w模型難以準(zhǔn)確模擬。第二，屈曲和后屈曲問題屬于大變形小應(yīng)變問題，涉及到幾何非線性。第三，結(jié)構(gòu)屈曲后，結(jié)構(gòu)可能處于塑性階段，同時(shí)柔性管還存在遲滯效應(yīng)，屬于材料非線性問題。第四，需要模擬螺旋鋼纜之間的接觸和抗拉層與耐磨層及其他層之間的接觸，這屬于接觸非線性。此外，目前的計(jì)算機(jī)能力還不足以應(yīng)付如此大規(guī)模的計(jì)算，計(jì)算效率也是需要重點(diǎn)考慮的因素。

針對(duì)上述問題，一部分學(xué)者試圖在非線性有限元的基本框架下改進(jìn)已有單元類型或建立新單元類型，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的梁?jiǎn)卧驅(qū)嶓w單元，找到一種快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的求解方法。另一部分學(xué)者則運(yùn)用經(jīng)典的非線性有限元法，以傳統(tǒng)單元模型進(jìn)行建模，分析抗拉伸層螺旋鋼絲的屈曲及后屈曲性能。

對(duì)于新單元類型的研究大多處于理論探索階段，目前的研究對(duì)很多次要問題進(jìn)行了假設(shè)，取得了一定的研究成果，但還不能廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際。Zhu Z H［8］等人運(yùn)用三維曲梁?jiǎn)卧M螺旋層鋼纜，該單元為三節(jié)點(diǎn)單元，應(yīng)變-位移基本方程基于Love 的經(jīng)典理論［9］，即:

假設(shè)εz和ωz在單元內(nèi)隨Z 軸位移線性變化，以此有效避免了剪力鎖定現(xiàn)象，其坐標(biāo)系沿著螺旋線建立。作者將分析結(jié)果與ANSYS 軟件結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果較為接近。Ginema［10］等人應(yīng)用曲梁?jiǎn)卧?，運(yùn)用差分平衡方程，同時(shí)將坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)系，對(duì)螺旋構(gòu)件進(jìn)行了解析推導(dǎo)，獲得了較好的結(jié)果。Rodigero P 等人在Zhu［8］的基礎(chǔ)上，對(duì)三維曲梁進(jìn)行了改進(jìn)，使其可以模擬扭轉(zhuǎn)，其法向和副法向位移模式如下:

該三節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)偠染仃囘_(dá)到1 200 行，但僅用很少量的單元(20 ～50 個(gè))即與ANSYS 軟件運(yùn)用1 000 個(gè)三維梁?jiǎn)卧媒Y(jié)果類似［11］。該文沒有對(duì)單元進(jìn)行屈曲分析，但單元能夠模擬軸向壓力作用，因此可以對(duì)其進(jìn)行后續(xù)研究以獲得屈曲載荷和后屈曲性能。

Saevik S 等人［12-14］在該方面進(jìn)行了大量研究:其對(duì)螺旋鋼纜的模擬基于非線性細(xì)長(zhǎng)桿理論，采用Green應(yīng)變和第二Kirchoff 應(yīng)力進(jìn)行分析，坐標(biāo)系采用沿螺旋線布置的直角坐標(biāo)系，單元如圖3 所示，坐標(biāo)系如圖4所示。

圖3 曲梁?jiǎn)卧⒍蜦ig.3 Infinitesimal curved beam element

圖4 曲梁?jiǎn)卧鴺?biāo)系Fig.4 Curvilinear beam coordinate systems

將所需的參數(shù)用柔性立管截面中心點(diǎn)的位移與應(yīng)力表示，抗拉層螺旋鋼絲的Green 應(yīng)變可以表示為:

式中:下腳標(biāo)1 表示對(duì)于坐標(biāo)軸1 的偏導(dǎo)，w1和χ1為管中心截面對(duì)應(yīng)的軸向和扭轉(zhuǎn)自由度。作者運(yùn)用軸對(duì)稱單元來模擬未受彎矩之前的柔性立管內(nèi)層結(jié)構(gòu)，用接觸算法和曲梁?jiǎn)卧M抗拉層。這樣可以減少計(jì)算量。而對(duì)于受到彎曲后的結(jié)構(gòu)用夾層梁?jiǎn)卧驮黾酉嗷ソ佑|自由度的標(biāo)準(zhǔn)三維梁?jiǎn)卧\(yùn)用兩種單元對(duì)柔性管進(jìn)行了應(yīng)力分析，分析結(jié)果得到兩者都能很好地模擬螺旋層應(yīng)力，但應(yīng)用夾層梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算效率更高。上述研究已可以較好地模擬柔性立管的各種載荷，但還沒有對(duì)屈曲問題進(jìn)行分析，后續(xù)工作主要是對(duì)矩陣特征值進(jìn)行求解和進(jìn)行屈曲后結(jié)構(gòu)分析。

Zhimin T［6］等人運(yùn)用能量法變分原理對(duì)螺旋鋼纜屈曲進(jìn)行了解析解計(jì)算，其所用的基本方程式為:

式中:a 為鋼纜應(yīng)變，Π 為系統(tǒng)總能量，Utensile為螺旋鋼纜變形能，Utape為抗磨層產(chǎn)生的變形能，W 為所做的功。通過該方程組得到了軸向壓力—應(yīng)變平衡曲線，其計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。該文只給出了定性分析曲線，并沒有給出具體的結(jié)果和推導(dǎo)過程。從中可以看出干燥環(huán)境和濕環(huán)境下的臨界載荷有明顯的差異。該文還指出當(dāng)管道發(fā)生彎曲時(shí)，其平衡路徑會(huì)變得相對(duì)光滑。

Niels H 和Anders L［15］假設(shè)柔性管彎曲半徑不變，忽略摩擦力以及扭轉(zhuǎn)力，運(yùn)用力的平衡方程以及幾何非線性理論對(duì)抗拉層進(jìn)行模擬。他們運(yùn)用Cauchy 應(yīng)力表示應(yīng)力，將一根螺旋鋼纜作為一個(gè)單元推導(dǎo)出其解析解。文章將一根柔性管作為算例進(jìn)行了側(cè)向屈曲分析，結(jié)果如圖6 所示［15］。該文采用了諸多假設(shè)，同時(shí)考慮管道僅發(fā)生側(cè)向屈曲而不發(fā)生鳥籠響應(yīng)，具有一定局限性。

圖5 屈曲壓載荷應(yīng)變平衡曲線Fig.5 Equilibrium paths

圖6 側(cè)向屈曲失效結(jié)果Fig.6 Numerical simulation results of lateral buckling mode

由于新單元類型尚不成熟，一些學(xué)者采用ABAQUS 或ANSYS 等成熟的有限元軟件，運(yùn)用梁?jiǎn)卧驅(qū)嶓w單元建立模型進(jìn)行分析，對(duì)柔性管屈曲問題進(jìn)行模擬。其主要側(cè)重點(diǎn)在于接觸單元的模擬和如何選擇方法縮短計(jì)算時(shí)間同時(shí)保證計(jì)算精度。

Zhang Y［16］較早進(jìn)行了這方面的研究，介紹了柔性管局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些問題，應(yīng)用有限元法建立了一個(gè)預(yù)測(cè)鳥籠效應(yīng)的螺旋鋼纜模型。該文采用了傳統(tǒng)的三維梁?jiǎn)卧?，?duì)分布在兩個(gè)抗拉層的兩條螺旋鋼纜進(jìn)行了建模，采用線性方法計(jì)算了該模型的一階屈曲載荷;由于采用線性模型，并不能進(jìn)行后屈曲性能分析。Bectarte［17］等描述了螺旋鋼纜屈曲的機(jī)理，給出了一個(gè)計(jì)算模型。Fabio P［18］等描述了一個(gè)2 500 m 水深9.13英寸柔性輸油管工程實(shí)例的設(shè)計(jì)過程，指出了預(yù)防鳥籠效應(yīng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。提出要防止鳥籠現(xiàn)象，一個(gè)有效的方法是提高抗拉層厚度，但這種方法對(duì)預(yù)防側(cè)向屈曲效果不大;因此要完整地考慮抗拉層螺旋鋼纜的屈曲問題，主要設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)是螺旋鋼纜截面的幾何形狀、尺寸以及螺旋角的大小。

圖7 柔性管有限元模型Fig.7 FEM model of flexible pipe

Jose R［19］等運(yùn)用ANSYS 軟件建立了如圖7 所示的柔性管有限元模型。在這個(gè)模型中，內(nèi)部的內(nèi)襯層和內(nèi)鎖壓力層被模擬為SHELL 單元，螺旋鋼纜被模擬為三維直梁?jiǎn)卧?在這個(gè)模型中考慮了材料非線性、幾何非線性和接觸問題。文中以一個(gè)2.5 m 長(zhǎng)4 英寸的柔性管作為模型，網(wǎng)格數(shù)達(dá)到了121 394 個(gè)，自由度更達(dá)到391 128 個(gè);文中并未提及計(jì)算時(shí)間和效率，但是考慮到網(wǎng)格數(shù)和強(qiáng)非線性，計(jì)算效率可想而知。作者將有限元模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，軸向位移、軸向縮短距離擬合較好，但表示側(cè)向屈曲的扭轉(zhuǎn)角有一定差距，具體對(duì)比結(jié)果見圖8。

圖8 軸向縮短距離、扭轉(zhuǎn)角與軸向荷載關(guān)系曲線Fig.8 Applied axial compression vs. axial shorting and twist angle

圖9 柔性管抗拉層鋼纜有限元模型Fig.9 FEM model of tensile armor wires

Vaz M A［7］等建立了一個(gè)柔性管三維非線性有限元模型，如圖9 所示。在這個(gè)模型中，運(yùn)用直梁?jiǎn)卧M抗拉層螺旋線，運(yùn)用彈性支持來模擬抗拉層內(nèi)外的各層結(jié)構(gòu)，用罰函數(shù)接觸算法模擬兩螺旋線之間的接觸，在兩螺旋線間建立了一個(gè)圓柱形表面單元，用以確立接觸。運(yùn)用ABAQUS 軟件進(jìn)行了有限元分析，該文只考慮了幾何非線性，并沒有考慮柔性管塑性變形。作者認(rèn)為柔性管抗拉層鋼纜的屈曲形式主要取決于接觸摩擦系數(shù)和外壓力，外壓力、摩擦系數(shù)與計(jì)算實(shí)例的臨界載荷關(guān)系如圖10 所示。作者將其分為A、B、C 三個(gè)區(qū)。其中A、B 區(qū)為側(cè)向屈曲，C 區(qū)為鳥籠屈曲。圖11 和圖12 為文中算例結(jié)果。其中圖11 摩擦系數(shù)0.4，外壓力為0 MPa;圖12 摩擦系數(shù)為0.01，外壓力分別為6 MPa 和15 MPa。

圖10 摩擦系數(shù)、外載荷與臨界載荷曲線Fig.10 Instability load vs.friction coefficient and external pressure

圖11 柔性立管屈曲應(yīng)力分析(外壓0 MPa，摩擦系數(shù)0.4)Fig.11 Riser configuration (friction coefficient 0.4 and external pressure 0 MPa)

圖12 側(cè)向屈曲后鋼纜轉(zhuǎn)角Fig.12 Rotation around Z-axis as a function of model length with external pressures equal to 6 MPa/15 MPa

2 試驗(yàn)方法研究進(jìn)展

對(duì)于鳥籠效應(yīng)和側(cè)向屈曲問題，國(guó)內(nèi)外對(duì)于其數(shù)值模擬的研究還不夠成熟。因此，當(dāng)前廣泛采用試驗(yàn)方法進(jìn)行螺旋鋼纜的屈曲校核，目的主要是在柔性管設(shè)計(jì)中確定其是否會(huì)屈曲失效以及失效后結(jié)構(gòu)響應(yīng)?，F(xiàn)今的試驗(yàn)方法均為全尺度試驗(yàn)，主要分為三類，一是海上DIP(deepwater immersion performence)試驗(yàn);二為壓力艙(pressure chamber)試驗(yàn);三是機(jī)械性能試驗(yàn)。其中，DIP 試驗(yàn)與真實(shí)工況最為相近，試驗(yàn)結(jié)果也最為準(zhǔn)確，但其需要水下機(jī)器人和海上船舶，成本十分高昂;所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備也不是一般的研究機(jī)構(gòu)所擁有的。目前只有柔性管制造設(shè)計(jì)公司和大型石油公司進(jìn)行過這類試驗(yàn)。壓力艙試驗(yàn)成本大約為DIP 試驗(yàn)的1/5 到1/10，但需要大型密封艙等特殊實(shí)驗(yàn)設(shè)備。目前國(guó)外的主要研究集中在找到一種合適的壓力艙試驗(yàn)方法，達(dá)到與昂貴的DIP 試驗(yàn)相同的準(zhǔn)確性。對(duì)于一些沒有壓力艙設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室，機(jī)械性能試驗(yàn)是對(duì)柔性管研究的首選試驗(yàn)，采用等效力的方法運(yùn)用機(jī)械裝置模擬海底壓力和彎矩，這樣可以大幅度減少成本，但機(jī)械性能試驗(yàn)并不能完美模擬海底工況，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)其準(zhǔn)確性還持保留態(tài)度。值得一提的是，上面三種試驗(yàn)均為全尺度試驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)外大型研究機(jī)構(gòu)還沒有進(jìn)行柔性管縮尺比模型試驗(yàn)。這是由于柔性管結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，生產(chǎn)困難，要想制造完美模擬柔性管力學(xué)性質(zhì)的模型十分困難。

Zhimin T［6］分別對(duì)4 ～6 英寸柔性管做了DIP 試驗(yàn)和壓力艙試驗(yàn)，密封艙結(jié)構(gòu)如圖13 所示，試驗(yàn)結(jié)果表明柔性管局部屈曲主要與水深、彎曲半徑、管道內(nèi)徑、螺旋鋼纜尺寸和布置角度、抗磨層厚度五個(gè)因素有關(guān)。DIP 試驗(yàn)被認(rèn)為是近年來柔性立管的權(quán)威性試驗(yàn)，被很多學(xué)者用來與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比。Roberto R［20］等人描述了柔性管機(jī)械性能試驗(yàn)的詳細(xì)試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)變片的貼法如圖14 和圖15 所示，圖16 為試驗(yàn)裝置圖。該試驗(yàn)并沒有進(jìn)行柔性管壓載荷試驗(yàn)，不過其試驗(yàn)過程、試驗(yàn)裝置等與柔性管受壓屈曲試驗(yàn)類似，可以提供參考。

圖13 柔性管壓力艙試驗(yàn)安裝Fig.13 Pressure chamber and test setup

圖14 柔性管機(jī)械性能窗口簡(jiǎn)圖Fig.14 Schematic view of the windows

巴西的Jose R［19］等人在COPEE/UFRJ 實(shí)驗(yàn)室對(duì)4 英寸柔性管進(jìn)行了機(jī)械性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。試驗(yàn)結(jié)果中法向應(yīng)力和副法向應(yīng)力都隨著軸向壓力的增大而不斷增大，并呈現(xiàn)出兩段直線型的特性。NKT公司的Niels H［15］等對(duì)5 m 長(zhǎng)6 寸的柔性管進(jìn)行了機(jī)械性能試驗(yàn)。Technip 公司Philippe S［21］等詳細(xì)闡述了各種柔性管試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)和注意事項(xiàng)，提供了柔性管試驗(yàn)的選擇依據(jù)，并且描述了2010年初Technip 公司在美國(guó)墨西哥灣所做的水深達(dá)3 000 m 的DIP 試驗(yàn)。試驗(yàn)中水下機(jī)器人拍攝的照片如圖17、屈服形式如圖18 所示。該試驗(yàn)是成本較高，試驗(yàn)精度最高的超深水DIP 試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果被作為經(jīng)典算例，廣泛用于對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果。

圖15 左窗口區(qū)應(yīng)變片粘貼位置Fig.15 Strain gages used in the left window

圖16 柔性管機(jī)械性能試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置Fig.16 View of mechanical test

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test results of 4”flexible pipe

圖17 DIP 試驗(yàn)水下拍攝情況(2 600 m 水深)Fig.17 DIP test of the 11″ Sour line at water depth of 2 600 m

圖18 DIP 試驗(yàn)柔性管側(cè)向屈服破壞形式Fig.18 Failure pattern of sweet flooded sample in DIP test

3 結(jié) 語

柔性管抗拉層的螺旋鋼纜受壓屈曲是柔性管設(shè)計(jì)中的重要問題，國(guó)內(nèi)對(duì)于該問題的研究基本為空白?？偨Y(jié)了近15年來國(guó)外對(duì)于該問題的研究成果，可為我國(guó)柔性管研究提供參考。

目前的研究主要有試驗(yàn)、數(shù)值模擬兩種方法;工程上仍以試驗(yàn)研究為主。試驗(yàn)方法為全尺度試驗(yàn)，包括DIP 試驗(yàn)，壓力艙模擬試驗(yàn)和機(jī)械性能試驗(yàn)三種。目前DIP 試驗(yàn)較成熟，但試驗(yàn)成本過高;壓力艙試驗(yàn)和機(jī)械性能試驗(yàn)的結(jié)果精度還在研究中。在以后的研究中，開發(fā)一種合適的壓力艙或機(jī)械性能試驗(yàn)方案代替昂貴的DIP 試驗(yàn)將是一個(gè)熱點(diǎn)課題。

數(shù)值模擬方法大多運(yùn)用非線性有限元法，其研究主要為兩方面:一是對(duì)新型有限元單元類型的理論探索，當(dāng)前已經(jīng)獲得了一些適用于螺旋結(jié)構(gòu)的單元類型，取得了良好的計(jì)算效率和結(jié)果精度;二是應(yīng)用傳統(tǒng)單元類型進(jìn)行建模，已出現(xiàn)多種建模方法和算例，并確定屈曲失效主要與立管半徑、抗拉層鋼纜螺旋角、抗拉層鋼纜截面屬性、作業(yè)水深以及保護(hù)層厚度等因素有關(guān)。發(fā)展一種快速準(zhǔn)確的數(shù)值模擬分析方法始終是柔性管屈曲問題的研究難點(diǎn)。

從工程應(yīng)用角度來看，結(jié)合試驗(yàn)和非線性有限元法的研究，確定主要參數(shù)與屈曲失效的關(guān)系，得到經(jīng)驗(yàn)公式或完善相關(guān)規(guī)范等也是亟待解決的問題。

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