海洋非黏結(jié)柔性軟管金屬層失效機(jī)制研究進(jìn)展

陳嚴(yán)飛，張 曄，馮 瑋，孫偉棟，劉 昊，何明暢，張恩勇

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；3.中集海洋工程有限公司，廣東 深圳 518000；4.中海油研究總院，北京 100102)

0 引 言

海洋管道在深海油氣資源的運(yùn)輸過程中起著非常重要的作用。非黏結(jié)柔性軟管具有各層間相對(duì)獨(dú)立且可相對(duì)移動(dòng)、容易安裝等優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)鋼制管道具有更好的柔性和適應(yīng)性，成為深水長(zhǎng)距離海洋油氣資源開發(fā)的必需管道[1]。

非黏結(jié)柔性軟管由管體、彎曲限制器等構(gòu)成。管體由金屬和聚合物材料制成，典型的非黏結(jié)柔性軟管管體各層主要包括骨架層、內(nèi)襯層、抗壓鎧裝層、耐磨層、抗拉鎧裝層和外包覆層。其中，骨架層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層為柔性軟管的金屬層。

2010年，在英國(guó)大陸架運(yùn)營(yíng)商報(bào)告的總共106條非黏結(jié)柔性軟管事故中，由軟管金屬層失效引發(fā)的事故占20%，其中，2/3發(fā)生在安裝期間，1/3發(fā)生在正常運(yùn)行期間[2]。近年來，失效事故的種類和數(shù)量仍在不斷地增加，維修成本和損失的費(fèi)用巨大。API RP 17B規(guī)范[3]提出9種最有可能在柔性軟管金屬層中發(fā)生的失效模式，包括壓潰、爆裂、拉伸斷裂、壓縮斷裂、過度彎曲、扭轉(zhuǎn)斷裂、疲勞、侵蝕和腐蝕。這些失效模式為柔性軟管的設(shè)計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn)。為了掌握和發(fā)展軟管設(shè)計(jì)技術(shù)，并能較好地對(duì)柔性軟管進(jìn)行完整性管理，需要掌握軟管的失效模式和失效機(jī)制。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)柔性軟管失效進(jìn)行了一些研究，但針對(duì)柔性軟管失效機(jī)制的研究基本僅停留在單層功能層截面在靜態(tài)載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并且缺少對(duì)于各金屬層失效機(jī)制較為全面的綜述。

本文針對(duì)非黏結(jié)柔性軟管金屬層失效機(jī)制進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹，并依據(jù)API RP 17B規(guī)范[3]提出的9種失效模式對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外柔性軟管金屬層常見失效模式的研究進(jìn)展進(jìn)行整合綜述，指出目前柔性軟管金屬層失效機(jī)制研究中存在的問題，為我國(guó)深水非黏結(jié)柔性軟管的完整性管理奠定基礎(chǔ)。

1 金屬層失效機(jī)制

金屬層失效機(jī)制代表了從初始故障原因到最終管道失效變化過程的一系列基于損傷事件或時(shí)間驅(qū)動(dòng)的退化機(jī)制以及各層失效共同作用的事件鏈。管道的故障失效后果有失去密封性、阻塞或堵塞介質(zhì)流動(dòng)等[4]。非黏結(jié)柔性軟管的故障失效機(jī)制主要分為以下4步：

(1)基于時(shí)間、事件或條件的失效原因引發(fā)某一功能層(或組件)局部失效或劣化；

(2)某一功能層(或組件)局部失效后果引發(fā)該功能層(或組件)出現(xiàn)可見失效；

(3)受該失效原因影響的各金屬層相繼失效；

(4)管道功能的最終喪失。

由于柔性軟管具有復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，金屬層在其安裝和在位運(yùn)行時(shí)需抵抗復(fù)雜載荷，比如管道自重引起的軸向拉力、來自深水的外壓、輸送介質(zhì)的內(nèi)壓以及由管道晃動(dòng)產(chǎn)生的彎矩和扭矩等多種載荷的耦合作用。在復(fù)雜組合載荷作用下柔性軟管的金屬層可能會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度或剛度變形、磨損、疲勞等多種失效形式。

軟管各層的失效是指各層結(jié)構(gòu)功能的喪失。失效模式是觀察管道截面中該層功能喪失的方式。軟管最終的失效機(jī)制可能同時(shí)包含幾種失效模式，各金屬層由于承擔(dān)著不同的功能，應(yīng)用材料也不相同，涉及的失效模式也各不相同，具體如表1所示。

表1 非黏結(jié)柔性軟管金屬層失效機(jī)制

續(xù)表1 非黏結(jié)柔性軟管金屬層失效機(jī)制

綜合來看：軟管金屬層結(jié)構(gòu)的部分失效模式是由管道承受過度載荷造成的，主要表現(xiàn)為過度拉伸、軸向壓縮或徑向壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等，在變形的過程中涉及大量與接觸、摩擦、幾何和材料非線性等相關(guān)的問題；另有部分失效模式與軟管各層材料的化學(xué)特性有關(guān)，主要表現(xiàn)為材料的腐蝕、老化和疲勞等。

2 壓潰失效

壓潰失效是軟管金屬層局部失效中一種較為常見的徑向壓縮的失效模式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)金屬層壓潰失效展開了大量的研究。其中，骨架層或抗壓鎧裝層承受的較大拉力載荷、較大外壓載荷、制造缺陷、環(huán)空中的殘余壓力和初始橢圓度、運(yùn)輸和安裝過程中受損、骨架層或抗壓鎧裝層發(fā)生結(jié)構(gòu)變形、磨損或腐蝕疲勞等都可能使柔性軟管發(fā)生壓潰。據(jù)失效數(shù)據(jù)[5]統(tǒng)計(jì)，外部壓力過大導(dǎo)致的金屬層塌陷壓潰是最常見的壓潰失效機(jī)制，壓潰失效類型如圖1所示。

圖1 外壓導(dǎo)致的骨架層壓潰失效

在理論解析研究上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于TIMOSHENKO等[6]提出的均勻外壓導(dǎo)致圓筒一階彈性失穩(wěn)的經(jīng)典解析公式開展了大量深入研究。沈成武等[7]采用降階法研究厚壁管的壓潰過程，厚壁管發(fā)生塑性壓潰，薄壁管發(fā)生彈性壓潰，當(dāng)壁厚處于兩者之間時(shí)內(nèi)部發(fā)生塑性、外部發(fā)生彈性壓潰。ZHANG等[8]將骨架層等效為截面積相同的矩形截面，利用圓筒壓潰理論計(jì)算等效后的臨界壓力，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)等效面積法得到的臨界壓力與實(shí)際結(jié)果偏差較大。NETO等[9]和MARTINS等[10]考慮到壓潰會(huì)使管道發(fā)生局部屈曲，得出管道抗壓潰能力與管道彎曲剛度相關(guān)的結(jié)論，并將骨架層的螺旋纏繞截面等效為具有相同彎曲剛度的矩形截面，結(jié)果比等效面積法更接近實(shí)際。TANG等[11]為得出更準(zhǔn)確的骨架層壓潰結(jié)果，提出應(yīng)變能等效法，但是這種方法不如彎曲剛度等效厚度法靈活。RAMOS等[12]將軟管各層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變聯(lián)系起來，分析其在內(nèi)壓、外壓、拉伸載荷共同作用下的力學(xué)響應(yīng)。KYRIAKIDES等[13]研究一定曲率下管道的抗外壓性能，為管道在觸地點(diǎn)(Touchdown Point，TDP)極限壓潰值計(jì)算提供參考。

隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，NETO等[14]研究發(fā)現(xiàn)骨架層的螺旋纏繞角度對(duì)骨架層抗壓潰性能影響較小，因此在骨架層壓潰壓力有限元數(shù)值模擬分析時(shí)可忽略。CLEVELARIO等[15]建立一個(gè)預(yù)測(cè)柔性軟管彎曲時(shí)抗壓強(qiáng)度的數(shù)值模型，彎管配置使壓縮管區(qū)和擴(kuò)展管區(qū)之間形成不對(duì)稱性，骨架層和抗壓鎧裝層間隙發(fā)生變化，降低了管道整體的抗壓潰能力。王野[16]建立柔性軟管在拉伸和外壓載荷共同作用下的三維有限元模型，并用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的原型試驗(yàn)對(duì)管道抗拉剛度結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，考慮幾何缺陷及材料塑性等非線性條件，模擬分析得到骨架層的抗壓潰設(shè)計(jì)曲線。NOGUEIRA等[17]采用梁?jiǎn)卧M復(fù)雜的柔性軟管，并考慮層間接觸、幾何和材料非線性等因素對(duì)骨架層和抗壓鎧裝層的影響。王彩山[18]基于骨架層三維有限元數(shù)值模擬方法研究徑向載荷下骨架層和抗壓鎧裝層的力學(xué)行為，經(jīng)干壓潰和濕壓潰的模型分析對(duì)比，得出抗壓鎧裝層以及抗壓鎧裝層與內(nèi)襯層之間的間隙對(duì)骨架層的抗壓潰性能影響較大。高博[19]通過彎曲剛度截面等效與薄壁筒對(duì)壓的解析方法給出預(yù)測(cè)骨架層臨界對(duì)壓載荷的方法，并建立三維模型分析管道在對(duì)壓載荷和內(nèi)壓下的承壓能力，得出理論方法測(cè)得的結(jié)果均偏危險(xiǎn)。PAUMIER等[20]基于上述多個(gè)模型及多組試驗(yàn)結(jié)果提出抗壓潰設(shè)計(jì)方法，同時(shí)得到第三方認(rèn)證。

柔性軟管金屬層壓潰的理論分析方法經(jīng)歷了從等效面積法、彎曲剛度等效厚度法到應(yīng)變能等效法的過程，在考慮曲率、初始橢圓度等幾何和材料等非線性條件下，彎曲剛度等效厚度法更靈活，且更接近實(shí)際。有限元數(shù)值模擬方法經(jīng)歷了從二維筒到三維梁和實(shí)體、金屬層從單層到多層的有限元模型的過程，且在考慮運(yùn)輸介質(zhì)內(nèi)壓、深水外壓、彎曲、軸向力、徑向載荷聯(lián)合作用時(shí)，三維模擬幾何缺陷與材料非線性對(duì)管道壓潰性能的影響所得到的結(jié)果更準(zhǔn)確。試驗(yàn)研究方法通常采用小尺寸特性試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)原型尺寸試驗(yàn)和模擬工況的原型試驗(yàn)，以此配合驗(yàn)證理論解析和數(shù)值分析的準(zhǔn)確性。3種方法的綜合使用可起到相互驗(yàn)證的效果。

3 爆裂失效

爆裂失效主要指在輸送介質(zhì)內(nèi)壓作用下軟管發(fā)生的失效。抗壓鎧裝層破裂、抗拉鎧裝層破裂和環(huán)空殘余壓力都可能導(dǎo)致軟管發(fā)生爆裂事故。其他缺陷或失效，如制造缺陷、內(nèi)部腐蝕和侵蝕或外部磨損，也可能削弱軟管功能而導(dǎo)致發(fā)生爆裂。柔性軟管一旦發(fā)生爆裂失效，必須進(jìn)行更換?？箟烘z裝層內(nèi)壓爆裂失效如圖2所示。

圖2 抗壓鎧裝層內(nèi)壓爆裂失效

在理論解析方面，針對(duì)柔性軟管金屬層內(nèi)壓失效的研究目前有兩種：一種是將實(shí)際的螺旋纏繞結(jié)構(gòu)等效為圓筒，從宏觀上分析管道的承壓能力；另一種是考慮復(fù)雜的螺旋截面結(jié)構(gòu)特征，采用曲梁的基本力學(xué)方法分析管道的承壓能力。在第1種研究中：COLQUHOUN等[21]提出一種基于Barlow公式的分析方法，采用填充因子對(duì)Z形螺旋結(jié)構(gòu)的截面進(jìn)行等效；NETO等[22]針對(duì)軟管金屬層抗內(nèi)壓?jiǎn)栴}提出線性和非線性兩種分析方法，線性分析指基于彎曲剛度等效方法將Z形螺旋結(jié)構(gòu)截面等效為薄壁圓筒進(jìn)行分析，非線性分析是指考慮材料的非線性進(jìn)行分析。在第2種研究中：FéRET等[23]采用軸對(duì)稱加載的形式獲得抗壓鎧裝層的承壓能力，并通過管道的拉伸及徑向內(nèi)、外壓力的平衡分析得到各層的極限承壓能力；OLIVIERA等[24]考慮管道結(jié)構(gòu)的軸向與徑向變形來預(yù)測(cè)軟管的內(nèi)壓承載能力。

隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)ERNANDO等[25]采用僅考慮抗壓鎧裝層的二維軸對(duì)稱模型和考慮抗壓鎧裝層和內(nèi)襯層共同作用的三維模型這2種模型研究抗內(nèi)壓?jiǎn)栴}，對(duì)比結(jié)果顯示加工殘余應(yīng)力對(duì)管道結(jié)構(gòu)抗壓性能的影響不可忽視。NETO等[26-27]采用三維螺旋纏繞實(shí)體模型、三維忽略螺旋纏繞的實(shí)體模型和等效圓環(huán)的二維模型等3種不同的模型對(duì)含有抗壓鎧裝層和內(nèi)襯層的軟管抗壓能力進(jìn)行分析，認(rèn)為材料的幾何非線性可能是導(dǎo)致理論解析與數(shù)值分析的誤差產(chǎn)生的原因。CUAMATZI-MELENDEZ等[28]也對(duì)軟管截面進(jìn)行分析，提出一種抗壓鎧裝層和內(nèi)襯層結(jié)構(gòu)的三維模型爆破分析方法，該模型考慮了截面形式和螺旋纏繞等多方面因素，尤其是2個(gè)不同層之間的接觸條件導(dǎo)致的幾何非線性和物理非線性，對(duì)比效果良好。高博等[29]基于內(nèi)壓的理論解析，建立三維模型，將數(shù)值模擬與理論計(jì)算進(jìn)行比較，得出較適用的預(yù)測(cè)內(nèi)壓失效的理論模型，并提出在鎧裝層加工制造過程中加工間隙對(duì)結(jié)構(gòu)抗壓性能影響的分析方法，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證該方法的可行性。

目前，雖然部分學(xué)者在研究?jī)?nèi)壓失效時(shí)有意識(shí)地考慮了內(nèi)襯層，但爆裂失效仍集中在對(duì)主要承擔(dān)內(nèi)部壓力的抗壓鎧裝層的力學(xué)性能研究。內(nèi)壓下的爆裂失效理論解析主要包括是否考慮抗壓鎧裝層的截面形式進(jìn)行分析，數(shù)值模擬也逐漸由二維、三維過渡到考慮幾何和物理非線性進(jìn)行分析，而試驗(yàn)測(cè)試作為理論和數(shù)值模擬抗壓鎧裝層力學(xué)性能的驗(yàn)證方法之一，模擬實(shí)際內(nèi)壓工況較為困難。

4 拉伸和扭轉(zhuǎn)斷裂失效

抗壓鎧裝層幾乎不承受軸向拉力，而骨架層可能出現(xiàn)由拉力過大而導(dǎo)致的應(yīng)力集中或自鎖現(xiàn)象，如圖3所示?？估z裝層主要承擔(dān)管道軸向拉力，拉力過大或動(dòng)態(tài)位移過大時(shí)可能會(huì)發(fā)生拉伸斷裂。

圖3 拉力過大導(dǎo)致骨架層拉伸斷裂失效

由于抗拉鎧裝層呈螺旋形配置，因此當(dāng)立管發(fā)生扭曲時(shí)，其會(huì)受到拉力或壓力。扭曲產(chǎn)生的過大拉伸負(fù)荷可能會(huì)導(dǎo)致一根或幾根鋼絲斷裂，如圖4所示。

圖4 抗拉鎧裝層扭轉(zhuǎn)斷裂失效

拉伸斷裂失效的理論研究開始相對(duì)較早。HRUSKA[30]只分析了鎧裝層的鋼帶在纏繞時(shí)的軸向力學(xué)行為而忽略了其彎曲和扭轉(zhuǎn)。隨后，MCCONNELL等[31]將扭轉(zhuǎn)問題引入模型改善了之前的缺陷。董俊宏等[32]假設(shè)雙層鎧裝層螺旋纏繞在剛性圓柱上，分析海底光纜的拉伸強(qiáng)度。盧青針等[33]建立簡(jiǎn)易且具有代表性的理論拉伸模型，總結(jié)出提升柔性管道抗拉性能的設(shè)計(jì)方法，增加抗拉鎧裝層纏繞圓柱的徑向剛度可控制徑向收縮，進(jìn)而提高抗拉鋼度和抗拉能力。KNAPP[34]基于小變形、材料線彈性、纏繞的內(nèi)部圓柱為剛性且不可壓縮等一系列假設(shè)，得到鋼帶力與位移變形的線性關(guān)系，以及在拉伸載荷下抗拉鎧裝層鋼帶對(duì)內(nèi)部圓柱的徑向擠壓力。KUMAR等[35]將鎧裝層鋼帶的變形位移和內(nèi)部應(yīng)力的線性理論分析模型引入剛度矩陣，得到抗拉鎧裝層與管道內(nèi)部層之間的摩擦力，但UTTING等[36]發(fā)現(xiàn)這些摩擦因素對(duì)整個(gè)管道抵抗拉伸載荷的性能影響非常微小。

隨著有限元的發(fā)展，LOVE[37]建立了一個(gè)更復(fù)雜的曲梁模型來分析柔性管的性能。COSTELLO等[38]在LOVE的曲梁模型基礎(chǔ)上，分析鎧裝層鋼帶螺旋纏繞的形式和角度變化、彎曲和扭轉(zhuǎn)變化以及泊松效應(yīng)對(duì)拉伸行為的影響。HOBBS等[39]將管道的非金屬層與金屬層之間的復(fù)合關(guān)系簡(jiǎn)化等效為一種具有各向異性殼的模型，發(fā)現(xiàn)其對(duì)多層非黏結(jié)柔性管道的數(shù)值模擬應(yīng)用具有適用性。

在惡劣環(huán)境條件(風(fēng)、波和流)下工作的軟管更易發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。SIMONSEN[40]指出柔性軟管的扭力在任一方向上都可能造成破壞：如果扭轉(zhuǎn)力的方向與鋼帶的螺旋方向相同，鋼帶將收緊，骨架層或內(nèi)襯層會(huì)壓潰；如果扭轉(zhuǎn)力作用于另一個(gè)方向，鎧裝層可能會(huì)承受過大的壓力，導(dǎo)致徑向屈曲或解鎖。吳尚華等[41]建立柔性管道力學(xué)模型，分析抗拉鎧裝層的應(yīng)力及相鄰層間的相互作用力，對(duì)柔性管道的屈曲失效、內(nèi)層壓潰失效和強(qiáng)度失效進(jìn)行判斷。

隨著對(duì)影響管道抵抗拉伸和扭轉(zhuǎn)性能因素的不斷擴(kuò)展和深入研究，可以發(fā)現(xiàn)：不論是拉伸斷裂失效還是扭轉(zhuǎn)斷裂失效，只要抗拉鎧裝層的設(shè)計(jì)載荷能夠承受正常使用時(shí)的載荷，其發(fā)生失效的概率較低，但其也可能導(dǎo)致其他失效模式造成管道的最終失效。若單純的拉伸或扭轉(zhuǎn)斷裂與腐蝕、磨損或任何其他改變管道功能的因素相結(jié)合，則管道完整性會(huì)受到威脅。

5 軸向壓縮和彎曲斷裂失效

柔性軟管在安裝或在位運(yùn)行期間受到的復(fù)雜環(huán)境載荷使管道在TDP處更易發(fā)生反復(fù)彎曲，抗拉鎧裝層軸向壓縮，促使其螺旋纏繞的細(xì)長(zhǎng)鋼帶因受到軸向壓應(yīng)力而屈曲?？估z裝層鋼帶的屈曲形式包括徑向屈曲(鳥籠化)和側(cè)向屈曲。抗拉鎧裝層的屈曲失效如圖5所示。

圖5 抗拉鎧裝層屈曲失效示例

TDP也可能發(fā)生過度彎曲失效。過度彎曲引起的載荷會(huì)以不同方式影響管道：骨架層和內(nèi)襯層可能會(huì)因壓縮力而壓潰；過度彎曲引起的拉力使內(nèi)襯層或外包覆層破裂；如果彎曲應(yīng)力過大，則管道強(qiáng)度降低會(huì)導(dǎo)致外包覆層破裂，骨架層和抗壓鎧裝層脫離。骨架層過度彎曲失效如圖6所示。

圖6 骨架層過度彎曲失效

軸向壓縮和彎曲斷裂失效均可稱為屈曲失效。屈曲失效的理論分析主要通過大量假設(shè)對(duì)臨界屈曲載荷及應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算。TAN等[42]沿著螺旋纏繞在圓柱上的鎧裝層鋼帶建立局部坐標(biāo)系，假設(shè)無摩擦、純彎曲，計(jì)算得到屈曲后的應(yīng)力分布。楊旭等[43]基于曲梁結(jié)構(gòu)假設(shè)，利用圣維南原理，假設(shè)側(cè)向屈曲后的形狀得到解析解。GIMENA等[44]利用差分原理，采用曲梁?jiǎn)卧?，?duì)螺旋纏繞結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論推導(dǎo)。SVIK等[45]和?STERGAARD等[46]基于曲梁理論和圣維南原理，利用差分方程，考慮濕環(huán)境下軸對(duì)稱載荷和彎曲載荷引起的扭轉(zhuǎn)和曲率，假設(shè)鎧裝層在變形過程中沿測(cè)地線滑移并忽略扭轉(zhuǎn)后屈曲的形狀，同樣得到了側(cè)向屈曲載荷的解析解，并將結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。

RIBEIRO等[47]建立三維模型預(yù)測(cè)在壓縮狀態(tài)下軟管的局部力學(xué)行為，得出軸向壓縮剛度遠(yuǎn)低于拉伸剛度，抗拉鎧裝層發(fā)生徑向移動(dòng)和側(cè)向移動(dòng)，壓縮產(chǎn)生的較大的彎曲應(yīng)力使層之間產(chǎn)生間隙。MUREN[48]發(fā)現(xiàn)壓縮載荷較大時(shí)可能發(fā)生徑向屈曲或鳥籠化失效，若外包覆層完好且抗屈曲性很高，該失效模式可避免。劉曉媛等[49]建立三維數(shù)值模型，研究軸向壓縮載荷下抗拉鎧裝層的螺旋鋼帶數(shù)目、鋪設(shè)角度和外部聚合物層的厚度以及不同摩擦系數(shù)和外壓對(duì)軟管失效和承載力的影響。鄭佳楠[50]建立外壓和軸向壓力載荷下軟管金屬鋪層屈曲分析模型，研究影響屈曲的因素與臨界載荷的關(guān)系。魏斌等[51]基于ANSYS建立多層管道有限元分析模型分析管道內(nèi)液體溫度、壓力和埋泥深度對(duì)隆起屈曲程度的影響，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)溫度越高、管道隆起高度越高、管道內(nèi)輸送的液體壓力越大和埋泥深度越深都會(huì)限制管道的隆起。

盡管過度屈曲會(huì)影響管道多層，但挪威部門僅報(bào)告了一次與這種失效模式有關(guān)的事件，且是20世紀(jì)90年代英國(guó)的一個(gè)事故。如今該失效事故已不再常見。

6 疲勞失效

疲勞是材料在承受環(huán)境中周期性載荷時(shí)發(fā)生的漸進(jìn)性和局部性結(jié)構(gòu)損傷。常見的疲勞主要包括：深水軟管的金屬層的純疲勞；柔性軟管各層間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和層間的接觸壓力產(chǎn)生的與磨損相關(guān)的疲勞，如與抗拉鎧裝層磨損相關(guān)的疲勞、與抗壓鎧裝層磨損相關(guān)的疲勞；金屬發(fā)生腐蝕后，裂紋萌生和擴(kuò)展造成的腐蝕疲勞；非金屬聚合物層很少因?yàn)槠诙霈F(xiàn)問題，除了在端部接頭處或由于管體壓力或溫度循環(huán)導(dǎo)致的內(nèi)襯層疲勞失效[20]外。疲勞失效如圖7所示。

圖7 金屬層疲勞失效

MCCARTHY等[52]提出在深水環(huán)境中，軟管和連接器之間剛度顯著突變可能會(huì)導(dǎo)致漸進(jìn)性疲勞破壞，也可能由于腐蝕加速疲勞。ELMAN等[53]指出軟管在端部靠近彎頭處更易發(fā)生損壞，比如外包覆層的損壞可能導(dǎo)致環(huán)空溢流，進(jìn)而導(dǎo)致鎧裝層的腐蝕，聚合物層的降解，疲勞損傷增加，管道使用壽命縮短。NIELSEN等[54]認(rèn)為船舶運(yùn)動(dòng)和波浪載荷等環(huán)境條件引起軟管的張力和曲率嚴(yán)重變化是軟管疲勞的原因。SAUNDERS等[55]認(rèn)為在安裝階段外包覆層的破壞才是導(dǎo)致軟管疲勞的主要原因，海水進(jìn)入環(huán)空，靜水壓的作用使得鎧裝層受腐蝕的程度沿軟管發(fā)生顯著變化，酸性環(huán)境促使抗疲勞性能大幅降低。因此，疲勞評(píng)估需使用沿截面能反映不同分壓滲透成分的S-N曲線。

NIELSEN等[54]基于具有代表性的S-N曲線采用Palmgren-Miner線性損傷假設(shè)計(jì)算累積疲勞損傷。CLEMENTS等[56]集中研究材料在腐蝕條件下的疲勞過程以及材料設(shè)計(jì)曲線的發(fā)展，得出不同的S-N曲線用以研究使用壽命增減分析中的保守性。趙林等[57]建立有限元分析模型，將得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入fe-safe軟件，設(shè)置載荷譜、S-N曲線、管道材料等數(shù)據(jù)，分析疲勞壽命，得出互鎖結(jié)構(gòu)中直接承受外壓的截面最易發(fā)生疲勞破壞。席勇輝[58]對(duì)柔性管纜進(jìn)行疲勞半物理仿真試驗(yàn)，將其在位時(shí)受到的載荷轉(zhuǎn)換到試驗(yàn)?zāi)M加載值，建立疲勞試驗(yàn)裝置，用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證分析試件試驗(yàn)加載與變形的協(xié)調(diào)關(guān)系。楊嬋[59]考慮彎矩與曲率的非線性關(guān)系，建立單根鋼帶螺旋纏繞圓柱的疲勞載荷分析模型，根據(jù)模型的結(jié)果研究理論解析模型的適用性，并分析鋼帶的幾何參數(shù)對(duì)理論解析模型適用性的影響。

隨著研究技術(shù)的不斷深入，柔性軟管疲勞失效引起的事故率正在減少。假設(shè)疲勞機(jī)理不受其他可能降低疲勞強(qiáng)度的因素(如腐蝕)的影響，為防止軟管其他層受影響，可在設(shè)計(jì)時(shí)采用設(shè)計(jì)較高的安全因數(shù)來避免疲勞的發(fā)生。但是，在酸性環(huán)境(如巴西和西非)下作業(yè)仍可能引發(fā)抗拉鎧裝層的疲勞失效。

7 腐蝕和侵蝕失效

單純的腐蝕并不是柔性軟管發(fā)生故障失效的典型原因，但金屬材料的腐蝕往往會(huì)加速各金屬層的故障失效。隨著水、CO2、H2S不斷通過內(nèi)襯層擴(kuò)散，環(huán)空內(nèi)可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂、硫致開裂、氫致開裂等；在運(yùn)輸和安裝柔性軟管時(shí)外包覆層也會(huì)發(fā)生破裂，O2進(jìn)入環(huán)空，發(fā)生嚴(yán)重的氧化腐蝕。若其與高靜態(tài)載荷或疲勞載荷結(jié)合，則會(huì)導(dǎo)致管道完整性下降，甚至發(fā)生失效。金屬層發(fā)生的腐蝕失效如圖8所示。

圖8 金屬層腐蝕失效

現(xiàn)場(chǎng)觀察表明，鎧裝層的點(diǎn)蝕形成迅速，有時(shí)在海水進(jìn)入環(huán)空一年內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)鎧裝層點(diǎn)蝕。BERGE等[60]認(rèn)為點(diǎn)蝕會(huì)降低非黏結(jié)柔性軟管鎧裝層的疲勞壽命。KRISHNAN等[61]發(fā)現(xiàn)基于英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室最初開發(fā)的方法(ZHOU等[62]應(yīng)用于渦輪機(jī)的電化學(xué)點(diǎn)蝕)可得到很好的模擬鎧裝層發(fā)生點(diǎn)蝕的效果，以此預(yù)測(cè)鎧裝層疲勞壽命。

另一方面，采出液中的含砂量及水合物在骨架層內(nèi)表面間隙的形成是骨架層發(fā)生侵蝕的主要原因，砂粒與骨架層的內(nèi)壁碰撞，導(dǎo)致鋼帶厚度減薄，軟管的抗壓潰性能降低。侵蝕發(fā)生在產(chǎn)氣管道中的可能性更大，因?yàn)闅怏w管道中固體顆粒流動(dòng)速度更快。單純的侵蝕不會(huì)造成軟管失效，但隨著侵蝕的不斷累積，骨架層變薄可能會(huì)導(dǎo)致管道破裂或壓潰。骨架層侵蝕失效如圖9所示。

圖9 骨架層侵蝕失效

國(guó)外學(xué)者對(duì)預(yù)測(cè)固體顆粒侵蝕的方法進(jìn)行了廣泛研究。較早的指南之一是美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)的推薦實(shí)踐API RP 14E[63]，其中將腐蝕極限速度與實(shí)際過程流速進(jìn)行比較。但是，該指南并未考慮侵蝕參數(shù)。PARSI等[64]介紹影響侵蝕的關(guān)鍵因素和侵蝕預(yù)測(cè)方程，建立油氣井和管道的固體顆粒侵蝕模型，用于限制最大生產(chǎn)流量并避免過度侵蝕破壞。ARABNEJAD等[65]提出一種半機(jī)械模型，用于分析由固體顆粒引起的不同目標(biāo)材料的腐蝕，可用于預(yù)測(cè)油氣管件出砂引起的侵蝕磨損。HELGAKER等[66]進(jìn)行大量的砂粒侵蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)侵蝕沿骨架層鋼帶分布不均勻，且最嚴(yán)重的侵蝕位于鋼帶前緣，但這種侵蝕預(yù)測(cè)方法不適用于具有金屬互鎖結(jié)構(gòu)的骨架層。

目前，關(guān)于軟管金屬層腐蝕和侵蝕的結(jié)構(gòu)性能研究相對(duì)較少，理論分析研究大多為金屬腐蝕和侵蝕的化學(xué)機(jī)理，數(shù)值模擬較少，試驗(yàn)居多。單純的腐蝕和侵蝕都不足以使管道功能失效，卻是管道失效機(jī)制中一種重要的失效模式，腐蝕性環(huán)境的長(zhǎng)期累積導(dǎo)致的點(diǎn)蝕和周期性的疲勞損傷是管道失效的主要原因。

8 當(dāng)前研究存在的問題與展望

8.1 當(dāng)前研究存在的問題

目前對(duì)柔性軟管的失效研究主要有理論研究、數(shù)值模擬、試驗(yàn)測(cè)試等3類方法，結(jié)合當(dāng)前研究進(jìn)展的綜述和筆者的認(rèn)識(shí)，提出柔性軟管金屬層失效機(jī)制的研究應(yīng)用中存在的一些問題，具體如下：

(1)金屬層的理論失效模型研究仍較為理想。非黏結(jié)柔性軟管的金屬層一般具有不同截面形式的金屬異型材和一定螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，早期的理論研究者將柔性軟管各層等效簡(jiǎn)化為均質(zhì)圓筒鋼管，并基于大量假設(shè)對(duì)各種理論模型進(jìn)行推導(dǎo)，隨后部分研究者將曲梁理論、圣維南原理、差分方程和一定假設(shè)等引入具有一定截面形式和螺旋結(jié)構(gòu)的柔性軟管金屬層失效理論模型分析，以求得各環(huán)境或材料因素影響下的解析計(jì)算公式，但修正方法仍不夠完善，需要繼續(xù)改進(jìn)。

(2)金屬層的數(shù)值模擬仍停留在相對(duì)簡(jiǎn)單的金屬單層研究。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，雖然使用了正確的方式建立有限元模型，同時(shí)考慮截面形式、初始缺陷、幾何和材料非線性、接觸摩擦等條件和實(shí)際復(fù)雜載荷對(duì)管道承受能力的影響，已經(jīng)取得一些成果，但通常都是針對(duì)功能不同的金屬層單獨(dú)建立失效模型，柔性軟管的失效機(jī)制呈現(xiàn)多樣性、多因素性，失效形式可能為一種，也可能為多種形式的相繼組合。單層的金屬層研究仍與實(shí)際軟管整體的故障失效機(jī)制研究存在一定的差距。

(3)金屬層失效的試驗(yàn)測(cè)試方法存在一定的阻礙。用標(biāo)準(zhǔn)尺寸模擬原型試驗(yàn)?zāi)芨_地評(píng)估管道結(jié)構(gòu)抵抗實(shí)際載荷的性能，更貼近實(shí)際工況，但該類試驗(yàn)的實(shí)施通常較復(fù)雜且對(duì)設(shè)備的要求較苛刻，需要特殊的高精度測(cè)量設(shè)備及高控制性能的加載設(shè)備等。另外，測(cè)試前期往往需要進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，如試驗(yàn)材料的采購、加載設(shè)備的加工設(shè)計(jì)、高壓監(jiān)測(cè)設(shè)備的調(diào)試，并進(jìn)行多組試驗(yàn)研究各參數(shù)對(duì)管道性能的影響規(guī)律等，人力物力消耗巨大。在試驗(yàn)過程中一些不能完全消除的不確定因素有時(shí)還會(huì)影響結(jié)果的判斷分析，且由于保密性等原因各種發(fā)表文章對(duì)相關(guān)試驗(yàn)過程的細(xì)致描述較少，這些都會(huì)阻礙金屬層失效試驗(yàn)的進(jìn)一步研究。

8.2 展 望

在未來，可通過引入修正系數(shù)或其他創(chuàng)新方法不斷完善和改進(jìn)理論研究方法對(duì)于實(shí)際復(fù)雜截面形式和螺旋纏繞結(jié)構(gòu)下的柔性軟管的力學(xué)性能分析，同時(shí)應(yīng)同步數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試，在使用數(shù)值軟件真實(shí)模擬軟管所有層截面實(shí)際形狀和尺寸建模、同時(shí)模擬海洋各類動(dòng)態(tài)載荷的共同作用、多因素準(zhǔn)確對(duì)實(shí)際海洋中軟管失效的受力和破損情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)全尺寸原型仿真試驗(yàn)驗(yàn)證加強(qiáng)對(duì)比，增強(qiáng)研究的準(zhǔn)確性和可信度。

隨著海洋油氣資源開發(fā)的水深越來越深，海洋環(huán)境瞬時(shí)復(fù)雜多變，非黏結(jié)柔性軟管抵抗多因素下各種環(huán)境載荷的性能逐漸成為衡量各類油氣輸送管道完整性管理的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，不僅需要考慮管道自身材料和結(jié)構(gòu)的影響，而且需要考慮其他復(fù)雜組合載荷的影響。因此，針對(duì)當(dāng)前金屬層失效機(jī)制進(jìn)行國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的綜述將對(duì)我國(guó)今后在海洋非黏結(jié)柔性軟管的設(shè)計(jì)和有效的完整性管理研究方面具有重要意義。