海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

李彥昭

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452）

0 引言

海洋石油資源被視為國(guó)家能源發(fā)展的重要組成部分，具有巨大的潛力和價(jià)值。數(shù)據(jù)顯示，海洋石油資源占石油總量的三分之一，而尚未探明的海洋石油資源占到海洋總石油資源的一部分。這意味著海洋中存在大量的油氣資源尚未被開(kāi)發(fā)利用，迫切需要我們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)和利用。所以各個(gè)國(guó)家都急于在海洋領(lǐng)域占據(jù)經(jīng)濟(jì)要塞，以確保能源的持續(xù)供給。

隨著海洋石油開(kāi)發(fā)和海底管道建設(shè)的不斷發(fā)展，非粘結(jié)柔性管道在海洋工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，圖1為非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)圖。非粘結(jié)柔性管道具有彈性和柔性特性，能夠適應(yīng)海洋環(huán)境中的各種力學(xué)載荷。螺旋纏繞是制造非粘結(jié)柔性管道的主要方法。通過(guò)將金屬帶和聚合物帶交替纏繞在一起，形成一個(gè)連續(xù)的螺旋結(jié)構(gòu)。這種螺旋纏繞方式可以使管道具有較高的強(qiáng)度和柔性，并且能夠適應(yīng)復(fù)雜的海洋環(huán)境。但是在實(shí)際使用中，非粘結(jié)柔性管道經(jīng)常面臨環(huán)境載荷和浮體運(yùn)動(dòng)的影響。例如，海洋中的波浪、海流和風(fēng)力等因素都會(huì)對(duì)管道施加力量和壓力。此外，浮體運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致管道的彎曲和扭轉(zhuǎn)。這些作用力會(huì)導(dǎo)致各層材料之間產(chǎn)生接觸和滑動(dòng)，這對(duì)管道的設(shè)計(jì)和分析提出了挑戰(zhàn)。因此，研究海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常有意義價(jià)值的。

圖1 非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)圖

1 海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則是為了保證管道的強(qiáng)度、安全性和可靠性，同時(shí)考慮到海洋環(huán)境的復(fù)雜性。常見(jiàn)的原則包括以下幾個(gè)：①?gòu)?qiáng)度原則。管道設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足承受內(nèi)外壓力、拉力、彎曲力等各種力的要求，確保管道在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)不發(fā)生破壞或失效。②柔韌性原則。柔性管道應(yīng)具備足夠的柔韌性，能夠適應(yīng)管道在海洋環(huán)境中的彎曲、擺動(dòng)和變形，同時(shí)保持管道的完整性和穩(wěn)定性。③耐腐蝕原則。海洋環(huán)境中存在海水腐蝕、海洋生物附著等問(wèn)題，管道材料應(yīng)具有良好的耐腐蝕性能，以延長(zhǎng)管道的使用壽命。④連接可靠性原則。管道連接點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)合理，連接方式應(yīng)可靠，確保連接點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)、漏水等問(wèn)題。⑤疲勞壽命原則?？紤]到海洋環(huán)境中的波浪和海流等動(dòng)力學(xué)作用，管道應(yīng)具備足夠的疲勞壽命，能夠承受長(zhǎng)期循環(huán)載荷而不發(fā)生疲勞破壞。⑥規(guī)范指導(dǎo)原則。設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)遵循相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確保設(shè)計(jì)符合行業(yè)要求和安全標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)遵循以上原則，可以設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足海洋非粘結(jié)柔性管道在海洋環(huán)境中安全可靠運(yùn)行的結(jié)構(gòu)。

2 海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

2.1 管道受力分析不準(zhǔn)確

在海洋環(huán)境中，非粘結(jié)柔性管道承受著多種力學(xué)載荷，如水流、波浪、海底地形等。然而，在分析過(guò)程中工作人員未能全面考慮到海洋環(huán)境中的水流速度、波浪力、海底地形等因素，導(dǎo)致對(duì)管道受力的估計(jì)不準(zhǔn)確，引起管道破裂、變形或塌陷等安全問(wèn)題。并且管道在受到外部載荷作用時(shí)會(huì)發(fā)生一定的彈性變形，在分析時(shí)未能考慮到管道材料的非線(xiàn)性特性，如彈性變形、塑性變形等，導(dǎo)致受力分析結(jié)果不準(zhǔn)確，出現(xiàn)管道撓度過(guò)大、應(yīng)力分布不均勻、失穩(wěn)和疲勞破壞等問(wèn)題。此外，受力分析過(guò)程中，對(duì)管道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型建立不準(zhǔn)確，不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)管道在海洋環(huán)境中的振動(dòng)和變形情況。而且采用的分析方法不適用于具體情況。例如，采用了簡(jiǎn)化的分析方法，而未考慮到實(shí)際情況的復(fù)雜性，會(huì)導(dǎo)致受力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性不足，影響后期的使用效果。

2.2 管道連接方式不可靠

海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，管道連接方式的可靠性是非常重要的，直接影響著整個(gè)管道系統(tǒng)的安全可靠性。目前，在實(shí)際設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員對(duì)連接接頭的設(shè)計(jì)不合理，未能充分考慮到海洋環(huán)境中的力學(xué)載荷和熱脹冷縮等因素，導(dǎo)致連接接頭容易松動(dòng)、斷裂。不同的海洋環(huán)境對(duì)管道連接方式有不同的要求，如海水的腐蝕性、海底的振動(dòng)等。設(shè)計(jì)人員在選擇連接方式時(shí)沒(méi)有綜合考慮海洋環(huán)境，使得連接方式不適合特定的海洋環(huán)境，很容易受到海水腐蝕和疲勞等影響，導(dǎo)致連接不可靠。另外，連接接頭的加工、安裝、質(zhì)量控制等方面存在問(wèn)題，就容易導(dǎo)致連接接頭質(zhì)量不穩(wěn)定。例如，連接接頭的加工精度不高，安裝時(shí)未能完全保證緊固，或者質(zhì)量控制過(guò)程中存在疏漏，都會(huì)導(dǎo)致連接接頭存在隱患，容易出現(xiàn)泄漏、斷裂等問(wèn)題。

2.3 材料選擇不合理

海洋非粘結(jié)柔性管道的材料選擇直接關(guān)系到管道的耐腐蝕性、抗疲勞性和耐高溫性等性能，進(jìn)而決定管道的使用壽命和安全。海洋環(huán)境中的海水中含有鹽分和其他腐蝕性物質(zhì)，對(duì)材料的腐蝕性要求較高。當(dāng)選擇的材料對(duì)海水的腐蝕性不佳，容易導(dǎo)致管道表面腐蝕、管道壁厚減薄，甚至導(dǎo)致管道破損、漏水等問(wèn)題。并且當(dāng)材料的抗疲勞性不足時(shí)也很容易造成管道連接處產(chǎn)生疲勞裂紋，使得管道出現(xiàn)疲勞斷裂。此外，海洋環(huán)境中存在高溫情況，例如熱液噴涌等，當(dāng)設(shè)計(jì)人員在選擇材料時(shí)忽略了高溫情況，選擇的材料的耐高溫性不足，容易導(dǎo)致管道材料的變形、軟化甚至失效，影響管道的正常運(yùn)行。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏規(guī)范指導(dǎo)

海洋非粘結(jié)柔性管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要遵循一定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以確保管道的安全可靠性。然而，目前缺乏專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中往往缺乏明確的指導(dǎo)和參考，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不符合要求。在選擇設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)缺乏對(duì)海水深度、波浪、水流速度等因素的全面考慮，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足以應(yīng)對(duì)海洋環(huán)境的特殊要求。并且目前缺乏專(zhuān)門(mén)針對(duì)海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件工具，設(shè)計(jì)人員無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。缺乏合適的軟件工具限制了設(shè)計(jì)師對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精確性和可靠性的掌控，進(jìn)而影響管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。

3 海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化建議

3.1 改進(jìn)管道受力分析方法，獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)

在海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，管道受力分析方法的改進(jìn)是非常重要的，以確保管道能夠承受海洋環(huán)境的各種力量，并保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。為了獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，可以采用數(shù)值模擬方法。通過(guò)建立管道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)管道在海洋環(huán)境中的振動(dòng)和變形情況。數(shù)值模擬方法可以考慮水流速度、波浪力、海底地形等因素，并將它們作為輸入?yún)?shù)，計(jì)算管道的受力情況。需要注意的是，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，還應(yīng)該考慮管道材料的非線(xiàn)性特性。管道材料可能發(fā)生彈性變形或塑性變形，因此應(yīng)該采用適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)模型來(lái)描述材料的力學(xué)行為，以確保受力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)人員還需要合理考慮多種受力模式，包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)荷，更全面地評(píng)估管道結(jié)構(gòu)的安全性。并考慮管道在不同施工和運(yùn)營(yíng)階段的受力情況，如：在施工階段，管道會(huì)受到臨時(shí)荷載和施工工藝的影響；在運(yùn)營(yíng)階段，管道會(huì)受到流體壓力、溫度變化等因素的影響。因此，在受力分析中要考慮這些不同階段的情況。

此外，在受到外部力量的作用下，管道材料會(huì)發(fā)生彈性變形或塑性變形，這會(huì)對(duì)管道的受力和變形情況產(chǎn)生顯著影響。因此，必須考慮管道材料的非線(xiàn)性特性，以確保受力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)人員使用材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)來(lái)描述管道材料的非線(xiàn)性特性，并將其應(yīng)用于受力分析中。在受力分析中，設(shè)計(jì)人員可以將應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)作為材料的本構(gòu)模型，常用的本構(gòu)模型包括線(xiàn)性彈性模型、彈塑性模型和本構(gòu)方程模型。通過(guò)數(shù)值模擬方法將應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和本構(gòu)模型應(yīng)用于管道材料的受力計(jì)算。通過(guò)將外部力量作為輸入?yún)?shù)，結(jié)合材料的非線(xiàn)性特性，計(jì)算出管道的受力分布和變形情況，從而更準(zhǔn)確地評(píng)估管道的安全性，并優(yōu)化管道的設(shè)計(jì)，以確保管道的可靠性和耐久性。

3.2 改進(jìn)管道連接方式，加強(qiáng)連接點(diǎn)的強(qiáng)度和可靠性

不同海洋環(huán)境下的力學(xué)載荷和溫度變化情況不同，因此需要根據(jù)具體情況選擇連接方式。對(duì)于海水腐蝕性較強(qiáng)的環(huán)境，可以選擇耐腐蝕性能較好的連接方式，如不銹鋼連接件，以提高連接點(diǎn)的耐腐蝕性。設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮連接接頭的受力情況，選擇合適的連接方式，并確保連接接頭的加工精度高，安裝時(shí)緊固可靠。還可以采用多種連接方式的組合，以提高連接點(diǎn)的強(qiáng)度和可靠性。例如，可以使用螺紋連接和焊接連接相結(jié)合，以增加連接點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。此外，還可以考慮使用橡膠密封件等軟性連接方式，以適應(yīng)海洋環(huán)境中的振動(dòng)和變形。同時(shí)，在質(zhì)量控制過(guò)程中，要對(duì)連接接頭進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，確保連接接頭質(zhì)量的穩(wěn)定性。此外，在設(shè)計(jì)連接點(diǎn)時(shí)，要考慮到連接點(diǎn)的可維護(hù)性，便于檢查和維修。合理安排連接點(diǎn)的位置和布局，確保易于訪問(wèn)和操作。通過(guò)對(duì)連接接頭進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)存在的問(wèn)題。定期檢查連接接頭的緊固情況，防止松動(dòng)或斷裂。同時(shí)，對(duì)連接接頭進(jìn)行防腐處理，延長(zhǎng)連接接頭的使用壽命。還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試或數(shù)值模擬等手段，對(duì)連接點(diǎn)的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，確保連接點(diǎn)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并具有足夠的安全余量。并且在后期檢查過(guò)程中，可以使用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，如超聲波檢測(cè)等，來(lái)檢測(cè)連接接頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否存在缺陷，從而確保海洋管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.3 優(yōu)化管道材料選擇，提高結(jié)構(gòu)性能

在海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理選擇材料，以確保管道的耐腐蝕性、抗疲勞性和耐高溫性等性能。針對(duì)海洋環(huán)境中海水腐蝕性要求較高的情況，可以選擇耐腐蝕性能較好的材料。不銹鋼是一種常用的選擇，其具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，可以有效抵御海水的腐蝕。高合金鋼也是另一個(gè)常見(jiàn)的選擇，其合金成分能夠提高材料的耐腐蝕性。同時(shí)，在材料的選擇過(guò)程中，還需要考慮海洋環(huán)境中的高溫情況。選擇具有良好耐高溫性的材料，可以確保管道在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和安全性。例如，耐高溫合金材料具有較高的熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性，能夠在高溫環(huán)境下保持其力學(xué)性能和耐腐蝕性能。此外，抗疲勞性能也是海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素。選擇具有較高抗疲勞性的材料，可以有效延長(zhǎng)管道的使用壽命，并減少疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。在材料的選擇中，可以參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如：API SPEC 17J—2008 、API RP 17B—2008，選擇具有良好抗疲勞性能的材料，提高管道的使用壽命和安全性

3.4 建立規(guī)范化的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量

為了確保海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求，需要建立規(guī)范化的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，提高其安全可靠性。設(shè)計(jì)指導(dǎo)需要根據(jù)海洋環(huán)境的特點(diǎn)和要求，提供合理的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍和選擇建議。包括海水深度、波浪、水流速度等因素的考慮，以確保管道結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)對(duì)海洋環(huán)境的各種力量。并提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法和原則，包括受力分析、材料選擇、連接方式等。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)這些方法和原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)符合要求。同時(shí)，在設(shè)計(jì)中還需要提供專(zhuān)門(mén)針對(duì)管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件工具，幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些軟件工具應(yīng)該能夠考慮海洋環(huán)境的特殊要求，并能夠模擬管道在海洋環(huán)境中的振動(dòng)和變形情況，以提供準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)結(jié)果。此外，在設(shè)計(jì)中提供連接接頭的設(shè)計(jì)和選擇指導(dǎo)，包括連接方式的選擇、連接接頭的強(qiáng)度計(jì)算等。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)這些指導(dǎo)進(jìn)行連接接頭的設(shè)計(jì)，確保連接點(diǎn)的強(qiáng)度和可靠性。并提供材料的選擇和使用指導(dǎo)，包括耐腐蝕性、抗疲勞性、耐高溫性等性能的要求，以便結(jié)合這些指導(dǎo)選擇合適的材料，提高管道結(jié)構(gòu)的性能和安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是海洋工程技術(shù)的重要研究方向。通過(guò)改進(jìn)受力分析方法、優(yōu)化管道連接方式和合理選擇材料等解決方案，可以提高海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，推動(dòng)海洋工程技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。此外，還需要加強(qiáng)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定和推廣，提高海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范化水平，確保海洋工程的安全和高效進(jìn)行。