海洋非粘結柔性管道結構設計分析

李彥昭

（中海油能源發展裝備技術有限公司設計研發中心，天津 300452）

0 引言

海洋石油資源被視為國家能源發展的重要組成部分，具有巨大的潛力和價值。數據顯示，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發利用，迫切需要我們去開發和利用。所以各個國家都急于在海洋領域占據經濟要塞，以確保能源的持續供給。

隨著海洋石油開發和海底管道建設的不斷發展，非粘結柔性管道在海洋工程中的應用越來越廣泛，圖1為非粘結柔性管道結構圖。非粘結柔性管道具有彈性和柔性特性，能夠適應海洋環境中的各種力學載荷。螺旋纏繞是制造非粘結柔性管道的主要方法。通過將金屬帶和聚合物帶交替纏繞在一起，形成一個連續的螺旋結構。這種螺旋纏繞方式可以使管道具有較高的強度和柔性，并且能夠適應復雜的海洋環境。但是在實際使用中，非粘結柔性管道經常面臨環境載荷和浮體運動的影響。例如，海洋中的波浪、海流和風力等因素都會對管道施加力量和壓力。此外，浮體運動也會導致管道的彎曲和扭轉。這些作用力會導致各層材料之間產生接觸和滑動，這對管道的設計和分析提出了挑戰。因此，研究海洋非粘結柔性管道結構設計是非常有意義價值的。

圖1 非粘結柔性管道結構圖

1 海洋非粘結柔性管道結構設計原則

海洋非粘結柔性管道結構設計的原則是為了保證管道的強度、安全性和可靠性，同時考慮到海洋環境的復雜性。常見的原則包括以下幾個：①強度原則。管道設計應滿足承受內外壓力、拉力、彎曲力等各種力的要求，確保管道在設計壽命內不發生破壞或失效。②柔韌性原則。柔性管道應具備足夠的柔韌性，能夠適應管道在海洋環境中的彎曲、擺動和變形，同時保持管道的完整性和穩定性。③耐腐蝕原則。海洋環境中存在海水腐蝕、海洋生物附著等問題，管道材料應具有良好的耐腐蝕性能，以延長管道的使用壽命。④連接可靠性原則。管道連接點應設計合理，連接方式應可靠，確保連接點不會出現松動、漏水等問題。⑤疲勞壽命原則。考慮到海洋環境中的波浪和海流等動力學作用，管道應具備足夠的疲勞壽命，能夠承受長期循環載荷而不發生疲勞破壞。⑥規范指導原則。設計過程應遵循相關的規范和標準，確保設計符合行業要求和安全標準。通過遵循以上原則，可以設計出滿足海洋非粘結柔性管道在海洋環境中安全可靠運行的結構。

2 海洋非粘結柔性管道結構設計存在的問題

2.1 管道受力分析不準確

在海洋環境中，非粘結柔性管道承受著多種力學載荷，如水流、波浪、海底地形等。然而，在分析過程中工作人員未能全面考慮到海洋環境中的水流速度、波浪力、海底地形等因素，導致對管道受力的估計不準確，引起管道破裂、變形或塌陷等安全問題。并且管道在受到外部載荷作用時會發生一定的彈性變形，在分析時未能考慮到管道材料的非線性特性，如彈性變形、塑性變形等，導致受力分析結果不準確，出現管道撓度過大、應力分布不均勻、失穩和疲勞破壞等問題。此外，受力分析過程中，對管道的動態響應模型建立不準確，不能準確預測管道在海洋環境中的振動和變形情況。而且采用的分析方法不適用于具體情況。例如，采用了簡化的分析方法，而未考慮到實際情況的復雜性，會導致受力分析結果的準確性不足，影響后期的使用效果。

2.2 管道連接方式不可靠

海洋非粘結柔性管道結構設計中，管道連接方式的可靠性是非常重要的，直接影響著整個管道系統的安全可靠性。目前，在實際設計中設計人員對連接接頭的設計不合理，未能充分考慮到海洋環境中的力學載荷和熱脹冷縮等因素，導致連接接頭容易松動、斷裂。不同的海洋環境對管道連接方式有不同的要求，如海水的腐蝕性、海底的振動等。設計人員在選擇連接方式時沒有綜合考慮海洋環境，使得連接方式不適合特定的海洋環境，很容易受到海水腐蝕和疲勞等影響，導致連接不可靠。另外，連接接頭的加工、安裝、質量控制等方面存在問題，就容易導致連接接頭質量不穩定。例如，連接接頭的加工精度不高，安裝時未能完全保證緊固，或者質量控制過程中存在疏漏，都會導致連接接頭存在隱患，容易出現泄漏、斷裂等問題。

2.3 材料選擇不合理

海洋非粘結柔性管道的材料選擇直接關系到管道的耐腐蝕性、抗疲勞性和耐高溫性等性能，進而決定管道的使用壽命和安全。海洋環境中的海水中含有鹽分和其他腐蝕性物質，對材料的腐蝕性要求較高。當選擇的材料對海水的腐蝕性不佳，容易導致管道表面腐蝕、管道壁厚減薄，甚至導致管道破損、漏水等問題。并且當材料的抗疲勞性不足時也很容易造成管道連接處產生疲勞裂紋，使得管道出現疲勞斷裂。此外，海洋環境中存在高溫情況，例如熱液噴涌等，當設計人員在選擇材料時忽略了高溫情況，選擇的材料的耐高溫性不足，容易導致管道材料的變形、軟化甚至失效，影響管道的正常運行。

2.4 結構設計缺乏規范指導

海洋非粘結柔性管道的結構設計需要遵循一定的規范和標準，以確保管道的安全可靠性。然而，目前缺乏專門的設計規范和標準，設計人員在設計過程中往往缺乏明確的指導和參考，容易導致結構設計不符合要求。在選擇設計參數時缺乏對海水深度、波浪、水流速度等因素的全面考慮，導致結構設計不足以應對海洋環境的特殊要求。并且目前缺乏專門針對海洋非粘結柔性管道結構設計的軟件工具，設計人員無法進行準確的結構分析和優化設計。缺乏合適的軟件工具限制了設計師對于結構設計的精確性和可靠性的掌控，進而影響管道結構設計的安全性。

3 海洋非粘結柔性管道結構設計的優化建議

3.1 改進管道受力分析方法，獲取準確的數據

在海洋非粘結柔性管道結構設計中，管道受力分析方法的改進是非常重要的，以確保管道能夠承受海洋環境的各種力量，并保持結構的穩定性和安全性。為了獲取準確的數據，可以采用數值模擬方法。通過建立管道的動態響應模型，可以準確預測管道在海洋環境中的振動和變形情況。數值模擬方法可以考慮水流速度、波浪力、海底地形等因素，并將它們作為輸入參數，計算管道的受力情況。需要注意的是，在進行數值模擬時，還應該考慮管道材料的非線性特性。管道材料可能發生彈性變形或塑性變形，因此應該采用適當的本構模型來描述材料的力學行為，以確保受力分析結果的準確性。設計人員還需要合理考慮多種受力模式，包括靜態和動態負荷，更全面地評估管道結構的安全性。并考慮管道在不同施工和運營階段的受力情況，如：在施工階段，管道會受到臨時荷載和施工工藝的影響；在運營階段，管道會受到流體壓力、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，管道材料會發生彈性變形或塑性變形，這會對管道的受力和變形情況產生顯著影響。因此，必須考慮管道材料的非線性特性，以確保受力分析結果的準確性。設計人員使用材料的應力-應變曲線來描述管道材料的非線性特性，并將其應用于受力分析中。在受力分析中，設計人員可以將應力-應變曲線作為材料的本構模型，常用的本構模型包括線性彈性模型、彈塑性模型和本構方程模型。通過數值模擬方法將應力-應變曲線和本構模型應用于管道材料的受力計算。通過將外部力量作為輸入參數，結合材料的非線性特性，計算出管道的受力分布和變形情況，從而更準確地評估管道的安全性，并優化管道的設計，以確保管道的可靠性和耐久性。

3.2 改進管道連接方式，加強連接點的強度和可靠性

不同海洋環境下的力學載荷和溫度變化情況不同，因此需要根據具體情況選擇連接方式。對于海水腐蝕性較強的環境，可以選擇耐腐蝕性能較好的連接方式，如不銹鋼連接件，以提高連接點的耐腐蝕性。設計人員應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，安裝時緊固可靠。還可以采用多種連接方式的組合，以提高連接點的強度和可靠性。例如，可以使用螺紋連接和焊接連接相結合，以增加連接點的抗拉強度和抗剪強度。此外，還可以考慮使用橡膠密封件等軟性連接方式，以適應海洋環境中的振動和變形。同時，在質量控制過程中，要對連接接頭進行嚴格檢驗，確保連接接頭質量的穩定性。此外，在設計連接點時，要考慮到連接點的可維護性，便于檢查和維修。合理安排連接點的位置和布局，確保易于訪問和操作。通過對連接接頭進行定期檢查和維護，及時發現并修復存在的問題。定期檢查連接接頭的緊固情況，防止松動或斷裂。同時，對連接接頭進行防腐處理，延長連接接頭的使用壽命。還需要通過實驗室測試或數值模擬等手段，對連接點的強度進行驗證，確保連接點滿足設計要求，并具有足夠的安全余量。并且在后期檢查過程中，可以使用無損檢測技術，如超聲波檢測等，來檢測連接接頭的內部結構是否存在缺陷，從而確保海洋管道系統的安全運行。

3.3 優化管道材料選擇，提高結構性能

在海洋非粘結柔性管道結構設計中，應合理選擇材料，以確保管道的耐腐蝕性、抗疲勞性和耐高溫性等性能。針對海洋環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常見的選擇，其合金成分能夠提高材料的耐腐蝕性。同時，在材料的選擇過程中，還需要考慮海洋環境中的高溫情況。選擇具有良好耐高溫性的材料，可以確保管道在高溫環境下的穩定性和安全性。例如，耐高溫合金材料具有較高的熔點和熱穩定性，能夠在高溫環境下保持其力學性能和耐腐蝕性能。此外，抗疲勞性能也是海洋非粘結柔性管道結構設計中需要考慮的重要因素。選擇具有較高抗疲勞性的材料，可以有效延長管道的使用壽命，并減少疲勞斷裂的風險。在材料的選擇中，可以參考相關標準和規范，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 建立規范化的設計指導，提高設計質量

為了確保海洋非粘結柔性管道結構設計符合要求，需要建立規范化的設計指導，提高其安全可靠性。設計指導需要根據海洋環境的特點和要求，提供合理的設計參數范圍和選擇建議。包括海水深度、波浪、水流速度等因素的考慮，以確保管道結構能夠應對海洋環境的各種力量。并提供結構設計的基本方法和原則，包括受力分析、材料選擇、連接方式等。設計人員可以根據這些方法和原則進行結構設計，確保設計符合要求。同時，在設計中還需要提供專門針對管道結構設計的軟件工具，幫助設計人員進行準確的結構分析和優化設計。這些軟件工具應該能夠考慮海洋環境的特殊要求，并能夠模擬管道在海洋環境中的振動和變形情況，以提供準確的設計結果。此外，在設計中提供連接接頭的設計和選擇指導，包括連接方式的選擇、連接接頭的強度計算等。設計人員可以根據這些指導進行連接接頭的設計，確保連接點的強度和可靠性。并提供材料的選擇和使用指導，包括耐腐蝕性、抗疲勞性、耐高溫性等性能的要求，以便結合這些指導選擇合適的材料，提高管道結構的性能和安全性。

4 結語

綜上所述，海洋非粘結柔性管道結構設計是海洋工程技術的重要研究方向。通過改進受力分析方法、優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柔性管道結構的安全性和可靠性，推動海洋工程技術的創新和發展。此外，還需要加強相關規范和標準的制定和推廣，提高海洋非粘結柔性管道結構設計的規范化水平，確保海洋工程的安全和高效進行。