李彥昭

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

0 引言

海洋石油資源被視為國家能源發(fā)展的重要組成部分，具有巨大的潛力和價值。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發(fā)利用，迫切需要我們?nèi)ラ_發(fā)和利用。所以各個國家都急于在海洋領(lǐng)域占據(jù)經(jīng)濟要塞，以確保能源的持續(xù)供給。

隨著海洋石油開發(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用越來越廣泛，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，能夠適應海洋環(huán)境中的各種力學載荷。螺旋纏繞是制造非粘結(jié)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(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度和柔性，并且能夠適應復雜的海洋環(huán)境。但是在實際使用中，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(zhuǎn)。這些作用力會導致各層材料之間產(chǎn)生接觸和滑動，這對管道的設(shè)計和分析提出了挑戰(zhàn)。因此，研究海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常有意義價值的。

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)計原則

海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)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(huán)境的復雜性。常見的原則包括以下幾個：①強度原則。管道設(shè)計應滿足承受內(nèi)外壓力、拉力、彎曲力等各種力的要求，確保管道在設(shè)計壽命內(nèi)不發(fā)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(huán)境中的彎曲、擺動和變形，同時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(shè)計合理，連接方式應可靠，確保連接點不會出現(xiàn)松動、漏水等問題。⑤疲勞壽命原則?？紤]到海洋環(huán)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(huán)載荷而不發(fā)生疲勞破壞。⑥規(guī)范指導原則。設(shè)計過程應遵循相關(guān)的規(guī)范和標準，確保設(shè)計符合行業(yè)要求和安全標準。通過遵循以上原則，可以設(shè)計出滿足海洋非粘結(jié)柔性管道在海洋環(huán)境中安全可靠運行的結(jié)構(gòu)。

2 海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題

2.1 管道受力分析不準確

在海洋環(huán)境中，非粘結(jié)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(huán)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(fā)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(jié)果不準確，出現(xiàn)管道撓度過大、應力分布不均勻、失穩(wěn)和疲勞破壞等問題。此外，受力分析過程中，對管道的動態(tài)響應模型建立不準確，不能準確預測管道在海洋環(huán)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(jié)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(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)的安全可靠性。目前，在實際設(shè)計中設(shè)計人員對連接接頭的設(shè)計不合理，未能充分考慮到海洋環(huán)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(huán)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(shè)計人員在選擇連接方式時沒有綜合考慮海洋環(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題，就容易導致連接接頭質(zhì)量不穩(wěn)定。例如，連接接頭的加工精度不高，安裝時未能完全保證緊固，或者質(zhì)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(xiàn)泄漏、斷裂等問題。

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(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，當設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏規(guī)范指導

海洋非粘結(jié)柔性管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要遵循一定的規(guī)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(shè)計規(guī)范和標準，設(shè)計人員在設(shè)計過程中往往缺乏明確的指導和參考，容易導致結(jié)構(gòu)設(shè)計不符合要求。在選擇設(shè)計參數(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計不足以應對海洋環(huán)境的特殊要求。并且目前缺乏專門針對海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計的軟件工具，設(shè)計人員無法進行準確的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計。缺乏合適的軟件工具限制了設(shè)計師對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的精確性和可靠性的掌控，進而影響管道結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性。

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

3.1 改進管道受力分析方法，獲取準確的數(shù)據(jù)

在海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)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(huán)境的各種力量，并保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。為了獲取準確的數(shù)據(jù)，可以采用數(shù)值模擬方法。通過建立管道的動態(tài)響應模型，可以準確預測管道在海洋環(huán)境中的振動和變形情況。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)，計算管道的受力情況。需要注意的是，在進行數(shù)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(fā)生彈性變形或塑性變形，因此應該采用適當?shù)谋緲?gòu)模型來描述材料的力學行為，以確保受力分析結(jié)果的準確性。設(shè)計人員還需要合理考慮多種受力模式，包括靜態(tài)和動態(tài)負荷，更全面地評估管道結(jié)構(gòu)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(fā)生彈性變形或塑性變形，這會對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性特性，以確保受力分析結(jié)果的準確性。設(shè)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(shè)計人員可以將應力-應變曲線作為材料的本構(gòu)模型，常用的本構(gòu)模型包括線性彈性模型、彈塑性模型和本構(gòu)方程模型。通過數(shù)值模擬方法將應力-應變曲線和本構(gòu)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?yún)?shù)，結(jié)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(yōu)化管道的設(shè)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(huán)境下的力學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。對于海水腐蝕性較強的環(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，以提高連接點的耐腐蝕性。設(shè)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(jié)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(huán)境中的振動和變形。同時，在質(zhì)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(zhì)量的穩(wěn)定性。此外，在設(shè)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(fā)現(xiàn)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(shù)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(shè)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(shù)，如超聲波檢測等，來檢測連接接頭的內(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(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(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和熱穩(wěn)定性，能夠在高溫環(huán)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(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)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(guān)標準和規(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)計指導，提高設(shè)計質(zhì)量

為了確保海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計符合要求，需要建立規(guī)范化的設(shè)計指導，提高其安全可靠性。設(shè)計指導需要根據(jù)海洋環(huán)境的特點和要求，提供合理的設(shè)計參數(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)能夠應對海洋環(huán)境的各種力量。并提供結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計人員可以根據(jù)這些方法和原則進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保設(shè)計符合要求。同時，在設(shè)計中還需要提供專門針對管道結(jié)構(gòu)設(shè)計的軟件工具，幫助設(shè)計人員進行準確的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計。這些軟件工具應該能夠考慮海洋環(huán)境的特殊要求，并能夠模擬管道在海洋環(huán)境中的振動和變形情況，以提供準確的設(shè)計結(jié)果。此外，在設(shè)計中提供連接接頭的設(shè)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(shè)計人員可以根據(jù)這些指導進行連接接頭的設(shè)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(jié)合這些指導選擇合適的材料，提高管道結(jié)構(gòu)的性能和安全性。

4 結(jié)語

綜上所述，海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計是海洋工程技術(shù)的重要研究方向。通過改進受力分析方法、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，推動海洋工程技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。此外，還需要加強相關(guān)規(guī)范和標準的制定和推廣，提高海洋非粘結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)范化水平，確保海洋工程的安全和高效進行。