陳嚴(yán)飛，劉 昊，孫偉棟，董紹華，覃雯琪，高莫狄，馬 尚

(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，北京 102200； 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)

全球海洋油氣資源十分豐富，目前世界海洋油氣探明可采儲(chǔ)量為13 215億桶(約1 802.53×108t)油當(dāng)量，占全球含油氣盆地總儲(chǔ)量的三分之一以上[1]。隨著海洋油氣不斷地開(kāi)發(fā)，逐漸由淺水區(qū)開(kāi)發(fā)至深水區(qū)，全球深水區(qū)最終潛在石油儲(chǔ)量高達(dá)1 000億桶，深水是世界油氣的重要接替區(qū)[2]。但是深水區(qū)油氣勘探與開(kāi)發(fā)受到惡劣環(huán)境、高風(fēng)險(xiǎn)和高技術(shù)的限制[3]。非黏結(jié)柔性管道由于耐腐蝕性、易鋪設(shè)和良好的柔性使其適用于深水油氣開(kāi)發(fā)[4]。

深水非黏結(jié)柔性管道是由金屬層和聚合物層復(fù)合而成，不需要化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行黏結(jié)，層與層之間允許相對(duì)滑動(dòng)，而且用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增加或者減少層數(shù)，比如保溫層。由于各層之間允許存在相對(duì)位移，管道的抗彎曲能力也隨之得到提高，因此，非黏結(jié)柔性管道能更好地適應(yīng)海洋中復(fù)雜環(huán)境，典型的非黏結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)如圖1所示[5-6]。

圖1 典型非黏結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Illustration of un-bonded flexible pipe

由內(nèi)層到外層依次為骨架層、內(nèi)襯層、抗壓鎧裝層、耐磨層、抗拉鎧裝層、耐磨層、抗拉鎧裝層、耐磨層、中間包覆層、保溫層、外包覆層。其中骨架層的主要功能是抵抗外壓荷載，提供足夠的徑向剛度來(lái)支撐內(nèi)襯層，防止軟管承受外壓時(shí)發(fā)生壓潰失效，主要是由性能比較優(yōu)越的不銹鋼材料構(gòu)成，如奧氏不銹鋼(AISl304、304L、316、316L)，或者材料性能更優(yōu)的雙相不銹鋼[7]，大部分形式是通過(guò)互鎖結(jié)構(gòu)纏繞而成，通常截面形式為S形。

由于深海環(huán)境的惡劣和復(fù)雜性，非黏結(jié)柔性管道常發(fā)生壓潰、破裂、拉伸斷裂、壓縮斷裂、過(guò)度彎曲、扭轉(zhuǎn)斷裂、疲勞、磨損和腐蝕9種失效模式[5]。挪威石油安全局公布的近年來(lái)柔性管道失效事故統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖2，可以看出骨架層壓潰失效是柔性管道失效的主要因素之一，而且一旦發(fā)生壓潰失效則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，所以骨架層壓潰失效的相關(guān)研究至關(guān)重要。

圖2 柔性管道失效事件總結(jié)Fig. 2 Summary of flexible pipes failure events

非黏結(jié)柔性管道主要工作水深處于1 000～1 500 m的范圍內(nèi)[8]，隨著深水和超深水油氣田的開(kāi)發(fā)，未來(lái)柔性管道的工作水深會(huì)越來(lái)越深，巨大的靜水壓力將會(huì)給骨架層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

針對(duì)非黏結(jié)柔性管道骨架層失效機(jī)理和安全評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了綜述，首先從壓潰失效機(jī)理入手，然后針對(duì)目前存在的非黏結(jié)柔性管道壓潰壓力預(yù)測(cè)方法進(jìn)行總結(jié)，對(duì)比各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，指出目前骨架層壓潰失效分析薄弱的地方，為深水非黏結(jié)柔性管道骨架層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)提供一定的參考。

1 骨架層失效機(jī)理

1.1 骨架層壓潰失效

骨架層主要由不銹鋼組成，骨架層壓潰失效的主要失效機(jī)制是骨架層和壓力護(hù)套之間層間壓力或靜水壓力超過(guò)骨架層的極限承載力。

柔性管道壓潰失效機(jī)理主要包括：

1) 軟管環(huán)空內(nèi)高壓導(dǎo)致的壓潰：經(jīng)常由于外護(hù)套穿孔與骨架層抗壓潰能力降低結(jié)合導(dǎo)致。

2) 高降壓速率(最可能的原因)：主要與壓力護(hù)套的數(shù)量有關(guān)，其壓潰失效機(jī)理示意見(jiàn)圖3，單層壓力護(hù)套：只要在操作極限和允許的降壓速率范圍內(nèi)操作就可以安全運(yùn)行。雙層壓力護(hù)套：骨架層和第二層壓力護(hù)套都與管道末端相連，第一層壓力護(hù)套放置在骨架層和第二層壓力護(hù)套之間，而它未與管道末端相連。因此，在柔性管道的運(yùn)行過(guò)程中，隨著時(shí)間輸送流體將通過(guò)管道接頭進(jìn)入第一層和第二層壓力護(hù)套之間的間隙，間隙中的壓力與管內(nèi)壓力大致相同，此時(shí)需要緩慢地降壓來(lái)避免壓力護(hù)套之間產(chǎn)生較大壓差。由于管道接頭處通道很小，因此管內(nèi)的一個(gè)快速降壓將會(huì)導(dǎo)致骨架層坍塌。三層壓力護(hù)套：管壁結(jié)構(gòu)與兩層結(jié)構(gòu)類似，第三層壓力護(hù)套在第二層壓力護(hù)套外部，這一層護(hù)套與管道末端相連。對(duì)于一個(gè)在運(yùn)行中的立管，氣體可能滲透并積聚在第二層和第三層護(hù)套之間的間隙中，這將會(huì)導(dǎo)致在此間隙內(nèi)壓力上升。對(duì)于一個(gè)在壓力為20 MPa下工作的管道，據(jù)估計(jì)在泄壓后，第二層和第三層壓力護(hù)套之間的間隙將會(huì)產(chǎn)生超過(guò)10 MPa的壓力，需要通過(guò)緩慢的擴(kuò)散過(guò)程和緩慢的降壓來(lái)限制壓力護(hù)套之間的壓差。反之，管內(nèi)的一個(gè)快速降壓將導(dǎo)致骨架層壓潰。

圖3 骨架層壓潰機(jī)理Fig. 3 Carcass collapse mechanism for single layer, two-layer and three-layer pressure sheaths

3) 壓力護(hù)套內(nèi)溶解氣體的釋放：這種失效機(jī)理適用于在高壓條件下運(yùn)行的具有多層壓力護(hù)套的柔性管道。在聚合物中的溶解氣體釋放后進(jìn)入第二和第三聚合物層將會(huì)導(dǎo)致壓力上升，在管內(nèi)降壓后，最終導(dǎo)致骨架層和兩層內(nèi)襯層坍塌。

4) 管道彎曲：在柔性管道發(fā)生彎曲時(shí)，骨架層抗壓潰能力降低，降低的程度與彎曲半徑相關(guān)。柔性管道特殊的互鎖纏繞結(jié)構(gòu)使其存在最小彎曲半徑，當(dāng)柔性管道出現(xiàn)接近最小彎曲半徑的明顯彎曲時(shí)，此時(shí)骨架層的抗壓潰能力可能不足以抵抗靜水壓力而發(fā)生壓潰失效。

5) 管壁上的水合物融化：水合物形成的成分可以通過(guò)內(nèi)襯層擴(kuò)散，在停輸時(shí)，在一定條件下(高壓和低溫)水合物可能在間隙之間形成。之后，由于加熱(例如：在石油生產(chǎn)中通過(guò)油流循環(huán)啟動(dòng))導(dǎo)致水合物融化和氣體釋放，引發(fā)壓力上升而導(dǎo)致骨架層坍塌。

柔性管道將廣泛應(yīng)用于深水和超深水油氣田開(kāi)發(fā)中，骨架層作為主要承受靜水壓力的功能層，可靠又準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)骨架層壓潰壓力的方法至關(guān)重要，其壓潰失效機(jī)理分析和壓潰壓力計(jì)算方法的確定一直是研究熱點(diǎn)問(wèn)題。

1.2 柔性管道骨架層沖蝕失效

由于現(xiàn)有防砂技術(shù)水平的限制，輸送油氣介質(zhì)中會(huì)含有低濃度、小尺寸的砂礫，即使防砂效率可以達(dá)到100%，有些油田為了提高采收率也會(huì)允許適度出砂[9]。骨架層作為柔性管道的最內(nèi)層結(jié)構(gòu)，與軟管內(nèi)部輸送介質(zhì)直接接觸，由于骨架層內(nèi)部表面存在間隙，導(dǎo)致工作狀態(tài)下高速運(yùn)動(dòng)的輸送介質(zhì)對(duì)骨架層鋼帶可能產(chǎn)生侵蝕影響[10]，目前針對(duì)侵蝕對(duì)骨架層壓潰壓力和壓潰失效機(jī)理影響的研究還很少。

DNVGL-RP-O501 2015[11]中提出了計(jì)算砂粒侵蝕磨損的控制方程，可用于管道侵蝕程度的預(yù)測(cè)。

E=mp·K·Upn·F(α)

(1)

其中，mp為砂礫的質(zhì)量流量，K和n是與管道材料有關(guān)的參數(shù)，Up是砂礫的沖擊速度，F(xiàn)(α)是描述侵蝕對(duì)顆粒沖擊角依賴關(guān)系的函數(shù)。

Helgaker和IJzermans等[12]在2017年進(jìn)行了柔性管道侵蝕過(guò)程試驗(yàn)研究，試驗(yàn)測(cè)試在大氣條件下進(jìn)行，砂粒速度從30 m/s到47 m/s(雷諾數(shù)范圍為65萬(wàn)到100萬(wàn))，共研究了四種不同類型的顆粒:包括150、250和550 nm的硅砂顆粒和780 nm的支撐劑顆粒，而且對(duì)不同速度下的所有粒徑進(jìn)行了測(cè)試，總共調(diào)查了14種不同的情況，每個(gè)測(cè)試還重復(fù)三次，以確保一致性和重復(fù)性。侵蝕的試驗(yàn)結(jié)果主要通過(guò)減重測(cè)量和顯微鏡分析兩種方法，結(jié)果表明侵蝕沿骨架層鋼帶的分布是不均勻的，每條鋼帶的最大侵蝕發(fā)生在前緣，實(shí)測(cè)侵蝕面積比采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)侵蝕預(yù)測(cè)方法結(jié)果大30%～40%，說(shuō)明采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)骨架層侵蝕預(yù)測(cè)的安全性還值得商榷，針對(duì)骨架層侵蝕的研究還需完善。

骨架層發(fā)生侵蝕后導(dǎo)致骨架層鋼帶變薄，骨架層鋼帶厚度直接與骨架層壓潰壓力有關(guān)，而且骨架層出現(xiàn)侵蝕的位置在受到外部載荷的作用時(shí)可能出現(xiàn)集中，導(dǎo)致管道發(fā)生壓潰失效，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)含侵蝕柔性管道骨架層壓潰失效機(jī)理研究非常少。

1.3 柔性管道骨架層拉伸失效

軸向載荷的存在會(huì)使骨架層之間拉緊，影響骨架層的螺距，而且對(duì)于柔性管道的柔性和壓潰壓力都有影響，目前針對(duì)外壓和軸向載荷共同作用下的壓潰失效機(jī)理研究還比較薄弱。

Farnes等[13]于2013年首次提出了非黏結(jié)柔性管道軸向撕裂的失效模式，作者通過(guò)在拉伸試驗(yàn)機(jī)上將短的骨架層試樣焊接到胎體兩端的端環(huán)上固定，測(cè)試了多種骨架層尺寸的軸向承載力，記錄荷載位移曲線，確定最大承載力，從而為骨架層軸向失效提供指導(dǎo)。

Skeie等[14]于2014年為了評(píng)估骨架層軸向承載力對(duì)部分回收的柔性管道進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果不僅為通過(guò)螺距測(cè)量評(píng)估軸向載荷奠定了基礎(chǔ)，還有助于驗(yàn)證有限元模擬結(jié)果，試驗(yàn)對(duì)象主要選取了內(nèi)徑15.24、20.32和22.86 cm的骨架層進(jìn)行試驗(yàn)研究，接下來(lái)分別利用Marc和Abaqus有限元進(jìn)行建模研究，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果吻合較好。

Kristensen等[15]通過(guò)建立有限元模型和中尺寸試驗(yàn)研究的方法重點(diǎn)研究了由于內(nèi)襯層溫降導(dǎo)致施加在骨架層上的軸向載荷，認(rèn)為骨架層軸向載荷的來(lái)源主要有四個(gè)：1) 骨架層和內(nèi)襯層的自重；2) 外壓作用下產(chǎn)生的軸向應(yīng)力；3) 內(nèi)襯層冷卻引起的熱收縮；4) 內(nèi)襯層的殘余應(yīng)力以及體積損失帶來(lái)的軸向載荷。試驗(yàn)結(jié)果表明盡管測(cè)試管長(zhǎng)僅為570 mm，但是當(dāng)內(nèi)襯層溫度從80°C降至20°C時(shí)，在骨架層上就可以產(chǎn)生15 kN的軸向載荷。Kristensen等[16]進(jìn)行了軸向載荷全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證，用于測(cè)試的柔性管道是一根內(nèi)徑為15.24 cm、全長(zhǎng)830 m的管道，結(jié)合相應(yīng)條件下的有限元模擬結(jié)果，內(nèi)襯層從78°C冷卻到11°C，然后外壓從0加壓到500 barg，全尺寸試驗(yàn)和有限元模擬結(jié)果均顯示骨架層軸向載荷增加了40 kN，其中冷卻過(guò)程產(chǎn)生了16～17 kN，加壓過(guò)程產(chǎn)生了23～24 kN。該文還發(fā)現(xiàn)影響骨架層軸向載荷(與冷卻相關(guān))的主要因素包括：1) 聚合物層的楊氏模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)；2) 聚合物層的截面面積；3) 柔性管道層與層之間的接觸壓力和摩擦力。

柔性管道在運(yùn)行中承受的軸向載荷正常情況小于軸向極限承載力，從而不會(huì)出現(xiàn)軸向拉伸失效，但是軸向載荷的存在會(huì)影響骨架層壓潰壓力，由于骨架層特殊的互鎖纏繞結(jié)構(gòu)，當(dāng)其承受軸向載荷時(shí)骨架層部件之間拉緊導(dǎo)致螺距變大，降低骨架層壓潰壓力，增大了骨架層出現(xiàn)壓潰失效的可能，目前針對(duì)復(fù)雜載荷共同作用下柔性管道骨架層壓潰失效相關(guān)研究還非常少。

1.4 柔性管道過(guò)度彎曲失效

58%的軟管作為立管應(yīng)用在海洋油氣開(kāi)發(fā)中，受到海水流動(dòng)的影響，柔性管道在工作時(shí)會(huì)通過(guò)變形來(lái)更好的適應(yīng)海洋中的復(fù)雜載荷，這樣立管在與海床的接觸部位會(huì)有一定的曲率，即為觸地區(qū)[17]，觸地區(qū)彎曲半徑最小，而且在觸地區(qū)柔性管道承受靜水壓力最大，所以觸地區(qū)位置給骨架層提出了巨大挑戰(zhàn)，因此骨架層壓潰壓力預(yù)測(cè)時(shí)不僅要考慮骨架層正常情況下的極限承載力，也應(yīng)該考慮軟管實(shí)際工作狀態(tài)下骨架層的極限承載力。

Loureiro和Pasqualino[18]在2012年建立了考慮曲率作用對(duì)柔性管道壓潰壓力影響的解析和數(shù)值模型，解析方法和數(shù)值模擬都表明彎曲后的骨架層承壓能力有明顯的下降。

Neto[19]等在2012年建立了包含骨架層、內(nèi)襯層、抗壓鎧裝層和外包覆層四層模型，模型先施加彎曲曲率載荷，再施加外壓載荷來(lái)研究其壓潰行為，在外壓施加過(guò)程可以直觀的看到柔性管道曲率的變化，結(jié)果表明曲率具有降低骨架層壓潰壓力的作用。Axelsson和Skjerve[20]在2014年針對(duì)20.32 cm的骨架層進(jìn)行彎曲曲率對(duì)壓潰壓力的影響研究，有限元結(jié)果發(fā)現(xiàn)彎曲骨架層壓潰壓力比直管狀態(tài)下下降超過(guò)了30%。王建[21]2018年考慮曲率半徑為3 m的骨架層，通過(guò)理論計(jì)算和有限元模擬的方法，發(fā)現(xiàn)其壓潰壓力與直管道相比下降嚴(yán)重。

當(dāng)骨架層發(fā)生彎曲時(shí)，彎曲外側(cè)受到張力，螺距變大，骨架層內(nèi)層受到壓縮，螺距變小，這將導(dǎo)致其壓潰壓力降低，但是目前關(guān)于含曲率骨架層壓潰失效機(jī)理和壓潰壓力預(yù)測(cè)的研究還比較少。

2 柔性管道骨架層安全評(píng)價(jià)方法

2.1 試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

大口徑厚壁管線在海上油氣勘探中的應(yīng)用日益廣泛，這就帶來(lái)了一個(gè)技術(shù)瓶頸，為了評(píng)估此類管道中的壓潰壓力，要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得深水環(huán)境中柔性管道的壓潰壓力通常要在專門的高壓層艙進(jìn)行，不僅這種實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量少[22]，而且柔性管道的制造成本和運(yùn)輸成本也比較高，這都限制的骨架層壓潰試驗(yàn)的發(fā)展。

Souza[23]于2002年為了闡明管體在徑向壓縮和外部壓力作用下直至坍塌的結(jié)構(gòu)行為，分別用內(nèi)徑10.16和20.32 cm的柔性管道進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，管道結(jié)構(gòu)分別為全部層和只包含骨架層，試驗(yàn)管長(zhǎng)為400 mm，通過(guò)試驗(yàn)裝置加壓直至管道壓潰失效，得到的結(jié)果可以用于驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果。

Paumier等[24]2009年通過(guò)對(duì)所有可能的管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行200多次試驗(yàn)驗(yàn)證模型，計(jì)算出了柔性管道的壓潰壓力，該研究提出了兩種壓潰方式，第一種為橢圓型失效模式，第二種為心型失效模式，作者還進(jìn)行了含有曲率柔性管道的壓潰失效試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高度彎曲的柔性管道，曲率對(duì)壓潰壓力影響很大。Clevelario等[25]2010年進(jìn)行相同的研究，發(fā)現(xiàn)彎曲軟管的壓潰壓力與豎直軟管的壓潰壓力相比降低了10%以上。Malta等[26]2012年也進(jìn)行了軟管壓潰模態(tài)形狀的研究，提出考慮包含骨架層、內(nèi)襯層和抗壓鎧裝層三層結(jié)構(gòu)軟管在壓潰時(shí)出現(xiàn)“8”和“心”形壓潰模式。

趙冠男[27]2013年也進(jìn)行了骨架層壓潰失效的試驗(yàn)，選用內(nèi)徑為20.32 cm的17個(gè)螺旋長(zhǎng)度的骨架層，進(jìn)行了8組試驗(yàn)，通過(guò)輸出的力和位移曲線來(lái)擬合剛度值，從而得到壓潰壓力。Tang等[28]2016年為了驗(yàn)證基于應(yīng)變能等效的方法的準(zhǔn)確性也進(jìn)行了骨架層壓潰試驗(yàn)。

試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法是測(cè)試柔性管道骨架層壓潰壓力可靠的預(yù)測(cè)方法，但是需要大量的精力和成本，而且隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)走向深水，用于測(cè)試骨架層壓潰壓力的高壓艙也經(jīng)常成為試驗(yàn)進(jìn)行的限制，目前試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法多用于數(shù)值模擬評(píng)價(jià)方法的校準(zhǔn)工作。

2.2 理論解析評(píng)價(jià)方法

雖然試驗(yàn)預(yù)測(cè)軟管壓潰壓力可以為工程師提供對(duì)管道抗壓潰性能的物理直觀觀察，但與試驗(yàn)相關(guān)的成本相對(duì)較高，而且試驗(yàn)條件苛刻，阻礙了其在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用，目前文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)還非常有限，后來(lái)學(xué)者應(yīng)用解析方法來(lái)預(yù)測(cè)軟管的壓潰壓力，解析方法的中心思想就是把復(fù)雜截面的骨架層通過(guò)等效的方法等效為一個(gè)等壁厚的圓環(huán)，如圖4所示，從而通過(guò)公式求得軟管骨架層的壓潰壓力。

圖4 骨架層截面等效示意Fig. 4 Equivalent cross-section of carcass layer S carcass profile and equivalent cross-section

Zhang等[29]2003年通過(guò)截面積等效的方法將復(fù)雜截面的骨架層等效為一個(gè)均勻厚度的鋼環(huán)，計(jì)算出等效厚度從而預(yù)測(cè)骨架層的壓潰壓力。但是由于此方法僅把截面面積作為唯一的考慮因素，沒(méi)有考慮骨架層纏繞互鎖結(jié)構(gòu)對(duì)壓潰壓力的影響，其預(yù)測(cè)結(jié)果精度不高，結(jié)果一般高于實(shí)際的壓潰壓力。

De Sousa等[30]2001年通過(guò)骨架層截面彎曲剛度等效得到骨架層的等效厚度。Martins等[31]2003年通過(guò)骨架層單位軸向長(zhǎng)度彎曲剛度等效的方法將骨架層等效為薄壁圓環(huán)，Neto和Martins[32]后面對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了優(yōu)化，在剛度計(jì)算時(shí)引入了一個(gè)修正系數(shù)，考慮了骨架層間的疊加系數(shù)，提高了預(yù)測(cè)結(jié)果的精度。由于環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓潰一般以彎曲為主，所以彎曲剛度等效的方法有一定的實(shí)用性，然而彎曲剛度等效時(shí)并未考慮到材料的彈塑性和骨架層之間的接觸問(wèn)題。

目前沒(méi)有有效的方法計(jì)算骨架層結(jié)構(gòu)的實(shí)際彎曲剛度。由于應(yīng)變能吸收直接受結(jié)構(gòu)彎曲剛度的影響，所以Tang等[28]2016年基于應(yīng)變能等效的方法得到相應(yīng)薄環(huán)的等效厚度，在該方法中，需要通過(guò)數(shù)值模擬的方法得到骨架層結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能，Tang等還通過(guò)相應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性，但是由于其使用狄利克雷邊界條件，降低了吸收的應(yīng)變能，導(dǎo)致結(jié)果低于相應(yīng)骨架層壓潰壓力。Li等[33]2018年在Tang等人的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)有限元模擬模型，用于模擬計(jì)算骨架層應(yīng)變能，構(gòu)建了等效模型層，從而預(yù)測(cè)骨架層壓潰壓力，并通過(guò)相關(guān)案例研究進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)誤差僅為6.5%，證明了應(yīng)變能等效方法是預(yù)測(cè)骨架層壓潰壓力可靠、有效的工具。

針對(duì)不同理論解析方法各自的特點(diǎn)進(jìn)行了概述，表1總結(jié)了常用的骨架層等效方法是否考慮了相關(guān)參數(shù)和是否需要有限元模型[17]。為了解現(xiàn)有骨架層等效方法的可靠性，Edmans[34]和Tang[28]對(duì)采用不同等效層方法的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明，不同等效方法的預(yù)測(cè)結(jié)果存在較大差異，表明這些方法還需要進(jìn)一步發(fā)展。

表1 理論解析方法總結(jié)

2.3 數(shù)值模擬評(píng)價(jià)方法

由于骨架層內(nèi)相鄰表面在受到外力作用下會(huì)出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，而解析方法無(wú)法考慮相對(duì)滑動(dòng)對(duì)壓潰壓力的影響，同時(shí)也無(wú)法考慮相鄰表面之間的摩擦，所以很多學(xué)者將有限元的方法引入到骨架層壓潰壓力的預(yù)測(cè)中，并證明了其有效性。

Neto和Martins[32]建立了考慮骨架層鋪設(shè)角度的三維實(shí)際模型和不考慮骨架層鋪設(shè)角度的模型，兩個(gè)模型均考慮了骨架層復(fù)雜的幾何截面，模型長(zhǎng)度為兩倍的骨架層螺距，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)角度對(duì)壓潰壓力的影響可以忽略，為以后的建模提供了簡(jiǎn)化依據(jù)。湯明剛[35]2013年利用有限元軟件建立了骨架層1/4模型，模型長(zhǎng)度為兩倍的骨架層螺距，模型考慮了材料的彈塑性和結(jié)構(gòu)的初始橢圓度，預(yù)測(cè)了均勻外壓下骨架層的壓潰壓力。李偉民[36]2017年利用有限元軟件，建立了骨架層1/2模型，在上下兩個(gè)鋼性板的壓力下，模擬不同接觸方式的設(shè)置對(duì)骨架層徑向位移的影響，研究發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)大小對(duì)徑向位移值變化影響不大。Cuamatzi-Melendez等[37]2017年分別建立了骨架層三維有限元模型和包含骨架層、內(nèi)襯層和抗壓鎧裝層的三維有限元模型，模型內(nèi)徑為5.08 cm，模型長(zhǎng)度為30倍的骨架層螺距，利用有限元軟件的動(dòng)力顯示分析算法考慮了結(jié)構(gòu)非線性進(jìn)行壓潰壓力的預(yù)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗壓鎧裝層的存在導(dǎo)致骨架層發(fā)生“8”形壓潰模式而且在一定程度上提高壓潰壓力。

三維數(shù)值方法可以計(jì)入材料非線性、層間接觸摩擦、初始制造缺陷等因素的影響，在模擬過(guò)程中可以更好地反映壓潰失效發(fā)生前后骨架層的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，是骨架層安全評(píng)價(jià)有效手段，目前數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)柔性管道壓潰壓力大多建立骨架層單層有限元模型，部分學(xué)者建立包含內(nèi)襯層和抗壓鎧裝層的三層有限元模型，結(jié)論僅表明了抗壓鎧裝層的存在可以提高骨架層的壓潰壓力，但是不同尺寸抗壓鎧裝層對(duì)壓潰壓力的影響規(guī)律還沒(méi)有得到很好的研究，而且數(shù)值模擬方法在使用過(guò)程中可能存在模擬時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和收斂性問(wèn)題，未來(lái)數(shù)值模擬方法中精度和效率問(wèn)題是研究的重點(diǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著預(yù)測(cè)壓潰壓力的方法不斷地完善，學(xué)者對(duì)于預(yù)測(cè)結(jié)果精確度的要求越來(lái)越高，一些影響壓潰壓力的因素不斷地被考慮到預(yù)測(cè)模型中，目前還有一部分影響壓潰壓力的因素沒(méi)有得到很好的解決，主要有骨架層“S”截面在工廠成型時(shí)存在的殘余應(yīng)力、柔性管道在工作時(shí)曲率的影響和骨架層出現(xiàn)侵蝕后對(duì)壓潰壓力的影響，最近還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)骨架層在安裝和運(yùn)行過(guò)程中會(huì)承受較大的軸向載荷，軸向載荷的存在會(huì)影響骨架層壓潰失效模式，較大的軸向載荷會(huì)導(dǎo)致骨架層發(fā)生軸向過(guò)載失效。

骨架層作為柔性管道重要的結(jié)構(gòu)層，一旦發(fā)生壓潰失效，將對(duì)整個(gè)柔性管道的安全運(yùn)行造成影響。研究骨架層壓潰失效機(jī)理和壓潰壓力預(yù)測(cè)方法對(duì)于非黏結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要意義。作者對(duì)于國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于骨架層壓潰壓力預(yù)測(cè)方法進(jìn)行歸納總結(jié)，并針對(duì)骨架層壓潰壓力預(yù)測(cè)時(shí)存在薄弱的地方給出建議，希望可以為下一步的研究提供幫助：

1) 骨架層應(yīng)用的冷成型鋼一般是由鋼板或鋼帶經(jīng)冷軋、模壓或彎折而成，加工成形的方式具有很大的靈活性，可以根據(jù)需要生產(chǎn)出任何復(fù)雜截面的型材，因此冷成型鋼作為一種經(jīng)濟(jì)高效的型材，在柔性管道骨架層的成型中得到了廣泛的應(yīng)用。然而冷成型鋼的加工成形過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力[38]，由于冷成型殘余應(yīng)力的存在，構(gòu)件在承受荷載后，殘余應(yīng)力與荷載作用引起的應(yīng)力進(jìn)行疊加，使構(gòu)件中的某些部位提前達(dá)到材料的屈服極限產(chǎn)生塑性變形，從而降低了骨架層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性[39]。因?yàn)榻饘俨牧系拇笞冃?超過(guò)屈服極限)總是發(fā)生在柔性管道骨架層的冷成形過(guò)程中，目前學(xué)者針對(duì)殘余應(yīng)力的考慮主要將測(cè)量得到的殘余應(yīng)力作為一個(gè)影響臨界壓潰壓力的參數(shù)引入到分析模型中，但是目前在骨架層壓潰壓力預(yù)測(cè)時(shí)鮮有學(xué)者考慮殘余應(yīng)力的影響。

2) 由于骨架層特殊的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致骨架層壓潰失效機(jī)理復(fù)雜，骨架層壓潰失效的發(fā)生一般是由于高靜水壓力和抗壓潰能力降低共同作用。

3) 單外壓作用下，骨架層壓潰壓力預(yù)測(cè)方法主要有試驗(yàn)研究、解析方法和數(shù)值模擬。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，試驗(yàn)研究結(jié)果可用于驗(yàn)證其他兩種方法得到的結(jié)果，但是骨架層壓潰試驗(yàn)研究要求苛刻，而且柔性管道造價(jià)很高，解析方法應(yīng)用方便，但是無(wú)法考慮骨架層結(jié)構(gòu)之間的摩擦接觸對(duì)壓潰壓力的影響，存在一定的誤差，數(shù)值模擬可以真實(shí)的反應(yīng)骨架層壓潰時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，有助于更深刻的了解骨架層壓潰失效的發(fā)生過(guò)程，但是數(shù)值模擬存在計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)和收斂性的問(wèn)題。

4) 柔性管道實(shí)際工作環(huán)境中惡劣且復(fù)雜在骨架層壓潰壓力預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)考慮建立多載荷共同作用下壓潰壓力預(yù)測(cè)模型，考慮彎曲曲率、外壓和軸向載荷共同作用對(duì)骨架層壓潰壓力影響將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

5) 骨架層作為柔性管道的最內(nèi)層，直接與高速運(yùn)動(dòng)的輸送介質(zhì)接觸，骨架層隨著運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象，侵蝕使得骨架層鋼帶變薄，直接影響壓潰壓力，未來(lái)應(yīng)考慮進(jìn)行含侵蝕骨架層壓潰失效機(jī)理研究。