基于梁单元有限元模型的混凝土涂层管道应变集中评估方法研究

针对海底钢质管道因刚度失配导致的应变集中问题，研究人员通过梁单元有限元模型（beam element FE model）预测纯弯矩作用下混凝土涂层管道的应变集中因子（SNCF）。该模型综合考虑材料非线性和混凝土滑移效应，与全尺寸试验和实体单元模型结果高度吻合，显著降低计算成本，为管道设计和优化提供高效工具。

　　

海底管道是油气运输的核心基础设施，但复杂的海洋环境对管道稳定性提出严峻挑战。混凝土涂层虽能增强管道抗流体动力性能，却因涂层与裸管段的刚度突变引发应变集中，可能导致局部屈曲、疲劳甚至断裂。传统评估方法如全尺寸试验和实体单元有限元模型虽可靠，但成本高昂且耗时，难以常规应用。针对这一工程痛点，研究人员开展了一项创新研究，成果发表在《Applied Ocean Research》。

研究团队开发了一种基于梁单元（beam element）的有限元模型，用于预测纯弯曲工况下混凝土涂层管道的应变集中因子（Strain Concentration Factor, SNCF）。该模型突破性地整合了材料非线性行为和混凝土滑移效应，通过简化计算流程实现了高效分析。验证显示，其预测结果与全尺寸试验、3D实体单元模型及行业标准（如DNV-RP-F105）高度一致，同时计算效率提升显著。

关键技术方法包括：1）建立梁单元有限元模型模拟半管节段（6.1 m），采用PIP31H单元类型；2）通过连接单元（connector elements）表征腐蚀涂层的剪切行为；3）基于Ramberg-Osgood模型描述钢材非线性，采用Gere-Timoshenko公式模拟混凝土压缩特性；4）对比挪威Ness和Verley的全尺寸四点弯曲试验数据（1996年）进行验证。

研究结果揭示：

1. 弯曲力矩-应变关系：混凝土压缩强度主导管道刚度，其压溃阈值（约0.2%应变）后刚度显著降低。场接头（FJ）应变始终高于涂层段，证实应变集中效应。
2. 应变分布三阶段特征：裸管段（FJ）承受全弯矩→过渡段（3 m内）混凝土滑移→锚固段混凝土有效分担载荷，该现象与Endal（1994）理论模型一致。
3. 混凝土滑移规律：沥青防腐层（0.5 MPa剪切强度）在近FJ区域允许最大2 mm滑移，聚乙烯（PE）涂层因脆性仅0.1 mm滑移即失效。
4. SNCF动态变化：随全局应变增大呈非线性增长，沥青涂层管道SNCF从1.2（0.1%应变）升至1.8（0.4%应变），PE涂层管道因低剪切传递能力SNCF更低但增速更快。

结论表明，该梁单元模型能精准捕捉混凝土涂层管道的力学响应，其应变预测误差小于5%，计算耗时仅为3D模型的1/20。研究首次实现了SNCF与全局应变的动态关联，为安装分析提供直接输入参数。相较于DNV规范（恒定SNCF=1.41）的保守性，该模型可降低20%材料冗余设计。当前成果为后续复合载荷（轴向力+内压）研究奠定基础，参数化研究正在进行中以建立普适性设计方程。

这项研究革新了海底管道应变评估范式，其工程价值体现在三方面：1）为动态铺管作业提供实时应变预测工具；2）通过量化混凝土滑移效应优化涂层设计；3）推动行业从经验公式向机理模型转型。正如Reda等学者指出，该方法尤其适用于深水高压管道和耐腐蚀合金（CRA） clad管道的完整性管理，未来可扩展至交叉管段等复杂工况分析。