缺陷型非粘结柔性管道轴向压缩性能退化机制的多尺度耦合研究

针对海洋油气开发中非粘结柔性管道(Non-bonded Flexible Pipe)因非金属层缺陷、金属线断裂及层间摩擦系数变化导致的轴向压缩性能退化问题，研究人员通过建立五层有限元模型，揭示了缺陷尺寸、摩擦系数β(θ,L)与断裂数量ψ(nout ,nint )的协同作用机制，创新性提出双尺度耦合退化模型，为工程监测与完整性管理提供理论框架。

　　

在深海油气开发领域，非粘结柔性管道如同"海洋血管"，其多层复合结构（包含骨架层、抗压铠装、拉伸铠装等）承受着极端力学与环境挑战。然而，锚链拖拽、流体渗透引发的非金属层缺陷，与拉伸铠装金属线断裂、层间摩擦系数动态变化形成的"三重威胁"，导致轴向压缩性能出现难以预测的协同退化。传统研究多孤立分析单一缺陷，而实际工程中这些损伤往往交织作用，形成"1+1>2"的加速破坏效应，成为制约管道安全运行的"阿喀琉斯之踵"。

为破解这一难题，由国内研究团队领衔的研究在《Marine Structures》发表重要成果。研究采用非线性有限元方法构建五层管道模型，通过参数化仿真揭示非金属缺陷尺寸、摩擦系数与金属线断裂的耦合作用规律。关键技术包括：建立考虑层间接触的有限元模型，设计缺陷参数梯度实验，开发双尺度耦合算法（整合新型退化因子β(θ,L)和非线性加权项ψ(n_out
,n_int
)），以及基于海洋环境样本的模型验证。

【非金属层缺陷尺寸的影响】
通过模拟不同尺寸的非金属层破损发现：当缺陷角度θ>60°时，临界屈曲载荷骤降35%，这是由于破损导致径向支撑力丧失，引发拉伸铠装局部屈曲。特别值得注意的是，缺陷长度L与刚度退化呈非线性关系，在L/D（管道直径）>0.3时出现拐点。

【拉伸铠装金属线断裂的效应】
金属线断裂数量n_int
/n_out
（内外层断裂比）对性能的影响呈现显著差异：外层断裂导致更剧烈的刚度损失（最高达52%），因其破坏了整体性约束；而内层断裂则通过应力重分布加速相邻线材疲劳。当总断裂数超过30%时，系统出现"雪崩式"退化。

【双尺度动态耦合退化模型】
创新提出的模型突破传统叠加假设，通过β(θ,L)量化非金属缺陷对金属层屈曲敏感性的放大效应，ψ(n_out
,n_int
)则捕捉断裂交互作用引发的刚度非线性衰减。该模型成功预测实际工况下协同退化曲线，误差较独立模型降低40%。

这项研究首次系统揭示了非粘结柔性管道"缺陷-摩擦-断裂"的级联失效机制，其理论价值体现在三方面：建立了考虑跨尺度耦合的力学传递模型，提出了基于物理机制的定量退化因子，开发了工程适用的评估框架。实践层面，研究明确指出环形空间含水量监测与非金属层完整性维护的优先级，为深海管道"预测性维护"提供了关键技术支撑。正如作者Yu Liu等强调，这项成果不仅适用于油气管道，其多尺度耦合方法论对风电海缆、深海采矿软管等柔性结构物的完整性管理同样具有启示意义。