深海夹层管道水下碰撞动态响应与性能的多因素耦合分析

本研究针对深海夹层管道在复杂水下碰撞场景中的安全评估难题，通过建立基于任意拉格朗日-欧拉法（ALE）的流体-结构耦合（FSI）数值模型，系统分析了碰撞速度、角度、海床特性及夹层材料对管道变形、应力分布的影响。研究发现水填充夹层比空气夹层具有更优的抗冲击性能，为深海管道工程防护设计提供了重要理论依据。

　　

随着全球深海油气资源开发向深远海延伸，海底管道作为能源输送的"生命线"面临日益严峻的碰撞风险。船舶锚击、坠落物冲击等事故频发，如2008年渤海湾天然气管道泄漏事件直接源于船舶意外抛锚。传统单层管道在复杂海洋环境下抗冲击性能不足，而由内外管和中间层构成的夹层管道（sandwich pipeline）因其优异的抗腐蚀性和载荷承受能力逐渐成为深海工程的新选择。然而现有研究多聚焦简单横向冲击工况，对实际海洋环境中非垂直碰撞、柔性海床支撑及不同夹层材料的耦合影响缺乏系统认知，特别是涉及流体-结构相互作用（Fluid-Structure Interaction, FSI）的复杂动力学过程亟待破解。

青岛理工大学的研究团队在《Marine Structures》发表的最新研究，创新性地构建了基于任意拉格朗日-欧拉法（Arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE）的三维数值模型，首次实现了对水下夹层管道碰撞全过程的多物理场耦合仿真。研究采用LS-DYNA显式有限元软件，通过对比ALE与拉格朗日（Lagrange）算法的模拟结果验证模型可靠性，并系统考察了碰撞速度（8m/s为基准）、冲击角度（0°-60°）、海床类型（土壤/刚性）及夹层材料（H250 PVC泡沫/空气/水）等参数对管道动态响应的敏感性影响。

不同碰撞模拟方法的比较
通过ALE算法精确捕捉了管道周围海水及夹层流体的FSI效应，与拉格朗日算法的对比显示两者在变形模式和应力分布上具有良好一致性（误差<5%），证实拉格朗日方法在忽略流体作用时仍可有效预测结构响应，为工程简化计算提供依据。

夹层管道几何模型构建
建立包含坠落物（直径560mm半球体）、海床、内外钢管及夹层介质的完整碰撞体系，其中H250 PVC泡沫夹层密度为250kg/m³
，通过材料参数实验验证了本构模型的准确性。

典型碰撞场景结果
在8m/s垂直碰撞工况下，管道呈现三阶段变形特征：外管局部凹陷（0-5ms）、应力波向夹层传递（5-15ms）、内管塑性变形（15-25ms）。能量分析表明PVC泡沫夹层通过塑性变形吸收60%以上冲击能量，显著优于空气夹层（35%）。

影响因素分析
参数敏感性研究发现：碰撞角度每增加15°，管道最大等效应力降低12%-18%；海床刚度提升可使内管变形量减少22%；水填充夹层比空气夹层多分散25%冲击能量，且内管变形对泡沫密度变化敏感度是外管的1.8倍。

该研究通过多尺度数值模拟揭示了夹层管道水下碰撞的动力学机制，首次量化了流体介质在冲击能量再分配中的关键作用。结论表明优化夹层材料密度（建议200-300kg/m³
）和采用水密封设计可提升管道抗撞性能30%以上，为深海管道防护标准修订提供了理论支撑。特别是提出的ALE-FSI耦合建模方法，突破了传统实验在复杂边界条件模拟上的局限，对海洋工程结构安全评估具有普适指导价值。研究获得国家自然科学基金（51879272）等项目的支持，相关成果已应用于南海深水管道设计规范。