带焊缝凹痕缺陷冶金复合管的局部屈曲行为与压缩应变能力研究

针对深海油气输送中冶金复合管(MCPs)因第三方撞击导致焊缝区凹痕缺陷引发的局部屈曲失效问题，研究人员通过建立含环焊缝的三维有限元模型，提出基于远场平均应变法的压缩应变能力(CSC)评估新方法，揭示了弯曲力矩、内外压及凹痕深度对MCPs失效模式的影响规律，误差<10%，为工程完整性评估提供重要参考。

　　

随着浅海油气资源逐渐枯竭，深海油气开发成为能源战略重点。然而，深海环境的高温高压及腐蚀性介质（如CO₂、H₂S）对管道材料提出严峻挑战。冶金复合管(Metallurgically Clad Pipes, MCPs)通过热轧工艺将碳钢外层与耐蚀合金内衬原子级结合，兼具强度与耐蚀性，成为深海管道的理想选择。但在安装和运营过程中，第三方撞击（如锚击、岩石挤压）常导致管体形成凹痕缺陷，尤其在环焊缝区域，材料非线性与几何不连续性的叠加效应可能引发局部屈曲失效。现有研究多关注无缺陷管道或机械复合管(MLPs)，对MCPs焊缝区凹痕的失效机制缺乏系统认知，而国际规范(如DNV-ST-F101)尚未明确此类缺陷的评估标准。

中国石油大学（北京）的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，通过建立含环焊缝的三维有限元模型，首次系统研究了MCPs在弯曲力矩、轴向力及内外压联合载荷下的局部屈曲行为。研究采用ABAQUS软件构建精细化模型，基于可靠能源系统中心(CRES)模型提出远场平均应变法，量化了凹痕深度、内外压比及焊缝距离对压缩应变能力(Compressive Strain Capacity, CSC)的影响，并通过临界屈曲载荷验证了方法的可靠性。

关键技术方法
研究以巴西某油田应用的X65/Inconel 625镍基合金MCPs为对象，建立1412 mm管段模型，包含热影响区材料软化效应。采用弧长法捕捉屈曲后行为，通过1D/2D CSC计算对比传统应变评估局限，引入形状因子关联失效压力与凹痕几何参数。

研究结果

有限元模型和参数
模型精确复现了MCPs的几何与材料非线性特征，应力-应变曲线显示焊缝区屈服强度降低15%，而热影响区应变集中系数达2.3倍。

基于远场平均应变的新CSC评估方法
传统方法对焊缝凹痕的评估误差超20%，新方法通过提取距皱褶50 mm处的轴向应变，将预测误差控制在10%内。当凹痕深度达管径5%时，CSC值下降37%。

MCPs屈曲失效模式的影响因素
外部压力主导整体屈曲，内部压力抑制凹痕扩展但加剧应变集中。凹痕距焊缝中心10 mm时，临界弯矩降低42%，呈现"双峰"应变分布特征。

结论与意义
该研究首次阐明MCPs焊缝凹痕在复合载荷下的失效机制，建立的CSC预测公式（含外压P_ext、内压P_int、凹痕深度d/D等参数）为DNV规范补充了重要工程判据。发现当d/D>3%时，失效位置从焊缝转移至热影响区，这一现象为优化焊接工艺提供理论依据。研究成果已应用于巴西海域管道设计，将评估效率提升60%，对保障深海能源运输安全具有里程碑意义。