采用端部接头连接的钢带增强柔性管的扭转失效分析

《Journal of Ocean Engineering and Science》：Torsional failure analysis of steel strip reinforced flexible pipes connected with end fittings

柔性管道与端配件连接的扭转失效机制研究基于实验和数值模拟，揭示了顺时针和逆时针扭转下的不同失效模式：前者因界面滑移导致，后者因管道屈曲引发。等效压力模型通过156 MPa的优化压力实现安装应力的合理模拟，并发现材料非线性与界面摩擦力是关键影响因素。研究证实，过高的安装压力会引发材料屈服，而过低则导致滑移，最佳平衡压力下结构性能最优。此外，端配件长度和内部压力对扭转性能有显著影响，延长配件长度可提升抗扭能力，但需避免过度设计。结论为柔性管与端配件的工程优化提供了理论支撑。

　　在现代能源传输系统中，柔性管道扮演着至关重要的角色。它们被广泛用于输送从传统石油和天然气到新兴的可再生能源，如氢气和乙醇等。为了确保这些管道在各种复杂环境中能够安全运行，其端接配件的设计和制造必须足够精确。这些端接配件不仅需要提供稳定的连接，还必须防止任何可能的泄漏。然而，尽管已有大量关于柔性管道机械性能的研究，针对柔性管道与端接配件组合结构的研究却相对较少。这种组合结构在实际应用中具有独特的挑战，因为柔性管道与端接配件之间的相互作用极其复杂，这使得预测其失效模式变得困难。

端接配件的类型多种多样，其中最常见的包括融合型端接配件和摩擦型端接配件。融合型端接配件利用与柔性管道外层相同的材料，通过热熔方式形成紧密的连接，从而有效防止流体泄漏。然而，由于其连接强度较低，这类端接配件通常只适用于浅水环境中的小直径管道。相比之下，摩擦型端接配件具有更高的灵活性和适用性，它们通过直接锚定在管道的加强层上，实现高效的载荷传递，提升整体结构的稳定性。这种设计在制造工艺和安装过程中具有一定的优势，例如成本较低、安装更为简便以及可靠性更高。

在实际应用中，柔性管道的失效往往发生在端接配件附近。这一区域被认为是高风险区域，因为在此处的连接过程中，可能会产生局部刚度不连续和残余应力。这些因素不仅影响管道的扭转行为，还可能成为结构失效的起始点。此外，管道在安装过程中，由于端接配件与管道之间的接触面发生变形，可能会导致应力分布的变化，从而影响整体的结构性能。因此，深入研究柔性管道与端接配件的相互作用对于提升管道系统的安全性和可靠性至关重要。

为了更好地理解柔性管道与端接配件的连接行为，本研究结合了实验分析和数值模拟方法。实验部分主要通过扭转测试，观察柔性管道在不同方向的扭转下表现出的失效模式。这些实验不仅提供了关于扭转失效的直观信息，还为数值模型的建立提供了关键的校准数据。在实验中，管道样本和端接配件由宁波OPR公司制造，其结构细节和测试过程均被详细记录和分析。

实验结果显示，当柔性管道在顺时针方向受力时，其失效主要由端接配件与管道之间的滑动引起。而逆时针方向的受力则可能导致管道内部的屈曲现象。在顺时针扭转测试中，四个样本的失效扭矩平均为10,078.96 N m，而逆时针扭转测试中，三个样本的平均失效扭矩为7,519.32 N m，这表明在不同方向的受力下，柔性管道的失效行为存在显著差异。这些差异可能是由于材料非线性、结构非线性或两者的共同作用所致。

在数值分析方面，研究团队开发了一个有限元模型，用于模拟柔性管道与端接配件的相互作用。该模型基于实验中使用的几何参数和材料属性，并通过ABAQUS/Standard软件进行求解。为了简化计算过程，端接配件的齿状结构被替换为压强作用下的平面接触模型，从而在不牺牲精度的前提下提高计算效率。模型中的压力值被设定为等效值，以模拟安装过程中产生的约束效应。

通过实验和数值模拟的对比，研究团队确定了等效安装压力为156 MPa。这一压力值能够有效反映安装过程中产生的摩擦力和接触应力，从而在模型中准确再现滑动平台的出现和消失。进一步的分析表明，当安装压力超过某一临界值时，管道的金属层可能会进入屈服阶段，从而导致结构失效。此外，增加安装压力还会在管道内部产生更大的残余应力，这可能会降低其整体的机械性能。

在参数研究部分，研究团队探讨了影响柔性管道扭转行为的关键因素，包括安装压力、端接配件长度和材料塑性等。结果显示，安装压力的增加可以延迟滑动平台的出现，但过高的压力会导致材料强度的下降。此外，端接配件的长度对扭转性能也有显著影响，适当的延长可以提高结构的稳定性，但过度延长则会使其失去柔性管道的原有特性。材料塑性在扭转过程中同样扮演重要角色，特别是在逆时针方向的受力下，塑性变形对于防止屈曲和提升扭转刚度具有积极作用。

本研究的成果为柔性管道与端接配件的连接设计提供了新的视角。通过实验和数值模拟的结合，研究人员不仅揭示了柔性管道在不同方向受力下的失效机制，还提出了一个有效的模型，用于预测和分析这些失效模式。此外，研究还指出了未来研究的方向，包括对端接配件细节建模、建立等效安装压力与设计参数之间的关系，以及引入更先进的测量技术来验证模型的准确性。

总的来说，本研究通过系统性的实验和数值分析，揭示了柔性管道与端接配件在不同方向扭转下的行为特征。这些发现不仅有助于改进现有设计，还为未来的工程应用提供了理论依据。研究结果表明，安装压力、端接配件长度和材料塑性等参数对柔性管道的扭转性能有重要影响。通过优化这些参数，可以有效提升管道系统的安全性和可靠性。未来的研究可以进一步探索这些参数的相互作用，以及它们在不同环境和操作条件下的影响，从而推动柔性管道技术的发展。