胶黏界面约束下胶接机械内衬管的内衬坍塌行为与失效演化机理

《Marine Structures》：Liner collapse behavior and failure evolution mechanism of adhesively bonded mechanically lined pipes under adhesive interface constraint

　　

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  开发了基于内聚力区模型（CZM）的框架，用于评估粘接机械衬管复合管（ABMLP）的衬管塌陷失稳。
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  通过单搭接剪切试验表征了粘接界面性能。
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  揭示了粘合层在衬管塌陷过程中的弹性支撑机理。
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  与机械衬管复合管相比，ABMLP的临界塌陷压力提高了52.73%。
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  阐明了粘接界面损伤演化在塌陷行为中的作用。

引言

随着深海油气资源的持续开发，海底管道在长期服役过程中暴露于高静水压力、腐蚀性介质和复杂载荷条件下，结构完整性成为影响其安全运行的关键因素。机械衬管复合管（MLP）因其优异的耐腐蚀性和经济性优势，被广泛应用于深海油气输送[1]。MLP通常通过机械过盈配合实现耐蚀合金衬管与碳钢管之间的连接（图1a）。然而，在长期服役过程中，衬管的腐蚀可能导致输送介质渗入衬管与外管之间的间隙，从而对衬管产生压力[[2]，[3]，[4]]。由于衬管厚度相对较小（约2–3 mm），其弯曲刚度有限。在界面压力与初始几何缺陷的共同作用下，局部失稳可能发生并进一步发展为塌陷破坏（图1b）[5,6]。此类破坏不仅会降低管道输送能力，还会促进界面损伤扩展，从而严重影响深海管道的结构完整性。

MLP衬管的塌陷主要源于衬管-外管界面约束能力不足。机械接触界面无法提供连续有效的变形约束，可能导致缺陷区域变形集中并诱发塌陷破坏[7,8]。除机械接触外，冶金结合或粘接也可作为外管与耐蚀合金层之间的界面增强方法。冶金结合方案以堆焊复合管为代表，通过连续的冶金界面连接外管与耐蚀合金层，而MLP主要依赖机械过盈和界面摩擦进行载荷传递[9]。相比之下，ABMLP通过连续的粘合层实现外管与衬管之间的载荷传递和变形协调。粘接界面具有可变形性和损伤演化特性，其刚度、强度和损伤演化行为可直接影响衬管的变形与失稳。不同类型复合管的界面连接机理、界面约束特性、载荷传递特性和界面力学特性汇总于表1中。

ABMLP由BUTTING提出（图2），并已应用于挪威北海的GluBi?管道项目[10,11]。在压力诱导变形过程中，ABMLP中的粘合层提供弹性约束并促进载荷传递，从而起到"弹性支撑层"的作用，抑制局部变形集中。然而，粘接界面在服役过程中可能发生刚度退化、损伤扩展和脱粘失效[12,13]，其损伤演化行为可显著影响ABMLP的衬管塌陷过程。因此，揭示粘接界面损伤演化与衬管塌陷失稳之间的耦合机理对于提高ABMLP的结构可靠性至关重要。

目前关于双金属复合管衬管稳定性的研究主要集中在屈曲行为、临界塌陷压力以及结构参数的影响方面[[14]，[15]，[16]，[17]]。先前的研究通过理论分析、有限元模拟和实验研究揭示了径厚比、材料属性和初始缺陷对衬管稳定性的影响[[18]，[19]，[20]]。然而，现有研究通常将衬管-外管界面简化为机械接触关系，无法准确表征粘接界面的连续载荷传递和渐进式损伤演化[21]。对于ABMLP而言，粘接界面刚度、损伤演化特性和厚度参数对衬管塌陷演化的影响，以及粘合层弹性支撑效应调控失效模式转变的机理，仍缺乏充分的研究。

为解决上述问题，本研究结合实验测试与数值模拟，探讨了粘接界面对ABMLP衬管塌陷破坏的影响机理。通过单搭接剪切拉伸试验获取粘接剂的力学参数。建立了考虑界面损伤演化的CZM，并开发了包含粘接界面的复合管有限元模型。采用流体腔加载方法来模拟深海条件下的衬管塌陷过程。分析了界面刚度、损伤位移和粘合层厚度对塌陷抗力的影响，并揭示了粘合层弹性支撑效应和界面损伤演化对衬管变形模式转变的控制机理。本研究为深海ABMLP的结构设计和完整性评估提供了依据。

章节摘要

材料模型与几何参数

本研究选取深海输送管道中常用的典型X65–316 L双金属复合管作为研究对象，建立了考虑粘接界面效应的ABMLP有限元模型。所研究的结构由X65碳钢管外管、316 L耐蚀合金衬管及其之间的粘合层组成。管道尺寸为Φ323.9 ×（14.3 + 3）mm，详细几何参数列于表2中。

In

单搭接剪切试验

粘接界面的力学行为是影响ABMLP结构稳定性的关键因素，其界面刚度和损伤强度直接决定了衬管与外管之间的载荷传递能力。为获取CZM所需的界面力学参数，进行了单搭接剪切试验以表征粘接界面性能。试验按照DIN EN 205:2016标准进行[29]。通过控制

MLP与ABMLP衬管塌陷响应对比

为明确粘接界面对深海复合管稳定性性能的影响，首先对比了相同加载条件下MLP与ABMLP的塌陷响应。选取Φ323.9 ×（14.3 + 3）mm的X65–316 L复合管作为研究对象，并引入初始几何缺陷。基于流体腔压力与衬管径向位移之间的关系分析了MLP和ABMLP的塌陷行为，如图

粘接界面刚度对ABMLP塌陷抗力的影响

如图16所示，随着粘合层法向界面刚度的增加，不同粘接条件下ABMLP的临界塌陷压力P_c呈逐渐增大的趋势，表明法向界面刚度的增加可增强衬管与基体之间的约束效应，从而提高衬管对局部失稳的抵抗力。其中，ADH-A、ADH-B和ADHC对应的最大P_c值达到

结论

本研究结合实验测试与数值模拟方法，建立了考虑粘接界面损伤演化的ABMLP衬管塌陷分析模型。探讨了粘接界面对衬管失稳行为的影响机理。主要结论如下：

• (1)
  通过单搭接剪切试验获取了粘接界面的力学参数，并建立了基于CZM的粘接界面数值模型

CRediT作者贡献声明

顾天平：撰写 – 初稿，软件。王鑫：可视化，数据整理。张建兵：监督，方法论。韩宇航：数据整理。吴泽：调查研究。窦逸华：资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢陕西省自然科学基金基础研究计划（2025JC-YBQN-699）的支持，以及陕西省教育厅科研计划项目（24JK0601）的部分资助，以及西安市科技计划（25GXKJRC00016）的部分资助，以及西安石油大学研究生创新基金项目（YCX2612045）的部分资助。

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