《COMPOSITE STRUCTURES》：An integrated experimental and numerical study on X52 dented pipelines repair using composite sleeve reinforcement
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•本研究构建了一个实验与数值相结合的框架，用于评估采用复合套管修复的凹陷管道的爆裂压力恢复情况。•通过爆裂实验与ABAQUS中的非线性有限元分析相比，两者结果高度一致，平均预测误差低于1%。•借助实验设计法和方差分析，定量确定了影响修复效果的关键参数。•系统研究了凹陷形状、压头形
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本研究构建了一个实验与数值相结合的框架，用于评估采用复合套管修复的凹陷管道的爆裂压力恢复情况。
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通过爆裂实验与ABAQUS中的非线性有限元分析相比，两者结果高度一致，平均预测误差低于1%。
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借助实验设计法和方差分析，定量确定了影响修复效果的关键参数。
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系统研究了凹陷形状、压头形状、纤维方向以及复合层数量对管道损伤发展及爆裂强度的影响。
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提出了经过验证且实用的有限元分析方法，用于在所研究条件下评估和设计复合材料管道修复方案。
引言
管道网络在全球基础设施与能源资源的运输中起着至关重要的作用。管道出现凹陷通常是由于外部机械作用力所致，比如施工活动、地面沉降或其他物体的碰撞。这些作用力会引发局部变形，进而可能损害管道的结构完整性。美国管道与危险物质安全管理局（PHMSA）[1] 的数据表明，由挖掘作业造成的机械损伤在所有重大管道事故中占比相当高。1988年至2008年间，美国所有受PHMSA监管的管道系统——包括集输管、分配管以及海上和陆上的输送管——共发生了1,563起因挖掘作业导致的管道事故。这些事故占所有重大事故的25.9%，造成的财产损失则占13.6% [1]。
过去，对管道凹陷的评估主要依靠基于相关规范和经验准则的分析方法。目前用于评估凹陷管道的方法多依赖于实用的经验公式和简单的分析模型，这类方法可见于ASME B31.8等标准中，但往往会导致较为保守的评估结果[2]、[3]。ASME B31.8和API 1160提供了针对气体输送管道凹陷评估的指导方针，而加拿大则依据CSA Z662制定了类似的规范[2]、[3]、[4]、[5]。不过这些标准的不足之处在于精度不够。正如张和赵[6]所指出的，关于凹陷管道失效评估的研究十分有限，这说明在如何可靠地评估有凹陷管道的结构完整性方面，现有文献还存在空白。本研究对现行标准ASME B31.8进行了批判，指出了其存在的诸多问题。
由此可见，该标准得出的评估结果不够准确，这就凸显出需要更完善的凹陷评估方法。为应对这一问题，诸如API 579中所规定的适用性评估规程应运而生，为凹陷管道的评估提供了更为系统化的方法[3]。近年来，全球各类标准也进行了更新，加入了包括有限元分析（FEA）和概率评估在内的更详细的分析方法。管道凹陷评估已经从以往依赖系统性检查与分类的方法，发展为更先进的基于应变分析、工程临界性评估（ECA）以及有限元分析的方法。尽管这些进展提升了凹陷评估的准确性，但由于计算要求更高、建模更为复杂，加之实施难度较大，尤其是在常规工程评估中，这些方法的实际应用仍然面临诸多挑战[7]、[8]、[9]。
实验研究对于了解凹陷形状在压力作用下的变形规律及失效机制至关重要。实验研究有助于深入理解不同加载条件下的凹陷行为及失效机理，但其研究范围仍然有限，未能全面涵盖管道在爆裂条件下的修复效果[10]、[11]、[12]。
与评估方法的进步同步，复合材料修复技术也被视为恢复凹陷或受损管道完整性的有效方案。由于安装简便且具备良好的力学性能，复合材料修复技术已成为修复受损管道的有效手段。然而，目前大多数研究仅侧重于设计方法与分析预测，对于其在不同凹陷形状下恢复管道爆裂压力的实际效果，缺乏足够的实验验证[13]、[14]、[15]。
尽管通过经验准则、基于应变的方法以及先进的数值模拟，凹陷评估已取得了显著进展，但仍存在若干重要缺陷。首先，现有研究大多聚焦于损伤评估与失效预测，而非通过实验来验证修复效果。其次，针对爆裂载荷作用下复合套管修复效果的经验证实数值研究十分稀缺，尤其是在涵盖多种凹陷形状的情况下。第三，对于凹陷深度、凹陷直径以及修复条件等关键参数的相对影响，很少能在统一的统计框架内进行量化分析。这些局限性制约了针对修复后凹陷管道的可靠工程指导方法的建立。为弥补这些不足，本研究采用实验与数值相结合的方法，探讨凹陷形状及复合材料修复对管道爆裂压力的影响。本研究的新颖之处在于建立了全面的实验验证体系与综合评估框架，该框架结合了凹陷管道的实验爆裂测试、经过验证的有限元建模，以及通过实验设计法与方差分析来评估不同凹陷形状下复合材料修复的效果，而非仅仅依赖单一的分析方法。此外，本研究还采用了基于Hashin的损伤模型，以更准确地描述管道在爆裂失效过程中的复合套管行为。本研究的主要目标如下：
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在受控条件下，通过实验确定带有和不带有玻璃纤维复合套管修复的凹陷管道的爆裂压力。
- 2.
评估复合套管修复在恢复凹陷管道结构完整性方面的有效性，这凸显出需要在爆裂条件下直接验证修复效果，而非依赖间接评估标准。
- 3.
利用实验设计法与方差分析，识别并量化凹陷深度、凹陷直径以及修复条件等关键参数的相对影响，从而系统比较各因素的重要性，而这一点在现有研究中并未得到明确阐述。
- 4.
构建一个整合实验结果、统计分析及数值建模的综合评估框架，相较于那些分别处理这些要素的研究，这种综合方法能够提供更全面的评估结果。
章节要点
研究方法
本研究旨在评估玻璃纤维复合套管修复对碳钢API 5?L X52管道凹陷部分的有效性，并确定影响管道爆裂压力的关键参数。
本研究采用了实验与数值相结合的框架，该框架涵盖了受控爆裂测试、实验设计法、统计分析以及有限元分析。
研究中对包括凹陷样本和未受损样本在内的多组管道试件进行了破坏性爆裂测试，以此评估其
实验爆裂测试结果
图10展示了爆裂测试后的管道试件，清晰地显示了未修复试件与经复合套管修复试件之间的不同失效模式。所有出现凹陷但未经过修复的管道都出现了纵向破裂的灾难性失效。
值得注意的是，这种破裂并非从凹陷中心开始，而是沿轴向延伸的。这表明凹陷造成了显著的应力集中，从而改变了管道的失效路径，尽管最终
结论
通过这种全面的研究方法，本研究成功证明了在所研究的条件下，玻璃纤维复合套管修复能够有效提升凹陷管道的完整性。本研究建立的实验与数值相结合的框架，融合了全尺寸爆裂测试、非线性有限元建模以及统计分析（实验设计法/方差分析），可系统地评估经复合材料修复的凹陷管道的结构响应，其效果十分显著
CRediT作者贡献说明
Ali Azzam：论文撰写——初稿撰写、软件应用、资源获取、研究方法设计、实验实施、正式分析。Emad El Din El-kashif：研究指导。Mostafa Shazly：研究指导。
Ali Azzam|Emad El Din El-kashif|Mostafa Shazly
