关于未粘合柔性管道在弯曲作用下抗湿性坍塌能力的实验和数值研究

《Ocean Engineering》：Experimental and numerical investigation on the wet collapse resistance of unbonded flexible pipes under bending

　　• 对柔性管道的湿式坍塌进行了实验研究。• 验证了一种基于周期性边界条件的简化高效有限元法（FEM）。• 定量分析了弯曲曲率对坍塌抵抗力的影响。• 展示了弯曲引起的坍塌模式转变。• 分析了降低坍塌抵抗力的机制。

引言
随着全球能源需求的持续增长，深水石油和天然气资源的开发在海上工程中变得越来越重要。随着油田开发进入更深、更具挑战性的环境，未粘结的柔性立管被广泛用于将浮式生产设施与海底系统连接起来，以进行碳氢化合物运输、注水等作业。与传统刚性管道相比，柔性立管具有较高的结构柔顺性、易于安装，并且可以回收和重复使用（Xu等人，2024年）。这些优势使它们成为深水应用中最重要的管线和立管解决方案之一（G. Zhang等人，2026年）。
如图1所示，未粘结的柔性管道由几个同心层组成，每一层都设计用于履行特定的结构或密封功能。外部的聚合物护套提供环境保护并防止海水侵入。内部，拉伸铠甲主要抵抗轴向拉伸和扭转，而锁扣式压力铠甲则承受由压力差引起的径向压缩力。为了确保长期耐用性，在金属层之间交错布置了抗磨损带，以减少摩擦疲劳；高强度的抗鸟笼带缠绕在外部拉伸铠甲上，以限制径向膨胀并减轻鸟笼效应的不稳定性。内部的聚合物护套作为主要的流体阻挡层。至关重要的是，最内层的锁扣式金属结构为内护套提供了对抗外部静水压力的基本径向支撑，同时抵抗内部流体引起的磨损和侵蚀。尽管这种复杂的复合结构赋予了柔性立管在复杂载荷条件下的优异结构柔顺性和适应性，但在超深水环境（接近3000米及更深）下保持结构完整性仍然是一个巨大的挑战（Murawski等人，2020年）。
在深水服务相关的各种失效模式中，静水坍塌是最关键的之一（Dai等人，2026年）。一旦外部压力超过管道的结构抵抗力，就可能发生坍塌，这可能会带来严重的操作、经济和环境后果（Duan等人，2022年）。根据外护套的状态，坍塌通常分为干式坍塌和湿式坍塌。在干式坍塌中，外护套保持完整，多层系统整体抵抗外部压力。而在湿式坍塌中，外护套受损导致海水涌入环形空间，从而使外部压力直接作用于内护套和金属结构。由于这种承载能力降低的系统比完整管道的坍塌抵抗力低得多，湿式坍塌往往成为柔性立管的设计主导条件。这一问题尤为重要，因为O’Brien等人（2011年）报告的现场统计数据表明，外护套损伤是柔性管道中最常见的失效模式之一。因此，可靠预测湿式坍塌对于设计和完整性评估至关重要（Y. Zhang等人，2026年）。
已经投入了大量努力，使用分析方法、数值方法和实验方法来研究柔性管道的坍塌行为。从理论角度来看，Timoshenko和Gere（2009年）提出的均匀外部压力下均匀圆形环的经典弹性稳定性解为环形结构的坍塌分析奠定了基础。在此基础上，许多研究人员用等效圆环（通常为矩形截面）来表示金属结构，并提出了多种等效方案，包括面积等效法（Zhang等人，2003年）、单位面积 bending 刚度法（Sousa等人，2009年）、单位轴向长度 bending 刚度法（Neto和Martins，2012年）、基于填充因子的方法（Chen等人，2015年；S?vik和Ye，2016年）以及能量等效法（Tang等人，2016年；Li等人，2018b）。这些方法因其简单性和效率而具有吸引力，但其预测能力本质上是有限的（Sousa等人，2022年）。它们无法充分捕捉实际的锁扣式金属结构几何形状、局部接触相互作用、材料非线性、摩擦效应或几何缺陷，所有这些因素都会影响坍塌行为。因此，不同的等效公式可能会产生明显不同的预测结果，特别是在坍塌接近非线性区域时。
为了克服分析等效方法的固有局限性，有限元（FE）模拟已成为坍塌评估不可或缺的工具。对于直管，以往的研究提高了对湿式坍塌行为的理解。Neto和Martins（2012年）表明，金属结构的螺旋铺设角度对径向坍塌抵抗力的影响有限，从而支持使用基于环的简化模型来提高计算效率。Cooke和Kenny（2014年）研究了初始椭圆度、材料屈服强度和摩擦系数对坍塌抵抗力的敏感性。Caleyron等人（2017年）考虑了安装过程中引入的残余应力和永久变形，而Miyazaki等人（2018年）则研究了拉伸铠甲伸长引起的径向收缩的影响。Lei等人（2022年）进一步探讨了扭转和坍塌之间的耦合关系。最近，Su等人（2025年）提出了一种混合点-区间预测方法，用于预测多层结构的随机动态响应，而Chen等人（2022年）和Ye等人（2025b）则展示了由侵蚀性磨损造成的截面变薄的不利影响。总的来说，这些研究大大阐明了直柔性管道的坍塌特性。

然而，柔性立管在安装或使用过程中很少保持直线状态。在船舶运动、环境载荷、海底相互作用和操作约束的共同作用下，弯曲是不可避免的。在着陆区（TDZ），立管同时受到明显的曲率和高外部静水压力的影响。Paumier等人（2009年）和Clevelario等人（2010年）的工业观察表明，当柔性管道在其最小弯曲半径（MBR）下运行时，临界坍塌压力可能比直线配置低10%到20%。这些证据清楚地表明，弯曲会显著降低湿式坍塌抵抗力。然而，为直管坍塌开发的模型不能直接应用于弯曲条件。直管模型通常假设一个轴向均匀的初始状态，其特征是预设的椭圆度和名义金属结构间距。弯曲通过引入额外的椭圆化和应力以及重新分配金属结构间距来改变这种预坍塌状态。这些变化改变了局部接触条件和周向刚度，从而在外部压力作用之前形成了非均匀的力学状态。由于这种状态取决于弯曲载荷路径，因此不能通过轴向均匀的直管模型来充分表示。因此，需要一个专门的弯曲程序来确定弯曲几何形状，并将由此产生的应力和接触状态传递到后续的坍塌分析中。
因此，现有的关于弯曲条件下坍塌的研究主要依赖于详细的三维全尺寸有限元法（Li等人，2018a）。Neto等人（2012年）开发了一个全尺寸模型来比较直弯柔性管道中的干式和湿式坍塌，发现曲率对干式坍塌的影响相对有限。Li等人（2022年）进一步研究了弯曲条件下坍塌过程中截面变形的演变，而Ye等人（2025a）则研究了弯曲管道坍塌的参数敏感性。尽管这些全尺寸模型很有价值，但它们通常需要较长的轴向域、大量的单元和高度复杂的接触定义。因此，它们计算成本高昂，并且经常容易遇到收敛困难，这限制了它们在快速参数研究和初步工程设计中的应用。
为了解决这些挑战，作者之前提出了一种基于周期性边界条件的简化FE框架（Ye等人，2026年）。与全尺寸数值模拟的初步比较表明，这种方法可以以较低的计算成本再现关键的坍塌响应。然而，在弯曲湿式坍塌条件下的验证仍受到开放文献中相关实验数据稀缺的限制。缺乏物理基准限制了对模型预测可靠性的严格评估，从而限制了它们在实际工程问题中的应用。
此类实验数据仍然稀少，因为对弯曲柔性管道的湿式坍塌测试技术要求高且成本高昂。在高压室内保持大型管道试样的规定曲率需要足够大的室容量。弯曲限制装置、端部密封安排和压力加载系统也应兼容运行，而不影响密封完整性。此外，坍塌测试具有破坏性，而制造代表性试样和操作大型高压设施的成本很高，这使得重复测试变得困难。当现有报告中缺乏关于金属结构几何形状和试样配置的详细信息时，可重复性和直接比较可能进一步受到限制。这些挑战限制了验证数值模型和等效方法的可靠实验基准的可用性。
在这种背景下，本研究结合高压坍塌实验和数值分析，研究了直管和弯曲柔性管道的湿式坍塌行为。对8英寸管道试样进行了测试，以验证简化有限元法在坍塌压力和变形模式方面的有效性。进一步评估了弯曲引起的椭圆化、应力和金属结构间距重新分布对降低坍塌抵抗力的相对贡献，以及摩擦系数的影响。结果表明，简化框架在低计算成本下再现了测量的坍塌压力和从对称坍塌模式到非对称坍塌模式的转变。

**简化有限元法**
基于揭阳恒通海洋科技有限公司提供的8英寸柔性管道试样，本节介绍了在ABAQUS中建立简化有限元法用于湿式坍塌分析的过程。该模型随后根据第3节描述的坍塌测试进行了验证。该模型适用于受到弯曲和外部压力作用的管道段，其中曲率沿轴向变化可以忽略不计，这种情况通常远离喇叭口和端部。

**实验程序**
为了量化直管和弯曲配置下柔性管道的湿式坍塌抵抗力，并为第2节中提出的简化模型提供可靠的实验依据，进行了一系列高压坍塌测试。测试试样是由揭阳恒通海洋科技有限公司制造的8英寸未粘结柔性管道。考虑了两种配置：一根直管和一根弯曲半径为4.5米的弯曲管。

**结果与讨论**
本节评估了简化有限元法对直管和弯曲配置的高压坍塌测试的预测能力。首先从坍塌压力和坍塌后的变形模式方面验证了数值结果。然后研究了弯曲引起的坍塌抵抗力降低和坍塌模式的转变，特别关注椭圆化、应力和金属结构间距重新分布的潜在影响。

**结论**
本研究通过高压坍塌测试和具有周期性边界条件的简化有限元法，研究了8英寸未粘结柔性管道在直管和弯曲配置下的湿式坍塌行为。实验表明，弯曲显著降低了湿式坍塌抵抗力并改变了坍塌模式。弯曲试样在归一化压力0.828下发生坍塌，相对于直管配置降低了17.2%。弯曲还改变了...

**作者贡献声明**
Weihao Ye：撰写——原始草稿、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。
Juyue Li：撰写——审阅与编辑、项目管理、调查。
Chen Shang：软件、调查、形式分析。
Weijie Lu：软件、调查、形式分析。
Xiaotian Li：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、调查、形式分析。
Murilo Augusto Vaz：撰写——审阅与编辑、调查、形式分析。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

**致谢**
作者感谢国家自然科学基金（编号52571324和52201348）和广东省基础与应用基础研究基金（编号2024A1515011027和2026A1515011486）的支持。