深海采矿非金属非粘结柔性管弯曲响应评估方法

《Petroleum Science》：A method for bending response assessment of non-metallic unbonded flexible pipes in deep-sea mining

　　

非金属非粘结柔性管（non-metallic unbonded flexible pipes）凭借轻量化设计、高耐磨性和优异承载能力等显著优势，在深海液压管道提升采矿系统中展现出广阔应用前景。研究人员建立了具有单向纤维铺层的有限元模型（finite element model, FEM），用于研究单调和循环弯曲条件下外部压力与层间摩擦系数对弯曲刚度（bending stiffness）的影响，并分析了矩形截面处的节点应力。结果表明：外部压力改变了层间接触压力，从而增大了条带滑移所需的曲率；滑移后，应变能增长减缓。循环弯曲因层间滑移而诱发显著的滞回现象。较高的外部压力和摩擦系数增大了弯矩-曲率滞回环面积，提高了滑移所需摩擦力，并增强了能量耗散。此外，外部压力改变了拉伸增强层中螺旋条带的应变状态，导致节点应力出现滞回，且该滞回随条带坐标而变化。

深海采矿环境中，非金属非粘结柔性管道因轻质、高强、耐磨等优点，被视为超深海水力提升系统的核心输运装备。然而，复杂风浪流载荷、超深水服役条件及大幅弯曲运动对其力学性能构成严峻挑战。由于非粘结结构存在层间滑动摩擦，管道弯曲刚度在弯曲过程中发生变化，螺旋条带的应力响应随之改变，层间滑移现象使弯曲特性描述十分复杂。以往理论模型需进行多种简化，数值模型则面临计算耗时和收敛困难。为此，研究人员针对非金属非粘结柔性管道的弯曲响应开展了系统性数值分析。

研究人员在Ansys Workbench中建立了非金属非粘结柔性管的三维有限元模型，利用Static Structural模块创建内衬层和外护套，通过ACP模块对螺旋条带和纤维缠绕层进行单向纤维铺层。模型设置层间摩擦接触，一端固定，另一端施加6°转角以产生弯曲，并在外表面施加不同压力。通过网格无关性分析验证了网格密度对结果影响较小，并选取组合3进行后续计算。将弯矩-曲率曲线与理论模型对比，验证了数值模型的准确性。随后，通过改变外部压力（2–60 MPa）和层间摩擦系数（0.15–0.25），分析了参数变化对弯曲刚度和滞回行为的影响。该方法避免了复杂理论推导，有效模拟了层间滑移和接触非线性。

3. 柔性管弯曲性能分析

3.1 柔性管弯曲响应分析

对外护套分别施加2、4、6、8和10 MPa外部压力，保持弯曲角6°、摩擦系数0.2，获得的弯矩-曲率曲线显示：在全滑移阶段，弯矩随曲率线性增加，弯曲刚度保持恒定；外部压力增大时，同一曲率下弯矩增大，这是由于外部压力提高了层间接触压力，使非滑移期弯曲刚度和最小临界曲率上升。当条带轴向力超过层间摩擦力后发生滑移，整体弯曲刚度下降。应变能分析表明，在6 MPa外压下，骨架层和压力盔甲层因缠绕角较大，零曲率时已存在显著应变能；曲率超过0.04235 rad/m时，拉伸增强层条带开始滑移，其应变能增长速率减缓，完全滑移后线性增加。

3.2 拉伸增强层条带弯曲应力分析

对最外层拉伸增强层条带矩形截面的角点a、b、c、d进行应力提取，发现角点应力随方位角呈正弦或余弦规律变化；同侧角点（a与c，b与d）的应力变化曲线相位差极小，极值大小相等、方向相反。施加外部压力后，沿纤维方向的法向应力显著增加，外部压力改变了不同纤维条带的应力状态，增强了条带的拉伸和压缩变形。

4. 弯曲滞回性能分析

4.1 弯矩-曲率滞回分析

循环弯曲过程中，层间滑移导致弯曲刚度变化分为正向加载、正向卸载、反向加载、反向卸载四个阶段，形成闭合滞回环。外部压力改变层间接触压力，进而改变滑移临界曲率；摩擦系数影响层间摩擦力。

4.1.1 外部压力对滞回性能的影响

在无外压、摩擦系数为0.001时，弯矩-曲率曲线近似直线，滞回环面积接近零，无明显滞回现象；摩擦系数为0.2时出现明显滞回，说明能量耗散源自层间摩擦。分别施加2、4、6、8、10 MPa外压后，随着外压增大，正反向加载全滑移阶段的最大弯矩增大，整体弯曲刚度提高。应变能-曲率曲线显示滞回环面积随外压增大而增大，例如2 MPa外压下循环阶段最小应变能为281.02 J，最大为1694.7 J；10 MPa外压下最小应变能增至3169.3 J，最大增至7145.6 J。

4.1.2 摩擦系数对滞回性能的影响

在6 MPa外压下，设置摩擦系数0.15、0.175、0.2、0.225、0.25。结果表明，摩擦系数增大时，滞回环包围面积增大，耗能增加。例如摩擦系数0.15时正向加载全滑移阶段弯曲刚度为160.74 kN·m²，正向滞回弯曲刚度为690.08 kN·m²；摩擦系数0.25时分别为192.99 kN·m²和784.17 kN·m²。应变能同样随摩擦系数增大而上升，0.15时循环阶段最小应变能为240.34 J，最大为1514.1 J；0.25时最小为328.3 J，最大为1858 J。

4.2 拉伸增强层条带法向应力滞回

在6 MPa外压下循环弯曲，最外层拉伸增强层条带矩形截面角点应力呈现显著滞回特征。横向节点应力变化明显，应力曲线绕零点旋转；纵向节点因沿外部压力方向排列，应力曲线形态相似，同一曲率下沿截面高度从顶部到底部应力值增大。

讨论部分：该研究表明，外部压力和摩擦系数通过改变层间接触压力与摩擦力，共同控制条带滑移临界曲率和滞回耗能水平。数值模型与理论模型的良好一致性验证了建模方法的可靠性。层间滑移导致的弯曲刚度非线性和应力滞回，是非金属非粘结柔性管设计中的关键因素。

翻译研究结论部分：

(1) 外部压力影响非金属柔性管的层间接触压力，从而改变螺旋条带滑移所需的曲率。由于条带滑移需克服层间摩擦并产生热能，条带应变能增长速率减缓。

(2) 在非粘结柔性管循环弯曲过程中，由于条带层间滑移，管道整体弯曲响应表现出显著的滞回行为。增大外部压力和层间摩擦系数会扩大弯矩-曲率曲线包围的面积，提高条带滑移需克服的层间摩擦力，并增加能量耗散。

(3) 外部压力改变了拉伸增强层中螺旋条带的应变状态。在柔性管循环弯曲过程中，螺旋条带矩形截面节点处的应力变化呈现滞回特性，且应力变化曲线随条带坐标而变化。