海洋非粘结柔性管道结构设计分析

李彦昭

（中海油能源发展装备技术有限公司设计研发中心，天津 300452）

0 引言

海洋石油资源被视为国家能源发展的重要组成部分，具有巨大的潜力和价值。数据显示，海洋石油资源占石油总量的三分之一，而尚未探明的海洋石油资源占到海洋总石油资源的一部分。这意味着海洋中存在大量的油气资源尚未被开发利用，迫切需要我们去开发和利用。所以各个国家都急于在海洋领域占据经济要塞，以确保能源的持续供给。

随着海洋石油开发和海底管道建设的不断发展，非粘结柔性管道在海洋工程中的应用越来越广泛，图1为非粘结柔性管道结构图。非粘结柔性管道具有弹性和柔性特性，能够适应海洋环境中的各种力学载荷。螺旋缠绕是制造非粘结柔性管道的主要方法。通过将金属带和聚合物带交替缠绕在一起，形成一个连续的螺旋结构。这种螺旋缠绕方式可以使管道具有较高的强度和柔性，并且能够适应复杂的海洋环境。但是在实际使用中，非粘结柔性管道经常面临环境载荷和浮体运动的影响。例如，海洋中的波浪、海流和风力等因素都会对管道施加力量和压力。此外，浮体运动也会导致管道的弯曲和扭转。这些作用力会导致各层材料之间产生接触和滑动，这对管道的设计和分析提出了挑战。因此，研究海洋非粘结柔性管道结构设计是非常有意义价值的。

图1 非粘结柔性管道结构图

1 海洋非粘结柔性管道结构设计原则

海洋非粘结柔性管道结构设计的原则是为了保证管道的强度、安全性和可靠性，同时考虑到海洋环境的复杂性。常见的原则包括以下几个：①强度原则。管道设计应满足承受内外压力、拉力、弯曲力等各种力的要求，确保管道在设计寿命内不发生破坏或失效。②柔韧性原则。柔性管道应具备足够的柔韧性，能够适应管道在海洋环境中的弯曲、摆动和变形，同时保持管道的完整性和稳定性。③耐腐蚀原则。海洋环境中存在海水腐蚀、海洋生物附着等问题，管道材料应具有良好的耐腐蚀性能，以延长管道的使用寿命。④连接可靠性原则。管道连接点应设计合理，连接方式应可靠，确保连接点不会出现松动、漏水等问题。⑤疲劳寿命原则。考虑到海洋环境中的波浪和海流等动力学作用，管道应具备足够的疲劳寿命，能够承受长期循环载荷而不发生疲劳破坏。⑥规范指导原则。设计过程应遵循相关的规范和标准，确保设计符合行业要求和安全标准。通过遵循以上原则，可以设计出满足海洋非粘结柔性管道在海洋环境中安全可靠运行的结构。

2 海洋非粘结柔性管道结构设计存在的问题

2.1 管道受力分析不准确

在海洋环境中，非粘结柔性管道承受着多种力学载荷，如水流、波浪、海底地形等。然而，在分析过程中工作人员未能全面考虑到海洋环境中的水流速度、波浪力、海底地形等因素，导致对管道受力的估计不准确，引起管道破裂、变形或塌陷等安全问题。并且管道在受到外部载荷作用时会发生一定的弹性变形，在分析时未能考虑到管道材料的非线性特性，如弹性变形、塑性变形等，导致受力分析结果不准确，出现管道挠度过大、应力分布不均匀、失稳和疲劳破坏等问题。此外，受力分析过程中，对管道的动态响应模型建立不准确，不能准确预测管道在海洋环境中的振动和变形情况。而且采用的分析方法不适用于具体情况。例如，采用了简化的分析方法，而未考虑到实际情况的复杂性，会导致受力分析结果的准确性不足，影响后期的使用效果。

2.2 管道连接方式不可靠

海洋非粘结柔性管道结构设计中，管道连接方式的可靠性是非常重要的，直接影响着整个管道系统的安全可靠性。目前，在实际设计中设计人员对连接接头的设计不合理，未能充分考虑到海洋环境中的力学载荷和热胀冷缩等因素，导致连接接头容易松动、断裂。不同的海洋环境对管道连接方式有不同的要求，如海水的腐蚀性、海底的振动等。设计人员在选择连接方式时没有综合考虑海洋环境，使得连接方式不适合特定的海洋环境，很容易受到海水腐蚀和疲劳等影响，导致连接不可靠。另外，连接接头的加工、安装、质量控制等方面存在问题，就容易导致连接接头质量不稳定。例如，连接接头的加工精度不高，安装时未能完全保证紧固，或者质量控制过程中存在疏漏，都会导致连接接头存在隐患，容易出现泄漏、断裂等问题。

2.3 材料选择不合理

海洋非粘结柔性管道的材料选择直接关系到管道的耐腐蚀性、抗疲劳性和耐高温性等性能，进而决定管道的使用寿命和安全。海洋环境中的海水中含有盐分和其他腐蚀性物质，对材料的腐蚀性要求较高。当选择的材料对海水的腐蚀性不佳，容易导致管道表面腐蚀、管道壁厚减薄，甚至导致管道破损、漏水等问题。并且当材料的抗疲劳性不足时也很容易造成管道连接处产生疲劳裂纹，使得管道出现疲劳断裂。此外，海洋环境中存在高温情况，例如热液喷涌等，当设计人员在选择材料时忽略了高温情况，选择的材料的耐高温性不足，容易导致管道材料的变形、软化甚至失效，影响管道的正常运行。

2.4 结构设计缺乏规范指导

海洋非粘结柔性管道的结构设计需要遵循一定的规范和标准，以确保管道的安全可靠性。然而，目前缺乏专门的设计规范和标准，设计人员在设计过程中往往缺乏明确的指导和参考，容易导致结构设计不符合要求。在选择设计参数时缺乏对海水深度、波浪、水流速度等因素的全面考虑，导致结构设计不足以应对海洋环境的特殊要求。并且目前缺乏专门针对海洋非粘结柔性管道结构设计的软件工具，设计人员无法进行准确的结构分析和优化设计。缺乏合适的软件工具限制了设计师对于结构设计的精确性和可靠性的掌控，进而影响管道结构设计的安全性。

3 海洋非粘结柔性管道结构设计的优化建议

3.1 改进管道受力分析方法，获取准确的数据

在海洋非粘结柔性管道结构设计中，管道受力分析方法的改进是非常重要的，以确保管道能够承受海洋环境的各种力量，并保持结构的稳定性和安全性。为了获取准确的数据，可以采用数值模拟方法。通过建立管道的动态响应模型，可以准确预测管道在海洋环境中的振动和变形情况。数值模拟方法可以考虑水流速度、波浪力、海底地形等因素，并将它们作为输入参数，计算管道的受力情况。需要注意的是，在进行数值模拟时，还应该考虑管道材料的非线性特性。管道材料可能发生弹性变形或塑性变形，因此应该采用适当的本构模型来描述材料的力学行为，以确保受力分析结果的准确性。设计人员还需要合理考虑多种受力模式，包括静态和动态负荷，更全面地评估管道结构的安全性。并考虑管道在不同施工和运营阶段的受力情况，如：在施工阶段，管道会受到临时荷载和施工工艺的影响；在运营阶段，管道会受到流体压力、温度变化等因素的影响。因此，在受力分析中要考虑这些不同阶段的情况。

此外，在受到外部力量的作用下，管道材料会发生弹性变形或塑性变形，这会对管道的受力和变形情况产生显著影响。因此，必须考虑管道材料的非线性特性，以确保受力分析结果的准确性。设计人员使用材料的应力-应变曲线来描述管道材料的非线性特性，并将其应用于受力分析中。在受力分析中，设计人员可以将应力-应变曲线作为材料的本构模型，常用的本构模型包括线性弹性模型、弹塑性模型和本构方程模型。通过数值模拟方法将应力-应变曲线和本构模型应用于管道材料的受力计算。通过将外部力量作为输入参数，结合材料的非线性特性，计算出管道的受力分布和变形情况，从而更准确地评估管道的安全性，并优化管道的设计，以确保管道的可靠性和耐久性。

3.2 改进管道连接方式，加强连接点的强度和可靠性

不同海洋环境下的力学载荷和温度变化情况不同，因此需要根据具体情况选择连接方式。对于海水腐蚀性较强的环境，可以选择耐腐蚀性能较好的连接方式，如不锈钢连接件，以提高连接点的耐腐蚀性。设计人员应充分考虑连接接头的受力情况，选择合适的连接方式，并确保连接接头的加工精度高，安装时紧固可靠。还可以采用多种连接方式的组合，以提高连接点的强度和可靠性。例如，可以使用螺纹连接和焊接连接相结合，以增加连接点的抗拉强度和抗剪强度。此外，还可以考虑使用橡胶密封件等软性连接方式，以适应海洋环境中的振动和变形。同时，在质量控制过程中，要对连接接头进行严格检验，确保连接接头质量的稳定性。此外，在设计连接点时，要考虑到连接点的可维护性，便于检查和维修。合理安排连接点的位置和布局，确保易于访问和操作。通过对连接接头进行定期检查和维护，及时发现并修复存在的问题。定期检查连接接头的紧固情况，防止松动或断裂。同时，对连接接头进行防腐处理，延长连接接头的使用寿命。还需要通过实验室测试或数值模拟等手段，对连接点的强度进行验证，确保连接点满足设计要求，并具有足够的安全余量。并且在后期检查过程中，可以使用无损检测技术，如超声波检测等，来检测连接接头的内部结构是否存在缺陷，从而确保海洋管道系统的安全运行。

3.3 优化管道材料选择，提高结构性能

在海洋非粘结柔性管道结构设计中，应合理选择材料，以确保管道的耐腐蚀性、抗疲劳性和耐高温性等性能。针对海洋环境中海水腐蚀性要求较高的情况，可以选择耐腐蚀性能较好的材料。不锈钢是一种常用的选择，其具有优异的耐腐蚀性能，可以有效抵御海水的腐蚀。高合金钢也是另一个常见的选择，其合金成分能够提高材料的耐腐蚀性。同时，在材料的选择过程中，还需要考虑海洋环境中的高温情况。选择具有良好耐高温性的材料，可以确保管道在高温环境下的稳定性和安全性。例如，耐高温合金材料具有较高的熔点和热稳定性，能够在高温环境下保持其力学性能和耐腐蚀性能。此外，抗疲劳性能也是海洋非粘结柔性管道结构设计中需要考虑的重要因素。选择具有较高抗疲劳性的材料，可以有效延长管道的使用寿命，并减少疲劳断裂的风险。在材料的选择中，可以参考相关标准和规范，如：API SPEC 17J—2008 、API RP 17B—2008，选择具有良好抗疲劳性能的材料，提高管道的使用寿命和安全性

3.4 建立规范化的设计指导，提高设计质量

为了确保海洋非粘结柔性管道结构设计符合要求，需要建立规范化的设计指导，提高其安全可靠性。设计指导需要根据海洋环境的特点和要求，提供合理的设计参数范围和选择建议。包括海水深度、波浪、水流速度等因素的考虑，以确保管道结构能够应对海洋环境的各种力量。并提供结构设计的基本方法和原则，包括受力分析、材料选择、连接方式等。设计人员可以根据这些方法和原则进行结构设计，确保设计符合要求。同时，在设计中还需要提供专门针对管道结构设计的软件工具，帮助设计人员进行准确的结构分析和优化设计。这些软件工具应该能够考虑海洋环境的特殊要求，并能够模拟管道在海洋环境中的振动和变形情况，以提供准确的设计结果。此外，在设计中提供连接接头的设计和选择指导，包括连接方式的选择、连接接头的强度计算等。设计人员可以根据这些指导进行连接接头的设计，确保连接点的强度和可靠性。并提供材料的选择和使用指导，包括耐腐蚀性、抗疲劳性、耐高温性等性能的要求，以便结合这些指导选择合适的材料，提高管道结构的性能和安全性。

4 结语

综上所述，海洋非粘结柔性管道结构设计是海洋工程技术的重要研究方向。通过改进受力分析方法、优化管道连接方式和合理选择材料等解决方案，可以提高海洋非粘结柔性管道结构的安全性和可靠性，推动海洋工程技术的创新和发展。此外，还需要加强相关规范和标准的制定和推广，提高海洋非粘结柔性管道结构设计的规范化水平，确保海洋工程的安全和高效进行。