组合荷载作用复杂腐蚀-凹痕缺陷深海管道局部屈曲失效机理和安全评价

Corrosion and dent are the most common defects for deep-sea pipelines, which are one of the main causes of pipeline buckling failure. Considerable attentions have been paid to the safety issue of deep-sea pipelines with those defects. Therefore, acknowledgement of the buckling failure mechanism and appropriate residual strength assessment of deep-sea pipelines with corrosion-dent defects is vital important. Consequently, it is imperative to establish the safety evaluation system for deep-sea pipelines with corrosion-dent defects. On the basis of theoretical analysis, small scale experimental test and numerical simulation, this proposed project attempts to investigate the buckling damage procedure and failure mechanism of pipelines under external pressure dominating condition and bending moment dominating condition respectively, with emphasis on the influence of complex corrosion-dent defects and combined loadings, i.e., internal pressure, external pressure, axial force and bending moment. Furthermore, relationship between buckling failure mode and complex corrosion-dent defects will be developed. Consequently, residual strength assessment technique and safety evaluation method for deep-sea pipelines with complex corrosion-dent defects will be proposed. Breakthrough will tentatively be made in small scale experimental test, buckling failure theory and safety evaluation method in the project.

腐蚀和凹痕是深海管道最常见的缺陷形式，也是引发管道局部屈曲失效的主要原因之一，含腐蚀-凹痕缺陷深海管道的安全问题受到高度重视。因此，明确深海环境中含腐蚀-凹痕缺陷管道局部屈曲失效机理，建立安全评价方法的工作迫在眉睫。本课题旨在采用小尺寸模型试验、理论分析和数值仿真相结合的研究手段，探索内压-外压-轴力-弯矩组合荷载作用下深海管道的局部屈曲失效机理，分别研究外压和弯矩两种荷载控制模式，重点考虑复杂腐蚀缺陷、复杂凹痕缺陷和腐蚀凹痕耦合缺陷的影响，揭示深海管道局部屈曲失效与复杂腐蚀-凹痕缺陷状态之间的关系，发展含复杂腐蚀-凹痕缺陷深海管道剩余强度评估和安全评价理论及技术，从而为建立深海管道完整性评价系统奠定基础，在小尺寸模型试验技术、屈曲失效理论、安全评价方法等方面将有新的突破。

凹痕与腐蚀是深海管道最常见的缺陷形式，海底环境复杂多变，深海管道往往受到复杂组合荷载的影响，对深海管道的安全运行产生严重威胁。因此，明确含腐蚀-凹痕耦合缺陷深海管道在复杂荷载作用下的屈曲失效机理具有重大的意义。本项目针对含腐蚀-凹痕耦合缺陷深海管道进行了局部屈曲失效理论分析，并进行了落物撞击下海底管道凹陷损伤小尺寸试验。分别建立了含简单腐蚀、简单凹痕、复杂腐蚀、复杂凹痕和复杂腐蚀-凹痕耦合缺陷深海管道有限元模型，研究了内压-外压-轴力-弯矩等组合荷载作用下深海管道的局部屈曲失效机理，并重点考虑了外压和弯矩两种荷载控制模式。基于局部屈曲失效理论分析结果，分别提出了含复杂腐蚀与复杂凹痕缺陷深海管道压溃压力、极限弯矩和失效应变理论计算模型。根据管道局部屈曲失效数值仿真分析结果，建立含复杂腐蚀-凹痕耦合缺陷深海管道压溃压力回归计算模型，并发现相比较于单个缺陷，腐蚀-凹陷耦合缺陷更容易使管道发生局部屈曲。基于理论模型和回归模型，提出工程适用的含复杂腐蚀-凹痕耦合缺陷深海管道压溃压力计算方法，并给出工程适用的剩余强度评估和安全评价方法，开发适用的含缺陷深海管道剩余强度评价软件。本项目的研究成果完善了深海管道的完整性评价方法，在含耦合缺陷深海管道的安全评价技术方面实现了新的突破。在完成本项目的过程中，发表和录用期刊论文14篇，会议论文4篇，其中SCI收录5篇，EI收录8篇，授权国家发明专利9项，获得国家软件著作权12项，获得省部级科技进步一等奖2项。