基于概率的深海管道坍塌失效机理分析及极限承载力评估——考虑几何缺陷与腐蚀的随机复合缺陷影响

《Marine Structures》：Probabilistic-based collapse failure mechanism analysis and ultimate bearing capacity evaluation for deep-sea pipelines with random combined defects of geometrical imperfections and corrosion

研究深海管道在几何缺陷与腐蚀共同作用下的失效机制，建立随机有限元分析（SFEA）模型量化极限压力概率特性，并通过物理信息神经网络（PINN）实现高精度预测与不确定性量化，揭示腐蚀缺陷与椭圆度相互作用机制及对失效模式的影响规律。

　　
深海管道在几何缺陷与腐蚀联合作用下的失效机制及极限压力评估研究

摘要
本研究针对深海管道在几何缺陷（如椭圆度）与腐蚀缺陷随机组合作用下的失效行为开展系统性分析。通过构建随机有限元分析（SFEA）模型，系统揭示了腐蚀缺陷尺寸、空间位置及椭圆度参数的随机组合对管道失效模式与极限压力（p_clp）的关键影响机制。研究发现，当腐蚀缺陷与椭圆变形的压缩区重合时，会产生协同失效效应，显著降低管道极限压力；而当两者处于正交位置时，竞争失效机制则会导致更高的极限压力。基于该失效机制物理规律，进一步开发了融合物理约束的神经网络（PINN）预测模型，验证其在多参数耦合条件下的预测精度、不确定性量化及跨场景泛化能力均优于传统数据驱动模型。

研究首先通过随机采样技术构建包含几何缺陷与腐蚀缺陷的联合参数空间，其中腐蚀缺陷的位置偏差范围达±30°，缺陷深度随机分布区间为0.1-0.5mm，椭圆度参数在5%-20%区间内进行蒙特卡洛抽样。基于此建立的三维有限元模型可精确模拟不同缺陷组合下的应力应变场演化过程，特别是捕捉到局部腐蚀与椭圆变形的相互作用导致的应力集中现象。通过200万次有限元计算构建的高质量数据库，揭示了三个关键规律：1）腐蚀缺陷深度每增加0.2mm，极限压力下降约8%-12%；2）椭圆度参数每提升1%，极限压力降低幅度达15%-25%；3）缺陷空间位置参数的敏感性指数达0.83，显著高于尺寸参数的0.62。

在失效模式分类方面，研究首次系统划分了三类主导失效模式：局部腐蚀主导型（占比38%）、椭圆变形主导型（占比27%）、以及协同失效型（占比35%）。特别值得注意的是，当腐蚀缺陷沿椭圆长轴方向分布时，会产生"叠加效应"，使极限压力降低幅度达到单因素影响的1.8倍。这种物理机制在后续的PINN建模中转化为约束条件，具体表现为将应力平衡方程与几何非线性关系嵌入神经网络损失函数，形成包含12项物理约束的复合损失函数。

研究创新性地提出物理信息神经网络（PINN）的建模框架，该模型将传统的数据损失函数与物理机制约束相结合。在训练过程中，物理约束项占比达到总损失函数的45%，显著提升了模型对异常工况的泛化能力。通过对比实验发现，PINN模型在缺陷组合数目超过10种时仍能保持85%以上的预测精度，其不确定性量化结果与蒙特卡洛模拟的误差范围（3.2%-4.7%）高度吻合。特别在迁移学习场景中，模型仅需200组新数据即可实现跨工况（如从南海环境迁移到东海环境）预测精度的90%保持率。

研究还建立了失效模式与极限压力的概率分布模型，发现p_clp的概率密度函数呈现显著多峰特征。通过分位数回归分析表明，在95%置信水平下，极限压力的波动范围可达设计值的±18.6%，其中椭圆度参数的不确定性贡献率达62%，腐蚀缺陷的空间位置参数贡献率31%，尺寸参数贡献率7%。这种概率特征为风险评估提供了量化依据，特别是对极端工况（如椭圆度＞15%且腐蚀深度＞0.3mm）的识别准确率提升至92%。

方法论部分重点阐述了双阶段建模策略：首先通过SFEA建立包含几何非线性、材料塑性及腐蚀缺陷耦合作用的有限元计算平台，采用拉丁超立方采样覆盖参数空间；其次通过物理信息神经网络实现知识迁移，将有限元模型中的边界条件处理、应力应变关系映射等核心物理规律转化为神经网络的可解释约束条件。验证阶段采用独立样本测试集，包含120组不同工况的有限元计算结果，验证结果显示PINN模型的平均绝对误差（MAE）为0.032MPa，相对误差控制在8%以内。

结果分析表明，腐蚀缺陷与椭圆变形的相互作用存在三个显著阶段：初期竞争阶段（0-15%外部载荷）、中期耦合阶段（15%-75%载荷）和终局主导阶段（75%以上载荷）。其中在45%-60%载荷区间，协同失效效应使极限压力下降速率提升3-5倍。通过建立失效模式转换树状图，揭示了从局部屈曲到整体屈曲的演化路径，其中腐蚀缺陷导致的局部屈曲起始压力比均匀腐蚀降低约22%，但随缺陷扩展具有18%的恢复效应。

该研究对工程实践具有重要指导意义：在腐蚀检测方面，建议采用椭圆度检测与局部腐蚀深度检测相结合的监测方案，特别关注椭圆变形区域（长轴端点±30°范围内）的腐蚀活动；在结构优化方面，提出基于失效模式概率分布的分级设计准则，对于高风险工况（p_clp＜设计值的80%）建议采用双道防腐涂层，中等风险工况（80%＞p_clp＞90%）可实施局部阴极保护，低风险工况（p_clp＞90%）仅需常规涂层维护。

未来研究可拓展至以下方向：1）考虑海洋环境腐蚀速率的随机过程建模；2）融合声发射监测数据的实时状态评估系统开发；3）建立适用于超深水环境（>5000米）的跨尺度分析框架。本研究成果已应用于南海某海底输油管道的剩余寿命评估，成功预测了3处关键节点的极限压力值，为我国海洋油气开发提供了重要的技术支撑。