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腐蚀缺陷海底管道在复合载荷下的失效机制与极限承载能力研究。采用理论分析与有限元模拟相结合的方法，建立考虑几何特征、材料属性及缺陷分布的数值模型，揭示外部压力与弯曲矩耦合作用下管道的椭圆形变形、局部屈曲及最终失效规律，提出修正型经验公式以预测不同载荷路径下的极限承载能力。
作者：周立贝、龚顺峰、袁林、闫松婷、任俊伟、金珊
单位：浙江树人大学城市建筑工程学院，中国杭州，310015
摘要
在长期使用过程中，海底管道可能会在恶劣的海洋环境中同时受到外部静水压力和弯曲力的作用。这种载荷组合通常会导致管道变形为椭圆形，进而可能引发局部屈曲并导致管道失效，尤其是在存在腐蚀损伤的情况下。本研究通过理论分析和数值模拟，探讨了含有腐蚀缺陷的海底管道在同时受到外部压力和弯曲力作用下的失效行为，旨在评估其失效机制和极限承载能力。本研究建立了一个综合的分析框架，结合了二维理论模型和三维有限元仿真方法。通过参数分析，评估了含有腐蚀缺陷的管道在复合载荷作用下的失效行为，考虑了几何特性、材料属性、缺陷特征（尺寸和分布）以及载荷路径等因素。基于大量的数值结果，提出了用于估算腐蚀管道失效能力的经验公式，这些公式考虑了直径与厚度比（D/t）、初始椭圆度Δ?、应变硬化模量（E'/E）、缺陷的几何特性以及载荷条件等因素。
引言
随着海上油气开发从浅水区向深水区和超深水区扩展，海底管道的主要设计载荷从内部压力转变为外部压力[[1], [2], [3], [4], [5]]。在深海环境中运行的管道不仅会受到较高的外部静水压力，还可能受到弯曲力、轴向力和扭转力的作用。一种典型的载荷条件是外部压力和弯曲力的共同作用，其中弯曲力可能由自由跨度、海底沉降、地震波和断层等因素引起。此外，由于外部环境因素和内部输送介质的影响，处于服役状态的海底管道还存在腐蚀风险，这会显著降低其承载能力。在这种复杂的载荷条件下，腐蚀管道更容易发生失效。
过去几十年中，海洋工程领域对海底管道的研究受到了广泛关注。许多研究探讨了海底管道在单一外部压力作用下的失效性能，包括分析方法、实验建模和数值模拟。这些研究系统地评估了几何特性[[6], [7], [8]]、材料属性[9,10]以及初始缺陷[[11], [12], [13]]对管道失效性能的影响，为海底管道的失效机制提供了有力的解释。同样，对于含有规则形状缺陷、交互式缺陷和随机缺陷的海底管道的失效行为也进行了深入研究[[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]]。相应地，也提出了经验公式[18,23,[28], [29], [30], [31], [32]]和机器学习模型[33]来估算仅受外部压力作用的腐蚀管道的失效能力。这些研究共同建立了一个全面且被广泛认可的框架，用于评估在这种载荷条件下的海底管道失效情况。
另一方面，考虑到海洋环境中恶劣且复杂的载荷条件，海底管道在同时受到外部压力和弯曲力作用下的结构响应也引起了广泛关注。根据DNV标准的规定，弯曲作用会导致管道截面变形为椭圆形，而叠加的外部压力会加剧这种变形效应，从而显著降低管道的结构承载能力[34]。然而，相关研究主要集中在具有初始缺陷的完好管道的失效性能上。例如，Johns等人[35]通过综合理论分析和缩比实验测试，提出了一个用于分析完好管道在弯曲和外部压力共同作用下的分叉屈曲的框架。Fabian[36]进一步发展了这一领域，建立了一套针对具有几何缺陷的海底管道在复合载荷作用下的极限状态和分叉屈曲的全面分析方法。这项研究展示了初始椭圆度在这些耦合载荷条件下的关键影响。在此基础上，Kyriakides和Shaw[37]对复合压力-弯曲载荷下的非线性失效行为进行了严格的理论和实验研究，证明了极限弯曲能力依赖于材料硬化特性和管道几何参数。Karamanos等人[38]开发了一种用于模拟厚壁管道在外部压力和弯曲作用下的严格非线性有限元技术，并系统研究了载荷路径的影响。通过实验和理论研究，Kyriakides和Corona揭示了管道在复合载荷作用下的失效行为，明确表明不稳定响应对载荷路径非常敏感[39,40]。此外，他们还将研究范围从单调载荷扩展到循环载荷，实验研究了管道在复合载荷作用下的变形和失效行为[41]。通过一系列理论和实验研究，Kyriakides和Corona全面分析了包括直径与厚度比、初始椭圆度的幅度和方向、残余应力以及壁厚偏心率等关键因素对管道极限承载能力的影响[14,42]，为深海管道工程的安全设计提供了重要指导。
Toscano等人[43]利用深水高压舱进行了全尺寸实验验证，量化了在不同载荷配置下的极限承载能力变化。Ghazijahani和Showkati[44]通过系统的失效试验和非线性有限元分析表明，弯曲引起的截面变形显著影响了复合压力-弯曲载荷下的临界失效阈值。Bai等人[45], [46], [47], [48]开发了二维理论模型，系统研究了钢管、增强型热塑性管道（RTP）和金属带柔性管道（MSFP）在复合外部压力和弯曲作用下的失效性能。他们还分析了直径与厚度比、初始椭圆度和初始应力等关键参数的影响，并提出了用于预测不同载荷路径下失效能力的经验公式。此外，Yu等人[49]通过数值建模为RTP在不同载荷路径下建立了弯曲-压力相互作用边界，系统评估了层压层方向和几何参数的影响。Yu等人[50]还通过综合实验-数值方法确定了载荷路径是影响厚壁管道抗失效能力的关键因素，表明压力-弯曲载荷序列相比反向载荷序列会导致更高的失效风险。最近，Tran等人[51]利用ABAQUS进行有限元分析，评估了钢管在弯曲和外部压力作用下的失效响应，并通过机器学习提高了预测精度。
关于完好管道在复合外部压力和弯曲作用下的失效性能已经进行了大量研究，显著推进了对关键影响因素的理解。然而，关于腐蚀管道的研究仍然相对有限。目前的研究空白可以总结如下：(a) 缺乏一个可靠的理论框架来评估腐蚀管道在同时受到外部压力和弯曲作用下的失效情况，相关的失效机制尚未完全阐明；(b) 现有的研究主要集中在完好管道上，忽略了长期服役过程中由于复杂海洋环境导致的腐蚀缺陷问题；(c) 现有的经验公式往往过于简化，经常忽略了缺陷大小、位置以及材料硬化行为的综合影响，因此需要进一步改进以提高准确性和通用性。
本文旨在研究腐蚀海底管道在同时受到外部压力和弯曲作用下的失效机制，并开发用于评估不同载荷条件下失效能力的经验公式。研究方法包括四个关键阶段：(1) 开发一个理论模型，以保守地评估腐蚀管道在同时受到外部压力和弯曲作用下的失效响应；(2) 建立一个基于ABAQUS[52]的数值框架，并通过理论预测和现有实验结果进行验证；(3) 进行参数敏感性分析，评估不同几何特性、材料属性、缺陷特征（尺寸和分布）以及载荷路径的影响；(4) 推导出用于估算腐蚀海底管道在不同载荷条件下极限承载能力的经验公式。
理论分析
通常认为，在管道直径10到20倍的长度范围内，作用在管道上的载荷可以视为基本均匀的。因此，在这个长度范围内，管道的失效问题可以简化为无限长管道的失效问题[36]。因此，具有初始几何缺陷的腐蚀管道的失效分析可以简化为二维平面应变模型进行研究。
有限元模型
为了补充失效分析，我们在ABAQUS[45]中实现了基于非线性有限元（FE）分析的数值模拟方法，用于模拟腐蚀管道在复合外部压力和弯曲作用下的失效行为。数值模型利用了x-y平面和x-z平面的双重对称性，从而可以通过四分之一模型高效地进行模拟，并设置了相应的边界约束。
参数依赖性研究
在实际情况下，腐蚀缺陷的长度是有限的，因此上述理论模型旨在快速且保守地评估腐蚀管道在复合载荷作用下的极限承载能力。为了进一步提高评估的准确性，本节通过数值模拟分析了具有有限长度缺陷的腐蚀管道的失效情况。
在建立的数值框架内，我们建立了参数化的管道模型
腐蚀管道在复合外部压力和弯曲作用下的失效力矩的经验公式
参数敏感性分析揭示了在不同载荷条件下影响腐蚀管道归一化失效力矩的关键因素存在显著差异。对于复合外部压力和弯曲作用，关键参数包括初始椭圆度、应变硬化模量、初始载荷、缺陷大小和位置。而对于纯弯曲作用，关键参数则是直径与厚度比、缺陷尺寸和应变硬化模量。
结论
本文通过理论和数值研究探讨了腐蚀管道在复合外部压力和弯曲作用下的失效性能。具体来说，我们开发了一个扩展的理论模型，能够较为准确地预测失效力矩。同时，我们建立了有限元模型，使用ABAQUS再现了整个失效过程，并通过理论结果和已发表的实验数据验证了其正确性。然后，我们进行了广泛的参数分析
作者贡献声明
周立贝：撰写——原始草稿、软件开发、实验研究、形式分析。龚顺峰：项目监督、项目管理。袁林：撰写——审稿与编辑、概念构思。闫松婷：方法论设计。任俊伟：撰写——审稿与编辑、软件开发、数据管理。金珊：数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益冲突或个人关系。
致谢
感谢浙江树人大学的人才引进项目（2023R068、2024R038）、浙江省市场监督管理局的峰技术项目（JF2026003）、浙江省市场监督管理局的关键技术项目（ZD2025011）、浙江省自然科学基金（LQN25A040022）以及国家市场监督管理局的技术项目（2025MK057）提供的财政支持。
