冲击引起的损伤机制以及基于海底硬度的设计修正方法，适用于安装在柔性黏土海底上的管中管系统

《Ocean Engineering》：Impact-induced damage mechanisms and seabed-stiffness-based design correction for pipe-in-pipe systems resting on flexible clay seabeds

本研究开发三维非线性显式有限元模型，分析柔性 seabed 对管中管系统落体冲击的影响，发现柔性 seabed 可降低外管塑性变形和永久凹陷深度达25.3%和30.4%，并提出基于 seabed 不排水抗剪强度的修正因子以优化传统刚性 seabed 评估方法。

　　

赵文豪|张启毅|冯琪|李东贤

中国海洋大学工程学院，青岛，26610，山东，中国

摘要

在深水油气开发中，管中管（PIP）系统容易受到坠落物体的影响，然而大多数研究将海底理想化为刚性体，忽略了可变形粘土的作用。本研究开发了一个三维非线性显式有限元模型，该模型能够模拟大变形以及管道与土壤之间的耦合效应，以研究坠落物体对饱和粘土海底的影响。结果表明，柔性海底允许管道整体沉降，使外管和内管的局部塑性变形及永久性凹陷深度分别减少了25.3%和30.4%，从而降低了内管底部的破坏风险。参数分析表明，卸载效应取决于不排水抗剪强度 S_u，当抗剪强度超过50 kPa时，系统的响应接近刚性海底的情况。本文引入了一个基于海底强度的修正因子，以改进传统的刚性海底冲击评估方法，提高对冲击损伤的评估精度，并为软粘土海底上的PIP系统设计提供指导。

引言

海底管道是深水油气开发中最为关键的基础设施。其结构完整性直接关系到能源运输的连续性和海洋环境的安全（Palmer等人，2008年）。随着油气开发向深水和超深水区域的扩展，复杂的服役条件显著增加了管道故障的风险（Wang等人，2025年）。在这些风险中，由海上平台作业或船舶活动引起的坠落物体冲击被认为是最重要的外部威胁之一。英国健康与安全执行局（HSE）的统计数据显示，坠落物体、锚拖拽和渔具缠绕等事件约占海底管道故障的47%。此类事件一旦导致管道破裂或严重变形，可能会造成高昂的维修成本、生产中断以及潜在的重大环境事故（HSE，2003年；Bai和Bai，2018年；Skogdalen和Vinnem，2012年）。因此，准确评估坠落物体载荷下的冲击响应和损伤机制是深水管道保护设计和风险管理中的关键科学和工程问题。

现有研究主要关注几何参数、材料属性和坠落物体特性对管道冲击响应的影响（Jones，2011年；Jiang等人，2019a，Jiang等人，2019b）。然而，为了简化理论推导和数值计算，大多数研究将海底视为刚性基础。这一假设在深水软粘土环境中显然是不准确的，因为海底通常由低强度、高孔隙度的沉积物组成，这些沉积物具有显著的粘度和流变特性。先前的研究表明，柔性海底可以显著改变坠落物体与管道之间的能量传递机制。一方面，柔性海底可以通过塑性变形延长冲击持续时间并降低峰值接触力；另一方面，柔性基础可以引起管道整体沉降，从而减少局部凹陷并缓解应力集中（Chen等人，2024年；Zeinoddini等人，2013年；Jiang等人，2019a，Jiang等人，2019b和2022年；Kawsar等人，2015年）。然而，这些研究主要针对单根管道，其结论不能直接应用于更复杂的管中管（PIP）系统。在高压/高温（HP/HT）输送环境中，由于优异的隔热性能，PIP系统已成为深水开发的主流解决方案（Bai和Bai，2018年）。与单根管道相比，PIP系统由内管、外管、保温层和扶正器组成。在冲击载荷下，能量传递路径更加多样化，层间接触行为和相互作用过程也更为复杂。特别是，内管与外管之间的载荷传递通过扶正器进行，应力状态和响应特性高度依赖于管道底部与海底之间的边界条件，如图1所示。因此，PIP系统在坠落物体冲击下的损伤机制不仅与外管的局部凹陷有关，还与整体沉降、环形层闭合、扶正器作用力以及内管响应密切相关（Gao等人，2022年；Zheng等人，2012年和2014年；Zhao等人，2025年；Hou等人，2025年）。关于PIP系统在柔性海底上的冲击行为的系统研究仍然有限。这种理解上的不足可能导致工程设计中的偏差：一方面，可能高估了外管的损伤；另一方面，可能低估了内管在软基础上的弯曲风险。因此，有必要对坠落物体、PIP系统和柔性海底之间的动态耦合机制进行详细的定量研究。

基于上述考虑，本研究旨在明确管中管（PIP）系统在柔性粘土海底上受到坠落物体载荷时的冲击响应和损伤机制。开发了一个三维非线性显式有限元模型，充分考虑了材料非线性、接触相互作用和大变形效应。通过系统比较刚性海底和柔性海底条件，本研究重点关注：（I）量化海底柔韧性对局部凹陷、整体沉降以及内外管相互作用的影响；（II）从能量和动量重新分配的角度阐明主导的冲击卸载机制；（III）确定不排水抗剪强度在控制柔性与刚性边界响应转变中的关键作用。基于这些分析，提出了一种基于海底强度的损伤修正因子，作为对传统刚性海底评估方法的实用调整。

研究结果旨在为PIP系统在软粘土海底上的坠落物体冲击行为提供机制导向的解释，并为现有的海上管道设计框架中的抗冲击设计和安全评估提供支持。

数值模拟方法

本研究使用非线性有限元软件ABAQUS（Explicit）建立了一个三维数值模型，以研究坠落物体冲击下管中管（PIP）系统在刚性海底和柔性海底上的动态响应。该模型全面考虑了材料非线性、接触非线性和大变形效应。建模过程如下所述。

模型验证

为了确保所建立的有限元模型在预测PIP系统的大变形响应和能量耗散机制方面的可靠性，根据海上工程中广泛使用的DNV-RP-F107（2010）标准，在刚性海底条件下进行了验证研究。该标准提供了楔形物体撞击支撑在刚性基础上的管道时，管道吸收的能量 E 与凹陷深度 δ 之间的经验关系：

结果与讨论

本章系统分析了海底柔韧性对管中管（PIP）系统在坠落物体冲击下的动态响应特性的影响。通过比较刚性海底和柔性海底条件（S_u = 5 kPa）下的变形模式、部件损伤演变和能量耗散路径，揭示了管道与土壤相互作用在冲击缓冲和损伤缓解中的物理机制。基于这些结果，对冲击进行了参数敏感性分析。

结论

本研究调查了深水油气开发中管中管（PIP）系统的坠落物体冲击风险。建立了一个三维耦合有限元模型，并明确考虑了管道与土壤的相互作用。系统比较了刚性海底和柔性海底条件下的冲击响应。基于变形模式、塑性应变分布、能量耗散特性和参数敏感性的对比分析，得出了以下主要结论：

作者贡献声明

赵文豪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，概念构思。张启毅：方法论研究，资金获取。冯琪：数据整理。李东贤：项目管理。

数据可用性声明

部分或全部支持本研究结果的数据、模型或代码可向相应作者索取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢山东省重点研发计划对本研究的资助。（2023ZLGX04）。