《Marine Structures》：A state of the art review on condition monitoring, defect evaluation, and failure prediction of offshore pipelines under extreme loading: Experimental, theoretical, and numerical techniques
编辑推荐：
本文系统综述了海洋管道在极端载荷（波浪、洋流、地震等）下的状态监测、缺陷评估与故障预测方法，对比实验、理论与数值技术的优势与局限，提出融合物理信息模型与概率框架的综合评估体系，为高可靠性基础设施管理提供理论支撑。
阿德希尔·萨瓦里（Ardeshir Savari）|哈立德·阿尔纳菲（Khaled Alnefaie）|纳林德吉特·辛格·萨瓦兰·辛格（Narinderjit Singh Sawaran Singh）
加拿大阿尔伯塔省卡尔加里大学机械工程系，卡尔加里，T2N 1N4
摘要
本文对用于监测海洋管道状况、评估缺陷和预测故障的实验方法、理论方法和数值方法进行了跨比较评估。这些管道受到海洋环境作用（如波浪、水流、涡流诱导振动）、运行因素和意外事件等极端载荷的影响。实验技术为海上管道的损伤和故障特征提供了基准，但受到成本、可访问性和全尺寸海上测试可扩展性的限制。无损检测技术能够在流体动力和瞬态载荷下检测缺陷并对海底管道进行在役评估，但仍需要与基于物理的模型结合以实现预测可靠性。理论方法，包括疲劳损伤累积、流体力学动态响应建模和故障预测框架，为海洋管道结构的完整性评估提供了机制基础，从而能够在循环波浪诱导和瞬态载荷下进行不确定性传播和基于可靠性的决策。数值和概率方法，从耦合的流体动力学-结构有限元分析到贝叶斯和机器学习辅助模型，展现了出色的灵活性和预测性能。与基于标准的公式相比，它们的预测偏差通常在5-10%范围内。在准确性、计算成本、可扩展性和不确定性处理方面的定量比较表明，没有一种技术能够充分捕捉海上动态管道行为的复杂性。因此，混合式、基于物理的和概率框架成为实现稳健的、基于风险的完整性管理和具有韧性的基础设施（包括在极端载荷条件下的海上管道运营）的最有效途径。
引言
全球范围内，能源管道的总长度超过两百万公里，是国家能源安全、经济稳定和地缘政治关系的支柱。管道故障可能引发灾难性爆炸、环境污染和经济中断[1]。当管道结构因基础设施老化而降低完整性时，这些风险会更加严重。在北美和欧洲，超过30%的能源管道已运行超过50年，其运行条件远超初始设计参数。根据管道和危险材料安全管理局的最新统计数据，2001-2020年间共记录了12500起事件，其中许多是由第三方损坏和腐蚀引起的[2]。然而，随着能源需求的增加以及气候引起的地质灾害，实现管道的韧性需要严格的结构评估。能源管道的完整性还因受到动态载荷（无论是环境因素还是运行因素）的影响而进一步受损。海上管道面临地震载荷、滑坡、冻融循环、波浪-水流相互作用、海洋风暴以及海底岩石坠落等影响[[3], [4], [5], [6], [7]]。运行中的应力由循环压力波动、内部流体流动、温度梯度和流动诱导振动产生，最终加速了疲劳和断裂的传播，同时增加了外部威胁[[8], [9], [10]]。人类活动（如施工爆破、车辆碰撞和地缘政治冲突）增加了风险暴露，使得第三方损坏成为故障的原因[11]。
在动态载荷作用下，管道的结构完整性至关重要，因为故障的后果非常严重，包括环境灾难、经济损失和安全风险。腐蚀、凹陷、裂纹和沟槽是对管道完整性的重大威胁[[12], [13], [14]]。石油和天然气管道中的腐蚀故障会导致严重的环境和生态破坏、巨大的能源损失以及潜在的致命事故。仅2018年，美国石油和天然气勘探行业因腐蚀相关事故、维护和地下金属管道的监测就花费了14亿美元[15]。此外，特别是导致管道壁突然弯曲的凹陷（尤其是扭结和折叠类型的凹陷）会充当应力集中器，从而降低承载能力。第三方损坏和施工事故造成的凹陷被认为是管道故障的重要原因之一。当疲劳裂纹发生或缺陷与腐蚀相互作用时，总体影响可能更为严重[16]。
大多数综述研究仅关注孤立的载荷机制或狭义定义的故障模式，而不是从整体角度研究结构完整性。第一组研究集中在静态载荷下修复有缺陷的管道[[17], [18], [19], [20], [21]]，而在时变载荷下评估其结构完整性则是一个挑战，尤其是对于暴露在流体动力作用下的海上和海底管道。第二组研究重点关注海底重力流和滑坡，提供了流体动力学和冲击力的特性描述，但大多未能将这些载荷与结构能力、损伤演变或完整性决策框架联系起来[[22], [23], [24]]。第三组研究集中在流体动力学响应和稳定性现象上，包括自由跨度动力学、涡流诱导振动、管道-土壤相互作用和底部稳定性，提供了建模工具和机制洞察，但通常通过代码合规性或响应阈值隐式处理完整性，而不是通过故障或可靠性指标[[25], [26], [27]]。第四组综述研究了特定的结构极限状态，如屈曲、残余强度、凹陷、裂纹和腐蚀退化，其中动态效应往往是次要的或理想化的，且多种极端载荷之间的相互作用很少被综合分析[[28], [29], [30]]。
总体而言，现有的综述要么强调载荷而忽略结构完整性，要么研究完整性评估而不完全解决动态载荷问题，没有一种方法能够统一、系统地结合极端动态载荷、结构响应、故障机制、标准假设以及新兴的数字孪生或概率框架来评估海上管道。这一空白使得新的综述成为必要，以将不同的进展整合成一个适用于在日益严苛和耦合动态载荷环境下运行的海上管道的连贯的结构完整性评估视角。本文通过研究用于评估受环境和运行动态载荷影响的能源管道结构完整性的实验、理论和数值方法，填补了这一空白。对于石油和天然气行业而言，应对老化的陆上和海上基础设施以及日益增加的运行和环境极端条件是迈向未来韧性能源系统的第一步。因此，这篇全面的综述文章旨在涵盖管道完整性评估的各个方面，重点关注海上和海底能源管道所承受的动态载荷。研究首先进行了数据收集，然后回顾了用于管道完整性评估的实验、理论和数值技术。通过讨论定量比较、局限性、差距和未来趋势，我们提出了未来研究的建议。
数据收集
数据收集
综述方法首先定义了研究范围，并使用与载荷下的管道完整性相关的关键词从Scopus、Web of Science和Google Scholar系统地收集相关文献。搜索范围涵盖了2000年至2025年的同行评审出版物，内容涉及物理测试、基于传感器的监测、冲击和疲劳载荷、腐蚀检测、分析和概率建模、有限元分析（FEA）等。
方法的历史发展
早期的海上管道完整性评估主要依赖于实验和经验方法，通过全尺寸和实验室测试来确定主导的故障机制并在极端载荷下校准保守的设计规则。早期规范以在规定的载荷情况下的管道存活作为完整性的隐含定义，而不是量化故障风险[172,173]。同时，无损检测技术也在不断发展。
实验技术
专注于动态载荷条件的实验研究对于评估管道行为、故障分析和理解实际性能仍然具有不可替代的价值。动态载荷产生的复杂应力-应变历史很难仅通过数学或计算方法完全捕捉。实验室测试提供了关于五个主要因素的宝贵知识：（1）故障起始区域和故障传播路径[56]；（2）数值模型的验证[理论技术
用于预测动态载荷下石油和天然气管道故障的理论模型涉及对管道在各种载荷条件下行为的数学和理论评估，具体内容将在下文介绍。数值技术
本节回顾了用于评估能源管道结构完整性的主要数值技术，包括有限元分析（FEA）、概率方法和机器学习（ML）技术。实际应用和方法选择
清晰理解每种结构完整性评估方法的适用性对于推进能源管道管理的工程实践和未来研究至关重要。表7总结了本研究回顾的核心实验、理论和数值方法，并通过将每种方法与管道生命周期的设计、检测或故障分析阶段相对应，为工程师提供了实用的选择指南，同时突出了关键点。讨论与展望
首先讨论了整合实验、理论和数值技术的整体框架，其中最先进的数字孪生方法处于这些方法整合的最前沿。然后使用标准化指标（如输入、输出、准确性和计算成本）对这些技术进行了跨比较。此外，还识别并讨论了这些方法类别中出现的重点研究差距。
结论
本文综合了评估在极端载荷作用下海上和海洋管道结构完整性的实验、理论和数值方法。通过追踪完整性评估框架的方法演变，并对其性能、不确定性处理和实际可扩展性进行跨比较，本研究阐明了现代管道完整性管理从静态的、特定方法的分析向集成、自适应管理的转变。
CRediT作者贡献声明
阿德希尔·萨瓦里（Ardeshir Savari）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论研究、概念化。哈立德·阿尔纳菲（Khaled Alnefaie）：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。纳林德吉特·辛格·萨瓦兰·辛格（Narinderjit Singh Sawaran Singh）：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
