交变载荷下悬跨双金属复合管安全评估分析

齐昌鑫，周传喜，管锋，朱恩成，陈义洪（长江大学机械工程学院）

摘要：双金属复合管（简称复合管） 铺设于海床时，管道在波流冲刷、地形变化及内应力作用下易形成悬跨段。而海流等交变载荷会诱发管道悬跨段持续振动，长期作用下可能导致结构疲劳甚至破坏，严重威胁管道的安全稳定运行。为此，基于有限元软件建立了复合管的成形模型，并验证了模型的有效性；研究了不同边界条件、海流流速及悬跨长度等关键参数对悬跨复合管力学行为的影响，重点分析了内管Mises应力分布及内外管间残余接触压力的变化规律；从应力水平和界面结合状态2个层面，对悬跨复合管的结构安全性进行了评估。研究结果表明：悬跨复合管内管的最大Mises应力与层间残余接触压力受边界条件与悬跨长度影响显著，随悬跨增长呈非线性变化；海流等交变载荷会引起二者波动，流速越高波动幅值越大，长期作用易导致内管疲劳及层间结合力减小，危及管道安全；在最大流速工况下，悬跨长度较短时使用最大Mises应力作为评估指标，悬跨长度较长时则更适合以残余接触压力作为评估指标。综合而言，使用层间残余接触压力评估复合管悬跨段在交变载荷作用下的安全性更为合适。所得研究结果可为悬跨复合管安全评估提供依据。

关键词：海底输油气管道；双金属复合管；悬跨；波流载荷；Mises应力；残余接触压力；安全性评估