1.2 海洋柔性立管

海洋柔性立管是采用多层结构，由多种防腐和耐压材料构建而成的深水油气开发装备。立管的内衬层会特别选用耐腐蚀性能优异的材料，如聚乙烯或聚四氟乙烯等，以抵御输送介质可能引起的腐蚀，确保管道的长期稳定运行和系统的可靠性。增强层由高强度钢丝或纤维缠绕而成，提供抗压强度。外护套层保护软管免受外部损伤和腐蚀，材料如聚氨酯或聚乙烯。海洋柔性立管按照增强层与内衬层及外护套层之间的粘接状态，可分为两大主要类型。第一类是非粘接柔性软管，其增强层并未与内衬层和外护套层粘接，这种设计允许立管在弯曲时各层之间能够相对滑动，从而提高了管道的柔韧性和适应水下多变载荷的能力。第二类是粘接柔性软管，其增强层与内衬层和外护套层紧密粘接，形成一个整体。这种结构增强了管道的抗压强度和抗疲劳性能，显著提升了管道的使用寿命和可靠性。

非粘接柔性软管在制造过程中，采用金属层与聚合物材料复合而成，各层之间允许有相对的位移，这种设计赋予了管道优异的适应性，能够灵活应对复杂的海底环境和动态变化。相对而言，粘接柔性软管则通过特殊的材料将内层和外层直接粘接成一个坚固的管壁结构，从而提供了更高的强度和耐久性。这种设计特别适用于对强度要求更高或在特殊环境下施工的工程项目。Kongsberg Offshore公司开发的先进非粘接柔性软管技术专为海底油气生产量身定制。这些管道由多层钢丝绳套管和高性能的防腐、抗压材料构成，设计精良，能够在深海的高压和恶劣海洋环境中稳定运行。

当前，海洋非粘接柔性软管的研究重点集中在整体系统中连接附件对软管寿命和疲劳行为的影响。由于管道内部的结构层由不同材料构成，这些材料在力学性能和热力学属性上存在显著差异。经过长时间的运行，这些结构层可能会出现不同程度的损伤和失效，这会严重影响软管的承载能力和预期使用寿命。TechnipFMC公司研发了FRL17、FRL22和FRL27系列非粘接柔性软管，其柔性软管产品已经应用于多个深海油气项目，包括为巴西卡拉波油田提供了10条非粘接柔性软管，用于将油气从海底井口输送至浮式生产储卸油船。在墨西哥坎塔雷尔油田应用了12条非粘接柔性软管，用于将油气从海底井口输送至陆上加工设施。

为应对非粘接柔性软管在深水及超深水油气田开发中可能遭遇的腐蚀和疲劳失效等挑战，粘接柔性软管应运而生。粘接柔性软管与非粘接柔性软管在结构上具有相似之处，它们都由多层结构组成，包括骨架层、橡胶缓冲层、增强层及端部连接结构。然而，两者之间的根本区别在于，粘接柔性软管在制造过程中，通过物理挤压和硫化工艺确保各层之间实现紧密粘接，从而在作业状态下避免了层与层之间的相对位移，使得粘接柔性软管在承受动态载荷和复杂海底环境时，不仅提升了管道的抗腐蚀能力，还有助于减少疲劳失效的风险，更适应深水海域石油开采的恶劣环境。Strohm公司是粘接柔性软管的开拓者，研发了适用于不同需求的GL-PE、CL-PA12和CL-PVDF管道，以灵活的材料组合实现了生产需求和成本控制的双重目标。

尽管粘接柔性软管在结构上相对简单，但当深入考量其适用环境、安全性能以及智能化系统等关键因素时，可以发现其背后的核心技术仍需持续深入研发和掌握。目前，中国已有若干企业，如无棣海忠软管制造有限公司和河北恒安泰油管有限公司等，具备了粘接柔性软管的制造能力。然而，目前国内生产的海洋软管应用水深局限于500 m以下，抗外压能力4.0 MPa，抗拉强度60 t，主要应用于浅海区域，其强度和结构设计尚未达到深水油气外输所需的标准。

1.3 LNG低温软管

随着全球对清洁能源需求的日益增长，LNG作为一种高效、环保的能源形式，在运输和分发过程中的稳定性和安全性变得尤为关键。为此，具备优良柔韧性和耐低温性能的软管至关重要，以确保在-162 ℃的极端低温条件下，实现LNG的安全稳定输运。LNG低温软管不仅是清洁能源广泛应用的重要技术基础，也是推动中国能源产业转型升级和海洋油气开发的关键领域。然而，LNG低温软管的设计构造十分复杂，它长期承受着低温介质的影响以及海上风浪等多重荷载的作用。软管一旦遭受结构性损害，可能导致严重的泄漏事故。因此，LNG软管在超低温环境下的力学性能对其安全运行至关重要。根据不同应用场景的需求，LNG低温软管主要分为悬跨式和漂浮式两种类型（图3），每种形式都针对特定的使用条件进行了优化设计，以满足LNG安全、高效运输的需求。

悬跨式LNG低温软管主要应用于船对船的LNG过驳作业以及近岸LNG传输系统。随着“绿色航运”政策的推动，船舶行业正经历着从燃油向天然气的转型，这一转变促进了悬跨式LNG低温软管的广泛应用。该软管在燃料充装量和充装速度方面展现出显著的灵活性，满足了实际工程的需求。为了解决LNG低温软管在海上作业时可能遇到的晃动问题，从而延长其使用寿命，Gutteling B.V.公司采取了创新的解决方案。该公司在软管的内衬套中引入了超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）膜。这一材料以其卓越的机械强度和耐磨性而著称，有效提升了软管的整体性能和耐久性。通过这种设计，悬挂式LNG低温软管能够更好地适应海上作业环境，为船舶提供更加安全、高效的LNG加注服务。截至2022年底，相关船舶所搭载的悬跨式LNG低温软管均由外国公司生产。中国的悬跨式LNG低温软管技术正处于快速发展的初期阶段，并已取得了显著的研究进展。中国海洋石油集团有限公司（简称中国海油）在这一领域取得了突破性成果，成功研发了203.2 mm（8英寸）的悬跨式LNG低温软管及其配套设备。这一成就标志着中国在LNG低温软管技术领域迈出了坚实的步伐。2023年，中国海油将这一自主研发的软管系统成功配置于海洋石油301加注船，这不仅是国产LNG低温软管的首次工程应用，也是中国在LNG加注技术自主化道路上的重要里程碑。这一进展不仅展示了中国在LNG低温软管领域的技术实力，也为推动国内清洁能源的广泛应用和能源产业的转型升级作出了积极贡献。

漂浮式LNG低温软管适用于LNG串靠卸料方式，在两个船体之间处于漂浮状态，是FLNG与LNG船之间远距离输送的关键核心装备。自2000年以来，国外少数公司，如TechnipFMC、Nexans、Trelleborg、Dunlop已开始研制该类型低温软管，并长期垄断相关核心技术。为应对恶劣海况下的LNG卸载要求，荷兰SBM Offshore公司生产的LNG漂浮式低温复合软管（COOLTM）提出了“管中管”概念，极大增强了软管整体的保温和抗疲劳能力。尽管目前国际上尚无海况恶劣的气田需要采用FLNG串靠卸料方式，但漂浮式LNG低温软管的环境适配性和操作灵活性可极大提高中国南海边际气田开发的操作窗口期和FLNG工作天数，实现海上油气田开发的降本增效。为解决国外公司对中国的技术封锁，中国海油建立了超低温复合软管多层结构与整体线型集成的多尺度分析和优化设计理论，完成了8英寸漂浮式LNG低温软管试制及工业化测试。这标志着中国具备了LNG低温软管输送系统成套研制能力，为低温动态柔性复合管道装备系统总成及工程应用奠定了基础，打破了国外的技术垄断。

2. 海洋软管应用技术面临的挑战

2.1 海底软管

1）屈曲分析准确度不足且防治困难

在深水油气的输送过程中，普遍采用高温高压的方式，其中最高温度可达177℃，最高压力可达70 MPa。此外，由于海底水温通常较低（3~5℃），在管道的沿程约束下，温度变化引起的热载荷会导致温度应力的累积。现有的计算方法难以实现在任意连接间距下的温度应力计算，这给内外管锚固连接间距的设计带来了不小的挑战。除了高温管道的温度应力计算难题外，管道铺设时的不直度及侧向约束的非线性特性，进一步增加了高温管道屈曲分析的复杂性。许多抗屈曲设计和解决方案致力于通过引发多数量、长波长、低幅度的轻微屈曲来释放管道内的轴向力，以防止局部管道发生剧烈且破坏性的屈曲。尽管这些方法在理论上具有可行性，但在实际管道工程的实施过程中，如何确定管道可接受的屈曲程度、屈曲后轴向力的适当释放量，以及确保管道各屈曲部分之间稳定性，避免屈曲汇合和模态跃迁，仍是防治屈曲时需克服的难题。

2）管-土相互作用理论尚不完善

管-土相互作用领域仍存在许多待研究的问题，土体力学行为的本构模型、土体与管道的耦合作用特征、孔隙水压力变化对管道稳定性的影响，以及土体进入塑性状态的破坏机制等问题有待进一步解决。由于管-土相互作用可能引发的土体破坏、土拱效应的演变等复杂力学过程，管-土相互作用模型的建立面临相当大的挑战。在不同管重、管径、埋入深度等条件下，土体的行为不能简单地被视为刚体，也不能仅用库伦摩擦模型来描述。需要综合考虑土体的破坏模式、土拱效应的演变、固结效应、剪切强度的变化等多重因素的影响。

3）超深水环境下管道保温手段面临技术瓶颈

对于长距离回接的深水输油管道，特别是当输送的油品中蜡质含量较高时，在外界的低温条件影响下，难免会在管道内壁出现析蜡现象。如果输送的是天然气或油气两相流，还会有水合物的形成，进而导致管道的堵塞。目前，工程上采取了多种管道保温手段，经验表明，被动保温措施的效果并不理想，需要一定的主动加热措施来防止析蜡与水合物的形成。然而，传统的热流体伴热技术存在加热效率不高的问题，难以满足长输管道的加热需求；间接电伴热技术则要求在管道铺设前安装加热设备，这并不适用于已经投产的管道。目前，中国在深海油气田的自主开发尚处于初期阶段，对于海底长输管道电加热技术的研究还不够充分，尤其是考虑管道内部可能存在的热源，其传热特性的研究尤为重要。