2.2 海洋柔性立管

1）超深水海洋柔性立管腐蚀渗透风险高

目前，许多传统复合材料对H₂S和CO₂极为敏感，它们在耐腐蚀性和抗氢脆性方面的表现并不理想，亟须开发新型耐腐蚀材料。这些材料不仅要能够抵御H₂S和CO₂的侵蚀，还要具备足够的强度和韧性。在数值模拟方面，目前预测海洋柔性立管腐蚀速率的模型尚不完善，未能充分考虑气体渗透和微生物腐蚀效应的影响，亟须开发更为先进的建模工具，以便更精确地预测腐蚀行为，从而优化立管的设计和操作条件，有效减轻腐蚀风险。

2）超深水服役环境下海洋柔性立管线型设计难

超深水环境下，柔性立管重量显著增加，顶端和下部海床触底点处的疲劳损伤加剧，需要通过合理的构型设计降低其损伤程度。柔性立管的线型设计是一个复杂且多学科交叉的过程，需要综合考虑立管在安装和服役过程中所承受的各种荷载和环境因素。这些因素包括材料和几何非线性、波浪和海流作用、内部多相介质流动、与海床和浮式平台的相互作用等，都对有限元分析模型的准确性提出了挑战。另外，构型设计不仅需要满足技术要求，还要在经济上可行，在成本与性能之间找到平衡，并考虑实际的施工和维护可行性。

3）海洋柔性立管运行状态监测困难

海洋柔性立管监测系统需要具有实时性，能够及时捕捉和传输立管的动态变化信息，以便及时预警和采取措施。因此需要开发可靠的预警算法，能够根据监测数据预测可能的风险，如疲劳损伤、过度振动等。海洋柔性立管的长度决定了传感器需要在多个关键位置进行布置，以捕捉全面的动态信息，这需要精确的布置方案和安装技术。海洋环境中的传感器需要具有高可靠性和耐用性，能够长期工作在恶劣条件下，且维护和更换难度大。海底数据传输面临信号衰减和干扰问题，尤其是在深海环境中，长距离数据传输需要稳定和高效的解决方案。另外，实时监测数据量大，需要高效的数据处理和分析方法，以及时识别海洋柔性立管的动态行为和潜在风险。

2.3 LNG低温软管

1）多载荷耦合下的LNG低温软管非线性屈曲失效分析难

屈曲失稳是LNG低温软管最为主要的失效模式之一，一旦管道结构发生屈曲失稳将直接影响LNG输送系统的安全，因此需要重点对LNG低温软管薄壁结构开展屈曲失稳分析。然而，LNG低温软管在实际工程应用中需承受较为恶劣的外部环境条件，如强烈的风浪、洋流和船体运动等多重荷载。为保证LNG低温软管在实际工程应用的安全性，基于多载荷耦合的非线性屈曲失效分析还需重点研究。通过对低温内流环境的构建，在原型样管上开展多载荷耦合的极限工况加载测试，验证结构设计及加工工艺的准确性及稳定性。目前，中国海油已联合高校搭建国内首套极端条件下的全性能全尺寸的综合性能测试平台，但对于多载荷耦合的极限工况加载测试及性能验证试验仍在探索过程中。

2）LNG低温软管整体水动力优化经验不足

LNG低温软管在海洋环境中服役时，会受到海洋洋流、风浪、两船相对运动等因素的影响，导致其产生横荡、垂荡和横摇等运动。这些运动会对软管的平面静平衡位置稳定性造成影响，进而引起软管振动。这种振动不仅影响LNG的传输效率，还可能导致软管端部连接处的松动，增加LNG泄漏的风险。因此，深入分析LNG低温软管的动力学特性对于指导软管结构设计的优化至关重要。软管的整体长度设计必须兼顾外输点间的最大运动距离和软管本身的承受能力，将整体水动力结果与多载荷耦合下的屈曲失效分析结果相结合，得到软管整体线型布置结果，保证在复杂海况下输送过程的稳定性和安全性。

3）LNG低温软管疲劳失效模型亟待突破

LNG低温软管作为海洋天然气开采和运输的关键设备，由于其应用场景及运营条件的要求，LNG低温软管在服役期内经历近千次周期性的温度循环、压力循环、收放操作等载荷变化，同时还要考虑海洋环境及船体运动等边界条件，因此LNG低温软管疲劳失效模型极为复杂。首先，需基于LNG低温管道布置方式，考虑边界条件及风、浪、流等环境条件作用下的复杂荷载工况，对管道整体线型进行分析，获得在各种海洋环境组合工况下的LNG低温软管的载荷时程曲线；其次，需结合超低温材料试件实验，通过局部理论模型转换为LNG低温软管的应力时程曲线，基于累计损伤准则计算低温软管疲劳寿命，结合原型疲劳试验的结果验证，进而得到疲劳失效模型。因此，如何准确预测LNG低温软管疲劳寿命，如何通过材料优选、设计优化、加工调整、线型布置等方式实现LNG低温软管的延寿，仍是实现工业化应用亟待突破的重要问题。未来将通过这些综合性的研究和开发工作，设计并制造出能够适应各种极端海洋环境挑战的LNG低温软管，为LNG的安全高效输运提供坚实的技术保障。

3. 海洋软管应用技术发展趋势

3.1 屈曲理论研究与防治技术

由于低弯曲刚度、高轴向膨胀系数，海底软管易发生屈曲破坏。海底软管一旦发生屈曲失效，可能导致管道破裂或变形，进而引发严重的环境污染和经济损失。目前，避免屈曲的设计方法和原理多针对海底钢管，亟待构建适当的屈曲理论与防治技术，以有效预测和防止这种失效模式的发生。

海底软管柔韧性强，在压缩荷载下会受不直度初始缺陷的影响而诱发屈曲，其力学特性具有高度非线性，并依赖于层间相互作用。层间滑移前，海底软管的弯曲刚度主要由抗拉铠装钢丝决定；滑移后，弯曲刚度主要受外护套的弯曲刚度影响，同时弯曲刚度还与内压、水深及环空状况有关。需要开发海底软管的非线性有限元分析工具，以模拟管道的屈曲行为。针对海底软管径向屈曲问题，可以将抗屈曲带缠绕在抗拉铠装层外侧，以抵抗安装或在役期间拉伸铠装层径向膨胀载荷。对于抗屈曲带，需要选择合适的聚酯纤维增强材料，通过老化、静载、抗折、耐温及耐久性等测试，确定其应用范围。对于目前海底软管屈曲预测模型的缺乏，也可通过数值模型与实验手段相结合的方式，获取失效载荷，通过机器学习算法，获得简易实用的经验设计公式。

3.2 海洋软管结构设计与优化技术

设计方法、分析工具以及现场实际经验的提升，推动了海洋软管结构设计与优化技术的发展，缩短了设计周期，减少了项目实施过程中的不确定性和风险，并有效降低了投资成本。

深海油气藏中溶解的酸性气体对管道的渗透与腐蚀问题一直受到广泛的关注。为了控制海洋柔性立管的H₂S和CO₂气体渗透问题，亟须开发新型的耐腐蚀材料，并建立柔性立管内部水密层酸性气体的渗透模型。另外，随着水深增大，立管自重急剧增加，可以采用碳纤维复合材料（CFRP）对抗拉铠装层钢加以替换，其密度仅为传统钢材的20%，具有良好的强度-重量比、高抗腐蚀性和耐疲劳性。面对风浪、洋流和船体运动等自然因素的影响，可以借助全尺寸试验、理论模型和数值模拟等方法，全面研究海洋软管在拉伸、弯曲、扭转及疲劳等力学特性方面的响应。这些研究有助于优化海洋软管的整体结构设计，以适应各种极端工况的要求。对于LNG软管而言，制造工艺必须考虑低温、高压及复杂海洋环境的影响，以确保海洋软管在长期运行中维持稳定的结构和性能。在材料选择上，应优先考虑即使在极端低温条件下也能保持良好力学性能和稳定性的材料，这包括良好的低温抗冲击性、耐腐蚀性和高强度等特性。