在多轴载荷作用下，管接头整体的结构完整性：对接接头与中间接头的对比评估

《Ocean Engineering》：Structural integrity of pipe-joint entirety under multi-axial loading: Comparative assessment of butt-joints and mid-joints

钢带增强热塑性管道（SSRTP）对接接头和中段接头在组合载荷（扭转、轴向拉力、内压）下的机械行为与失效机制研究。通过ABAQUS有限元模型模拟和实验验证，揭示了两种接头在多轴载荷下的差异：对接接头结构稳定性与密封性更优，而中段接头密封退化更早且对多轴交互作用更敏感。构建了失效包络图，为评估接头可靠性提供量化依据。

　　在现代能源系统中，柔性管道扮演着至关重要的角色，特别是在海洋能源开发领域。这些管道不仅承担着输送各种流体的任务，还必须在复杂的多轴向载荷条件下保持结构稳定性和密封性。然而，尽管柔性管道在实际应用中表现出良好的适应性和可靠性，其在多轴向载荷下的结构性能和失效机制仍存在许多未解之谜。因此，针对钢带增强热塑性管道（SSRTPs）的连接部位——即端接接头（butt-joints）和中间接头（mid-joints）——进行系统研究，对于提升海洋能源系统的安全性和经济性具有重要意义。

柔性管道的结构设计通常包含多层复合材料，以实现机械强度、抗腐蚀性、高压力承载能力、密封性和灵活性等综合性能。其中，SSRTPs是一种经济高效的柔性管道类型，其核心结构由内层和外层热塑性材料构成，并在两者之间缠绕钢带作为主要的承载构件。钢带的缠绕角度和密度直接影响管道的力学性能，同时，外层材料如高密度聚乙烯（HDPE）则为管道提供了额外的机械保护和化学稳定性。这种设计使得SSRTPs能够在海洋环境中承受各种复杂载荷，包括内部压力、轴向拉伸和扭矩等。然而，在实际应用中，这些载荷往往是同时作用的，因此需要对管道在多轴向载荷下的行为进行全面分析。

在海洋工程实践中，管道的连接部位通常是结构性能最薄弱的区域。无论是端接接头还是中间接头，其设计和制造都必须确保在极端工况下仍能维持足够的强度和密封性。然而，由于这些接头在结构上与管道主体存在一定的差异，例如材料分布、几何形状以及制造工艺的不同，它们在多轴向载荷下的响应可能与管道主体显著不同。因此，研究这些接头在复杂载荷下的行为，不仅有助于优化管道的整体设计，还能为工程实践提供更可靠的理论依据。

当前，针对柔性管道在多轴向载荷下的研究主要集中在单一载荷条件下的行为分析，例如纯拉伸、纯扭矩或纯内部压力。然而，这些研究往往忽略了载荷之间的相互作用，导致对管道在真实工况下的性能评估不够全面。特别是在海洋环境中，管道在安装和运行过程中不可避免地会经历多种载荷的叠加，如内部压力、轴向拉伸和扭矩的共同作用。这种多轴向载荷的复杂性使得传统的单一载荷分析方法难以准确预测管道的失效模式和承载能力。因此，有必要对柔性管道在多轴向载荷下的行为进行系统研究，以弥补现有研究的不足。

本研究采用数值模拟与实验测试相结合的方法，对SSRTPs的端接接头和中间接头在多轴向载荷下的机械行为和失效机制进行了深入探讨。通过在ABAQUS软件中建立一个全面的有限元模型，研究团队能够模拟管道在内部压力、轴向拉伸和扭矩共同作用下的响应，从而识别出不同的失效模式、载荷相互作用效应以及对应的失效阈值。此外，实验测试也在特定的载荷组合下进行，以验证接头的完整性并支持数值分析的结果。这些研究不仅提供了对SSRTPs在复杂载荷下行为的直观理解，还为评估接头的可靠性提供了量化依据。

在实验测试过程中，研究人员特别关注了端接接头和中间接头的结构差异。端接接头通常用于将管道与固定设施连接，如海底设备、海底地面或浮动平台，因此其设计需要满足更高的密封性和结构强度要求。相比之下，中间接头主要用于连接相邻的管道段，以确保整个管道系统的连续性和流体传输的完整性。这两种接头在实际应用中各有其特点和挑战，尤其是在面对多轴向载荷时，其失效模式和承载能力可能表现出显著差异。研究发现，端接接头在更宽泛和平衡的载荷范围内能够维持结构和密封的稳定性，而中间接头则更容易出现密封性能的退化，并且对多轴向载荷的相互作用更加敏感。

除了结构性能外，密封性也是柔性管道连接部位设计的关键因素之一。在海洋环境中，管道可能会经历复杂的动态载荷，如水流冲击、海流波动以及平台运动等，这些因素都可能对管道的密封性造成影响。因此，确保接头在各种载荷条件下的密封性能，是提高整个管道系统安全性的核心问题。研究团队通过实验测试和数值模拟，对两种接头在不同载荷组合下的密封性能进行了评估，发现中间接头在密封性能方面存在较大的挑战，特别是在扭矩和内部压力共同作用的情况下，其密封性能可能受到更显著的影响。

此外，研究还揭示了多轴向载荷对管道整体行为的影响。在实际应用中，内部压力、轴向拉伸和扭矩往往同时作用于管道，这种复杂的载荷组合使得管道的响应更加难以预测。通过数值模拟，研究团队能够观察到不同载荷组合下管道的局部应力分布和变形情况，从而更准确地识别出潜在的失效区域。这些结果不仅有助于优化管道的设计，还能为工程实践中常见的接头失效问题提供解决方案。

为了进一步提高对SSRTPs接头行为的理解，研究团队还构建了一个失效包络线，用于映射管道在多轴向载荷下的安全和临界区域。这一失效包络线为评估接头的可靠性提供了直观的参考，同时也为未来的研究和工程设计提供了理论支持。通过结合实验测试和数值模拟的结果，研究团队能够更全面地理解管道在不同载荷条件下的行为，从而为改进接头设计和提高管道系统的安全性提供依据。

在实际工程应用中，管道连接部位的设计和制造需要考虑多种因素，包括材料选择、几何形状、制造工艺以及载荷条件等。例如，端接接头通常采用机械连接方式，以确保其在安装过程中的稳定性和密封性。这种连接方式的优势在于其制造过程相对简单，安装方便，并且在一定程度上降低了泄漏的风险。相比之下，中间接头的设计可能更加复杂，需要在确保结构连续性的同时，兼顾密封性和承载能力。因此，研究团队在实验中采用了多种连接方式，并对不同连接方式下的管道性能进行了对比分析。

研究还发现，不同载荷组合下，管道的失效模式可能存在显著差异。例如，在纯拉伸或纯内部压力作用下，管道的失效通常表现为层间剥离或材料破裂，而在扭矩作用下，失效可能更多地集中在钢带增强层的剪切变形上。当这些载荷同时作用时，管道的失效模式可能会更加复杂，甚至出现非线性行为，如“鸟笼效应”等。这些现象表明，多轴向载荷下的管道行为不仅受到单一载荷的影响，还可能引发一系列复杂的相互作用效应，从而对管道的整体性能产生深远影响。

为了应对这些挑战，研究团队在数值模拟中引入了多种分析方法，以更准确地捕捉管道在多轴向载荷下的响应。这些方法包括考虑层间摩擦效应的非线性分析、基于材料塑性特性的理论模型以及对不同载荷组合下的应力分布进行详细模拟等。通过这些分析手段，研究人员能够更全面地理解管道在不同工况下的行为，并为未来的设计优化提供理论支持。

本研究的实验部分同样采用了多种测试方法，以确保测试结果的准确性和可靠性。例如，在模拟内部压力、轴向拉伸和扭矩共同作用的情况下，研究人员采用了专门设计的实验装置，以尽可能地复现实际工况。此外，实验过程中还对不同载荷组合下的管道性能进行了详细记录，包括应力分布、变形模式以及密封性能的变化等。这些实验数据不仅为数值模拟提供了验证依据，还为管道在实际应用中的性能评估提供了重要参考。

通过本研究，研究人员不仅揭示了SSRTPs在多轴向载荷下的行为特征，还为未来的研究和工程实践提供了新的思路和方法。例如，针对中间接头在多轴向载荷下的敏感性，研究团队提出了优化设计的建议，以提高其在复杂工况下的承载能力和密封性能。同时，对于端接接头的广泛适用性和稳定性，研究团队也进行了深入分析，并探讨了其在不同工况下的表现。这些研究成果对于提升海洋能源系统的安全性和经济性具有重要意义。

此外，本研究还强调了对管道连接部位进行系统研究的重要性。在实际工程中，管道的连接部位往往成为结构失效的关键区域，因此，只有通过对这些部位的深入研究，才能全面评估管道系统的整体性能。当前的研究主要集中在端接接头，而对中间接头的研究相对较少，这可能与中间接头在实际应用中的复杂性和重要性有关。因此，未来的研究应进一步关注中间接头在多轴向载荷下的行为，以期为海洋能源系统的可靠性提供更全面的保障。

总的来说，本研究通过对SSRTPs端接接头和中间接头在多轴向载荷下的行为进行系统分析，揭示了这两种接头在不同载荷组合下的响应差异。研究结果表明，端接接头在更广泛的载荷范围内能够维持结构和密封的稳定性，而中间接头则更容易受到多轴向载荷的相互作用影响，表现出更早的密封退化和更高的敏感性。这些发现不仅为柔性管道的设计和优化提供了重要依据，也为未来的研究和工程实践指明了方向。通过结合数值模拟和实验测试，研究团队能够更准确地预测管道在复杂工况下的行为，从而为提升海洋能源系统的安全性和经济性做出贡献。