深海油气采输结构损伤演化机理与安全寿命评估

内容简介

作为世界上优选的能源消费国，我国能源问题日渐突出。为保证稳定的能源供应，坚持可持续发展战略， 我国正加快深海开发步伐。在深海油气资源的开发利用中，浮式平台扮演着无可替代的重要角色。在风、浪、流等海洋环境载荷的作用下，浮体将会产生多种运动及动力响应，尤其是在特别载荷下，加剧了其发生结构破坏失效的可能性。鲁棒性是一种衡量结构抵抗连锁破坏能力的指标，可以用“偶然事件”、“局部损伤”、“不成比例破坏”和“失效后果”等四个关键词概括这种结构性质的内涵。随着深海工程技术水平和安全标准的不断提高，常规失效模式引起的结构事故越来越少，而新近发生的案例，多是由不可预见的、偶然发生的特别灾害引发的，同时表现出了结构设计鲁棒性的不足。例如，2005年“台风”号TLP在飓风Rita的作用下整个上部模块接近倾覆，2010年美国“深水地平线”平台垮塌事故，2015年美国雪弗龙公司“大脚怪”号扩展式TLP在墨西哥湾发生筋腱脱落。这些失效损失与起初诱因之间极不成比例的结构鲁棒性问题，具有巨大的潜在危险隐患。深海海底管道及立管是油气输送的主要途径，随着水深的逐步增加，深海油气输送结构占比工程投资比重越来越大，其一旦失效将带来不可挽回的损失。随着新材料和涂层的使用，外腐蚀引起的深海油气输送管道腐蚀失效越来越少，但内部腐蚀依然尚未解决。这主要是由于管道内部环境比外部环境复杂的多：原油开采中往往混杂大量的酸性气体（CO2，H2S），水、沥青和固体砂粒，属于多相流动，多相流导致不利的条件（高剪切应力和固体颗粒效应）严重影响生产率，由此造成的侵蚀-腐蚀（E-C）是深海管道失效的主要诱因，探究E-C的损伤演化规律及其对深海管道极限承载力的影响是深海技术亟需突破的瓶颈之一。海洋结构物在实际工况中往往由于风浪流的影响导致结构长期承受交变载荷。在交变载荷作用下关键部位（应力集中的部位）往往发生疲劳破坏。在腐蚀环境中力学作用和化学作用总是相互耦合的，实际工程构件（如立管、张力筋腱、海洋风机支撑结构）的失效模式往往是腐蚀疲劳，这可能导致显著的结构损伤，减少使用寿命。腐蚀疲劳是一种失效机制，它是由于材料的电化学相互作用的本质，以及腐蚀疲劳过程中涉及的环境和大量相关变量相互作用而产生的，目前国内外尚未接近理解。由于影响腐蚀疲劳的因素很多，到目前为止仍没有较完善的能解释腐蚀疲劳机理的理论。水下结构往往长期作业于腐蚀环境，且往往承受复杂特别载荷的长期作用，因此降低疲劳腐蚀对深海油气采输结构的影响，提高其安全可靠性也是深海技术亟需突破的瓶颈之一。此外，结构的部分损伤对深海油气采输系统安全性构成潜在威胁，甚至酿成重大的灾难性事件，近十年国内外学者一直致力于寻找一种能适用于复杂结构的整体损伤评估方法，相关研究仍然处于初级阶段，成果还多集中于简单的平面杆、梁、板结构，对于其他结构的研究较少，损伤识别的算法仍有改进的空间，很少有将类似方法应用在海洋油气管道的损伤识别上的相关研究。目前我国油气管道在渤海、南海等海域已经达近10万km，早期铺设的管道在各种环境载荷的影响下会出现各种各样的损伤、缺陷，亟需一套损伤识别检测方法，对于现役的油气管道进行评估，为后期的维修、替换提供依据。