3.3 疲劳寿命测试与分析技术

         海洋柔性立管和LNG低温软管在服役过程中均会受到上部浮体及海洋环境荷载的作用，使其成为动态管线，在长期服役过程中会出现疲劳损伤。柔性管道的使用寿命要求通常年限较长，在设计阶段必须考虑全生命周期内可能产生的各种失效模式对其的影响。

        海洋柔性立管的疲劳寿命一般是由抗拉铠装层的疲劳寿命决定，而H₂O、CO₂、H₂S、CH₄等小分子会通过聚合物层渗透到环空，同时海水也有可能由于外保护套破裂进入环空，则需要通过实验方式研究碳钢材料在空气、海水、酸性环境下的应力-寿命（S-N）曲线。同时需要对全尺度柔性立管在内部介质腐蚀环境下进行保压及动态疲劳测试，分析疲劳损伤程度，特别是综合考虑碳钢表面出现点蚀或其他局部破坏而带来的应力集中现象，以提高柔性立管疲劳寿命评估的可靠性和准确性。另外，需要开发考虑层间摩擦系数、轴向变形和管道曲率等因素影响的滑移模型，以更好地描述柔性立管的抗拉铠装层间的滑移行为。

        由于在非输送状态下，LNG低温软管会被盘绕至卷盘中，只有在输送过程中需要考虑疲劳问题。为测试其疲劳寿命，需要用液氮在软管内部加压，并在软管端部反复施加正负角位移，进行百万次以上的载荷循环。循环周期、曲率及张力等测试具体条件需要通过服役环境的海况数据以及转驳船舶的水动力响应分析获取。除此之外，还需要考虑热疲劳性能，在反复冷却-加热循环下不会导致软管泄漏。同时，还需要提升软管主体内部的薄膜材料和接头密封区域的抗疲劳性能。在疲劳损伤预测模型方面，则需要量化描述非线性、阻尼、迟滞行为、局部损伤等影响因素，以提升疲劳行为预测的准确性。

3.4 流动安全保障技术

        在深水油气开发中，海洋软管的应用面临着低温环境、海床条件及流动介质成分复杂的挑战。为了确保海洋软管在这些条件下的安全运行，开发可靠的流动安全保障技术尤为重要。

        对于柔性管道的保温层，可以采用玻璃微珠增强的热塑性合成聚丙烯材料，并对其热导率、厚度、比热、密度、力学性能等参数进行设计，以带缠绕的方式布放在抗拉铠装层与外护套之间；也可以开发主动电加热等温度调控系统，使骨架层与抗拉铠装层之间形成电流回路，通过金属层的电阻损耗产生热量，并根据管道温度监测数据和固相沉积物预测结果对管道进行整体或局部加热，以保障流动安全。此外，也可以利用循环热水的方式维持管体内部温度。软管的保温设计方法是保温方式的选择和工程实施的前提，需要考虑层间热阻、截面构型、环空传热特性、内部介质压力及温度变化等多方面因素。治理油气流动保障关键在于预防，可以通过在软管中缠绕光纤，监测管道内部压力和温度的变化，从而确定水合物或石蜡积聚的速率和位置，以便及早发现并利用清管技术进行清除。

        海洋软管内部常具有骨架层，当高速气体通过时会伴有流致振动现象，并带来沿程压力损失。需要开发分析模型预测流致振动的起始流速和泄涡频率，以给出合理化的工程建议。同时，可以研发具有光滑内层表面的软管解决方案，将抗压溃层设计至内部密封层的外侧，或者将骨架层内层增加成型带，使其在缠绕工序之后自然形成一个光滑内表面。

3.5 运行状态监测与检测技术

        对于海洋软管，实时监测能够提供持续的数据流，帮助运营商及时了解软管的健康状态，避免突发性失效。另外，对于不同的潜在失效模式，也可采用现代化的检测技术，在不损坏软管的条件下对其进行评估，以提高检测效率和准确性。

        针对海洋柔性立管疲劳损伤监测问题，可在立管沿轴向方向布放加速度传感器，通过测得的重力加速度在各轴上的分量，计算传感器倾角，进而获得曲率，用于推算疲劳寿命和结构健康状态。针对柔性立管靠近上端部位置的抗拉铠装钢带断裂失效，可以采用电磁应力感应技术进行检测。先对抗拉铠装层进行磁化，再利用铁素体钢的磁导率会随着机械应力变化而变化的原理，如果内部介质压力发生变化，抗拉铠装带应有应力变化；如果内部介质压力没有变化，则说明该钢带有可能已经断裂。随着深度学习等人工智能算法在海洋工程领域的应用日益广泛，基于有限元分析及人工神经网络方法相结合的数字孪生技术也可用于柔性立管抗拉铠装层疲劳损伤的监测，其将海洋环境条件、船舶运动及立管运动监测数据作为输入数据，通过训练模型直接用于预测累计疲劳损伤，可显著提高分析效率。

        针对不同结构形式的海洋低温软管承载层的监测，可以利用转驳过程整体水动力学分析和该层局部有限元分析相结合的方式，验证力学模型控制方程的有效范围，从而提出监测参数以实时获取管道曲率、轴向力及应力热点等结果。

4.发展建议

    （1）深入研究海洋软管的结构与施工设计，推动技术革新。结合国家的海洋强国与科技强国战略，制定海洋软管设计基础研究与技术发展的总体规划。充分利用高校和科研机构在理论研究和基础研究方面的优势，与工程实践经验丰富的关键企业合作，推动海洋软管的产-学-研-用创新链条，实现海洋软管设计理论与技术的全面进步。

    （2）制定海洋软管示范线路建设的整体规划，推动国产化超深水海洋软管示范工程建设。选取各种工程背景下的海洋软管设计与应用基础较好的企业作为示范工程建设试点，建设国产化海洋软管示范工程，持续推进海洋软管应用技术试验平台、实时动态监测技术和体系化海洋软管施工准则的构建，创建世界上最为完备的海洋软管全场景体系化动力学试验链。

    （3）推动海洋软管设计与施工标准体系建设，掌握国际海洋软管应用技术指标体系话语权。强化海洋软管动力学与控制工程的交叉融合，从深水服役环境的角度进行多层次研究，提出海洋软管的动力学试验技术、性能评估指标、关键参数等海洋软管设计相关技术标准体系。

5.结束语

        在中国经济的快速增长和海洋强国战略的持续推进下，中国海洋软管应用技术已迈入技术攻坚的“深水区”。为了在更深远的海域油气资源开发中实现海洋软管的国产化生产与应用，必须攻克当前面临的发展瓶颈，在现有的海洋软管应用理论和技术研究的基础上，出台一系列政策措施，以促进海洋软管的国产化设计、生产、加工、应用、出口和运维。同时，鼓励国内企业和制造商建立一个全流程、全场景的海洋软管性能与参数匹配正向设计体系。此外，需要打破海洋软管领域研发、生产与工程应用之间的界限，通过有序的产业链变革，加强各方的联系与合作。这将为海洋软管技术在深远海油气资源开发中的应用提供坚实的支撑，推动中国海洋软管应用技术向更高水平发展。