深海油氣采輸結構損傷演化機理與安全壽命評估 內容簡介

作為世界上優選的能源消費國，我國能源問題日漸突出。為保證穩定的能源供應，堅持可持續發展戰略， 我國正加快深海開發步伐。在深海油氣資源的開發利用中，浮式平臺扮演著無可替代的重要角色。在風、浪、流等海洋環境載荷的作用下，浮體將會產生多種運動及動力響應，尤其是在特別載荷下，加劇了其發生結構破壞失效的可能性。魯棒性是一種衡量結構抵抗連鎖破壞能力的指標，可以用“偶然事件”、“局部損傷”、“不成比例破壞”和“失效后果”等四個關鍵詞概括這種結構性質的內涵。隨著深海工程技術水平和安全標準的不斷提高，常規失效模式引起的結構事故越來越少，而新近發生的案例，多是由不可預見的、偶然發生的特別災害引發的，同時表現出了結構設計魯棒性的不足。例如，2005年“臺風”號TLP在颶風Rita的作用下整個上部模塊接近傾覆，2010年美國“深水地平線”平臺垮塌事故，2015年美國雪弗龍公司“大腳怪”號擴展式TLP在墨西哥灣發生筋腱脫落。這些失效損失與起初誘因之間極不成比例的結構魯棒性問題，具有巨大的潛在危險隱患。深海海底管道及立管是油氣輸送的主要途徑，隨著水深的逐步增加，深海油氣輸送結構占比工程投資比重越來越大，其一旦失效將帶來不可挽回的損失。隨著新材料和涂層的使用，外腐蝕引起的深海油氣輸送管道腐蝕失效越來越少，但內部腐蝕依然尚未解決。這主要是由于管道內部環境比外部環境復雜的多：原油開采中往往混雜大量的酸性氣體（CO2，H2S），水、瀝青和固體砂粒，屬于多相流動，多相流導致不利的條件（高剪切應力和固體顆粒效應）嚴重影響生產率，由此造成的侵蝕-腐蝕（E-C）是深海管道失效的主要誘因，探究E-C的損傷演化規律及其對深海管道極限承載力的影響是深海技術亟需突破的瓶頸之一。海洋結構物在實際工況中往往由于風浪流的影響導致結構長期承受交變載荷。在交變載荷作用下關鍵部位（應力集中的部位）往往發生疲勞破壞。在腐蝕環境中力學作用和化學作用總是相互耦合的，實際工程構件（如立管、張力筋腱、海洋風機支撐結構）的失效模式往往是腐蝕疲勞，這可能導致顯著的結構損傷，減少使用壽命。腐蝕疲勞是一種失效機制，它是由于材料的電化學相互作用的本質，以及腐蝕疲勞過程中涉及的環境和大量相關變量相互作用而產生的，目前國內外尚未接近理解。由于影響腐蝕疲勞的因素很多，到目前為止仍沒有較完善的能解釋腐蝕疲勞機理的理論。水下結構往往長期作業于腐蝕環境，且往往承受復雜特別載荷的長期作用，因此降低疲勞腐蝕對深海油氣采輸結構的影響，提高其安全可靠性也是深海技術亟需突破的瓶頸之一。此外，結構的部分損傷對深海油氣采輸系統安全性構成潛在威脅，甚至釀成重大的災難性事件，近十年國內外學者一直致力于尋找一種能適用于復雜結構的整體損傷評估方法，相關研究仍然處于初級階段，成果還多集中于簡單的平面桿、梁、板結構，對于其他結構的研究較少，損傷識別的算法仍有改進的空間，很少有將類似方法應用在海洋油氣管道的損傷識別上的相關研究。目前我國油氣管道在渤海、南海等海域已經達近10萬km，早期鋪設的管道在各種環境載荷的影響下會出現各種各樣的損傷、缺陷，亟需一套損傷識別檢測方法，對于現役的油氣管道進行評估，為后期的維修、替換提供依據。