背景简介

卷管式海底管道铺设工艺具有高效率、低成本的连续性作业优势，是目前国际主流的深海管道安装方法。2025年初，我国第一艘卷管式铺管船“深达号”铺管海试成功，铺管速度达到2-3公里/小时，这一速度较传统S型铺管效率提升10余倍，标志着国产高端深水铺管装备实现首次工程化应用。卷管式铺设工艺独有的“上卷-退卷-矫直”作业模式，使管道经受包括塑性正向弯曲（1-5%应变）、反向弯曲、拉力及刚曲面接触等复杂载荷作用，这种独特的非线性加载历程将导致两个关键力学效应：(1) 材料层面：X65/X70等API 5L管线钢因位错密度演化呈现出显著的非对称循环硬化特征，其特有的不连续屈服平台直接影响棘轮应变的累积速率；(2) 结构层面：管道截面在交变弯矩作用下产生渐进式椭圆度畸变，显著削弱其结构稳定性。深海服役时，这些累积损伤会在外压下引发局部屈曲失效。

当前研究在材料本构建模与结构分析方面仍存在一定局限性，如传统Chaboche模型难以表征屈服平台的变化特征，商业软件执行DNV-OS-F101规范推荐的模型进行弹塑性分析需较高计算耗时，无法满足工程实时评估需求等。针对上述问题，近期，天津大学袁林教授团队针对我国首艘卷管式铺管船“深达号”的实际工程需求，建立了耦合材料循环塑性本构与非线性环理论的卷管铺设高效计算分析框架。

成果介绍

基于非线性环理论建立管道截面位移与应变之间的数学关系，采用改进Voce-Chaboche（UVC）本构模型（Hartloper et al., 2021），结合虚功原理，构建了增量形式的管道平衡方程。此外，通过引入拉格朗日乘子描述管道与卷筒的接触约束，从而建立耦合材料循环塑性和管道接触约束的理论分析框架，其计算过程如图1所示。

图1 理论模型数值计算流程图

    与实际卷管试验结果对比发现，理论模型能够在不影响后续循环响应准确性的情况下，较好地描述管线钢材料的初始不连续平台现象与后续应力应变特征。理论预测的多组小尺寸和全尺寸管道残余椭圆率结果与试验符合较好，结果如图2、3所示。

图2 小尺寸试验分析

图3 全尺寸试验分析

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金（批准号：52271288）、天津市自然科学基金（批准号：24JCYBJC01400），以及中国海洋工程有限公司“深水海底管道R-lay卷管型铺设关键技术研究”项目的资助，特在此表示感谢。本文第一作者：邵文钊（天津大学），本文通讯作者：袁林（天津大学）。天津大学袁林教授主要从事海洋管缆设计、制造、铺设与运维等交叉性研究，本课题组常年招收博士后研究人员，欢迎加入！

本期小编 邵文钊（整理）

周子尧（校对）

舒　阳（审核）

董乃健（发布）