外压载荷下输氢软管力学特性分析

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作者单位:: 1. 中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心，北京 100028 2. 中国海洋石油集团有限公司液化天然气及低碳技术重点实验室，北京 100028 3. 中国石油湖南销售储运分公司，长沙 410005 4. 中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249

摘要:: 氢能是推动能源结构低碳转型的重要清洁能源，海底输氢软管是实现海上氢能规模化输送的重要设备。为提升输氢软管在海洋外压载荷作用下的安全性，需开展理论建模与数值模拟研究，分析其力学特性与失效机制。本文基于三维各向异性弹性理论建立全局柱坐标系，推导了内衬层、防渗透层、增强层和外护套层的本构方程与应变位移关系；采用有限元模型与弧长法，系统研究了不同外压下软管的力学响应与压溃行为，得到如下结果：在弹性范围内，各层变形随外压线性增加，外护套层发生径向收缩，内衬层与防渗透层发生径向膨胀；增强层纤维承受主要载荷，沿纤维缠绕方向的应力呈线性负增长，防渗透层因高弹性模量承载能力有限；环向应力突变可作为压溃失效的标志，本次研究对应的极限载荷为3.61 MPa，失效过程经历“均匀收缩、压溃、大变形”3个阶段且截面始终保持椭圆形；内衬层短轴区域先发生屈服，外护套层长轴区域随后屈服，增强纤维未发生断裂。该理论模型可为研究输氢软管在外压载荷作用下的力学特性提供参考，也可为输氢软管的结构优化提供理论依据。