海底管线是海洋油气输送的重要组成部分,传统上采用的钢质海底管线会因悬跨静力破坏、腐蚀和疲劳破坏等原因造成海底管线的功能失效。近年来,欧美等国家逐步采用复合管线代替传统的钢质海底管线。复合管线一般由内衬层、中胶层、保护层和多层增强层构成,内衬层与保护层可采用橡胶或树脂等材料,增强层可采用钢丝缠绕增强或钢片缠绕增强等方式。与传统钢质管线相比,复合管线具有诸多优点,例如可以承受较大的变形、易于安装铺设、运输简便,同时具有更长的使用寿命。我国石油开采正在逐步向深海进行,这就预示着钢片(钢丝)缠绕增强复合管线将有着很好的应用前景,所以对这种新型复合管线力学性能的研究具有重要意义。以往学者多以钢丝缠绕增强复合管线为研究对象,相对而言,钢片缠绕增强复合管线的力学性能研究尚显不足。本文依托于“2013年安全生产重大事故防治关键技术科技项目”—新型海底挠性管线功能失效研究,根据钢片缠绕增强复合管线的实际构造,采用有限元软件建立复合管线的三维有限元模型,对复合管线的力学性能进行了以下几方面研究。(1)内压作用下的复合管线力学性能研究。内部介质压力是导致复合管线破坏的主要因素之一。采用ABAQUS分层建立了钢片缠绕增强复合管线的数值模型,对其在16MPa工作内压下的静力响应进行数值模拟研究,并与相关的试验数据进行了对比,从而验证了本数值模型的有效性。研究结果表明:内压荷载主要由89°钢片缠绕增强层承担,且其环向应力和径向应力数值均较大,是导致复合管线功能失效的主要因素之一。(2)内压与横向荷载联合作用下的复合管线力学性能研究。结合埕岛油田1年重现期波浪数据资料,采用ABAQUS对内压与波流水动力横向荷载联合作用下的复合管线静力响应进行了数值模拟研究。研究结果表明:波流水动力对悬跨段海底复合管线的横向荷载作用,主要由15°钢片缠绕增强层承担,且其轴向应力数值较大,波流水动力横向荷载是导致悬跨段复合管线功能失效的主要因素之一。(3)复合管线力学性能的影响因素研究。复合管线力学性能受多种因素影响,采用ABAQUS软件探究了内部介质压力、横向荷载值、复合管线钢片缠绕增强层厚度和缠绕角对复合管线力学性能的影响规律。研究结果表明:内压和横向荷载越大,复合管线越不安全;承拉铠装层钢片缠绕增强层最佳缠绕角在15°-40°之间;在满足复合管线结构设计条件下,钢片缠绕增强层厚度越大,复合管线越安全,但要综合考虑钢片增强层的缠绕加工工艺。