長(zhǎng)輸管線穿越斷層應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)范文

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《石油機(jī)械雜志》2015年第十二期

摘要:

穿越活動(dòng)斷層的埋地鋼質(zhì)管道在位移載荷作用下易產(chǎn)生較大甚至過量變形，傳統(tǒng)的基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則已經(jīng)不再適用。針對(duì)這種情況，基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法，利用有限元軟件建立了不同穿越斷層工況下的管-土耦合模型，研究了地震烈度、斷層錯(cuò)距、管徑、壁厚、埋深及土壤內(nèi)摩擦角對(duì)穿越管道最大應(yīng)變值的影響規(guī)律，以及各隨機(jī)變量對(duì)管道安全可靠度的影響程度。研究結(jié)果表明，地震烈度是地震波作用下穿越斷層埋地管道軸向應(yīng)變最顯著的影響因素，埋深和壁厚次之;當(dāng)?shù)卣鹆叶葹棰蚨取鄬渝e(cuò)距為0.7m時(shí)，強(qiáng)震區(qū)穿越埋地管道軸向最大拉伸應(yīng)變值為2.28%，超過了容許拉伸應(yīng)變。研究成果可為地震載荷作用下穿越活動(dòng)斷層區(qū)的長(zhǎng)輸管道的可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞:

應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì);地震載荷;斷層穿越;長(zhǎng)輸管道;安全可靠性;有限元分析

我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，新粵浙管道穿越新疆、甘肅寧夏、華北和華南4個(gè)不同地區(qū)時(shí)，不可避免地會(huì)穿越強(qiáng)震區(qū)和活動(dòng)斷層區(qū)等典型地質(zhì)災(zāi)害區(qū)，易導(dǎo)致管道產(chǎn)生過量變形而失效破壞，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，對(duì)于穿越活動(dòng)斷層的埋地管道進(jìn)行安全可靠性研究至關(guān)重要。馮啟民和趙林等［1－2］將埋地管道簡(jiǎn)化成4節(jié)點(diǎn)的薄殼單元，將場(chǎng)地土簡(jiǎn)化成彈塑性彈簧，考慮了兩者的材料非線性，分析了徑厚比、斷層運(yùn)動(dòng)形式、傾角、土體剛度和內(nèi)壓等參數(shù)的影響。梁瑞等［3］根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立了地震波載荷作用下梁-土彈簧有限元分析模型，研究了埋地管道在某一Ⅶ級(jí)地震載荷作用下的位移響應(yīng)。郝婷玥等［4］采用時(shí)程分析方法對(duì)管-土-流體模型進(jìn)行研究，分析了地震動(dòng)參數(shù)和場(chǎng)地條件等因素對(duì)埋地管道響應(yīng)的影響規(guī)律。由此可見，前人對(duì)地震載荷作用下埋地管道的分析主要針對(duì)地震波或者斷層單獨(dú)作用下管道的應(yīng)力響應(yīng)。然而，對(duì)于地震等位移形式載荷的作用，當(dāng)埋地管道開始出現(xiàn)塑性變形時(shí)，管道雖然依舊可以滿足安全生產(chǎn)的正常要求，但是由于此時(shí)管內(nèi)應(yīng)力超出管材的屈服極限，基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就不再適用［5－6］，而采用應(yīng)變作為標(biāo)準(zhǔn)，可以更方便有效地衡量和控制管道的極限狀態(tài)。為此，筆者采用基于應(yīng)變的方法研究地震波作用下穿越斷層埋地管道的變形情況，討論地震烈度、斷層錯(cuò)距、管徑、壁厚、埋深和土壤內(nèi)摩擦角等因素對(duì)管道安全的影響，以期為地震波作用下穿越活動(dòng)斷層區(qū)的長(zhǎng)輸管道的可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1埋地管道有限元模型及可靠性分析

1.1有限元分析模型考慮埋地管道和場(chǎng)地土的材料非線性與幾何非線性，采用4節(jié)點(diǎn)薄殼單元建立長(zhǎng)輸管道模型，用非線性彈簧單元模擬管土相互作用。殼單元任意節(jié)點(diǎn)均與管軸方向、水平橫向和垂直方向土彈簧連接。采用加速度時(shí)程的方法輸入地震波，并在每個(gè)土彈簧的節(jié)點(diǎn)加上活動(dòng)斷層相應(yīng)方向上的位移分量，用以模擬管道受到的斷層作用。首先利用ANSYS中的概率設(shè)計(jì)模塊，獲得各隨機(jī)輸入變量對(duì)地震載荷作用下穿越活動(dòng)斷層的長(zhǎng)輸管線的可靠度的影響程度。在此基礎(chǔ)上，深入研究影響顯著的因素對(duì)地震波和斷層位移雙重作用下埋地管道變形情況的影響規(guī)律。管-土有限元分析模型如圖1所示。埋地管道管徑1.219m，壁厚26.4mm，彈性模量206GPa，泊松比0.3，設(shè)計(jì)壓力12MPa。長(zhǎng)輸管線管材選用X80鋼。假設(shè)場(chǎng)地土為中硬土，埋深2.1m，土壤內(nèi)摩擦角35°，土壤容重1.8×104N/m3。管道與斷層交角為90°，斷層錯(cuò)距0.7m，斷層傾角70°，地震烈度為Ⅷ度。

1.2模型計(jì)算結(jié)果可靠性驗(yàn)證目前，計(jì)算埋地管道軸向最大應(yīng)變的方法中，經(jīng)典的有擬靜力分析法和Newmark-Hall法［7－9］。擬靜力分析法的核心思想是將地震波作用簡(jiǎn)化為一個(gè)慣性力，從而在靜力分析的基礎(chǔ)上展開進(jìn)一步研究。擬靜力分析法考慮了管土相互作用，對(duì)于地震評(píng)價(jià)報(bào)告已經(jīng)給出地震系數(shù)，在項(xiàng)目組織實(shí)施之前預(yù)測(cè)某地區(qū)埋地管道的震害情況較為合適。New-mark-Hall法由于忽略了場(chǎng)地土對(duì)管道的橫向作用和管道內(nèi)的彎曲變形，假設(shè)埋地管道只受軸向滑動(dòng)摩擦力作用，所以其計(jì)算結(jié)果偏小。為驗(yàn)證有限元分析模型計(jì)算結(jié)果的可靠性，選取新粵浙管道穿越某一斷裂帶的基本數(shù)據(jù)，對(duì)比分析2種理論分析法和有限元法的計(jì)算結(jié)果。不同計(jì)算方法所得埋地管道軸向最大應(yīng)變?nèi)绫?所示。由表1可見，對(duì)于埋地管道在地震波作用下的軸向最大應(yīng)變，擬靜力分析法與有限元法計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差為5.9%，小于8%，滿足工程需要。對(duì)于埋地管道在活動(dòng)斷層作用下的軸向最大應(yīng)變，有限元法的計(jì)算結(jié)果比Newmark-Hall方法的結(jié)果略高(16.7%)而由于后者計(jì)算結(jié)果偏小，從而說明有限元法的計(jì)算精度更高。綜上，筆者所建管土相互作用模型的計(jì)算結(jié)果具有可靠性。

1.3應(yīng)用蒙特卡羅法分析管道的可靠性長(zhǎng)輸管道在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)輸過程中存在各種不確定性，例如對(duì)管土相互作用模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必然要引入載荷參數(shù)、幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)等基本變量。但是由于存在測(cè)量誤差等各種不確定性，導(dǎo)致這些變量的取值只能通過隨機(jī)變量來表示。穿越斷層埋地管道可靠性分析實(shí)際上是綜合運(yùn)用彈塑性力學(xué)理論和概率分析方法，首先對(duì)管道剛度特性起主要影響作用的隨機(jī)變量進(jìn)行抽樣，其次對(duì)管道進(jìn)行隨機(jī)響應(yīng)分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而求得穿越斷層埋地管道的可靠度。利用ANSYS中的概率設(shè)計(jì)模塊，建立了多隨機(jī)因素作用下的穿越斷層埋地管道可靠度模擬方法，給出了所涉隨機(jī)變量的均值和分布類型。隨機(jī)變量包括內(nèi)壓、管道外徑、管道壁厚、埋深、錯(cuò)距、管道泊松比及地震動(dòng)峰值加速度。隨機(jī)變量均為正態(tài)分布，平均值為:內(nèi)壓12MPa，管道外徑1.219m，壁厚26.4mm，埋深2.1m，錯(cuò)距0.7m，管道泊松比0.3，地震動(dòng)峰值加速度2m/s2管道軸向最大拉伸應(yīng)變靈敏度如圖所示。

根據(jù)靈敏性分析結(jié)果，可以判斷各隨機(jī)變量對(duì)DETSS的影響比重，對(duì)影響顯著的因素在管道抗震設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化，縮小它們的波動(dòng)范圍，可以提高管道的可靠度，進(jìn)而在滿足可靠度要求的前提下降低成本。由圖2a可以看出，地震烈度、埋深、管徑、土壤內(nèi)摩擦角、錯(cuò)距和壁厚為管道軸向最大拉伸應(yīng)變的顯著影響因素，而設(shè)計(jì)壓力的影響程度相對(duì)較小。其中，地震烈度、埋深、土壤內(nèi)摩擦角以及活動(dòng)斷層的錯(cuò)距等與軸向最大拉伸應(yīng)變呈正相關(guān)關(guān)系，管道的壁厚、外徑與軸向最大拉伸應(yīng)變呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由圖2b可以看出，容許拉伸應(yīng)變是極限狀態(tài)函數(shù)DETSS的最顯著影響因素，地震烈度、埋深和壁厚的影響程度依次遞減。其中，地震烈度、埋深與DETSS呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即地震烈度或者管道埋深越大，埋地管道的可靠度越小。管道的壁厚與DETSS呈正相關(guān)關(guān)系，即壁厚越大，管道的可靠度越大。通過分析各因素對(duì)管道可靠度的影響程度及自身可控程度，以及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，要提高埋地管道的可靠度，依次需要考慮的因素是埋深、壁厚和穿越活動(dòng)斷層的位置。其中，埋深方面要盡量降低管土相互作用，淺埋雖然有利于管道的抗震，在實(shí)際施工過程中還需綜合考慮便于維修等因素;壁厚方面，理論上應(yīng)選擇大口徑的厚壁鋼管，但要在滿足可靠度要求和安全運(yùn)行的前提下降低成本，應(yīng)適當(dāng)減小壁厚和管徑;穿越活動(dòng)斷層的位置方面，應(yīng)根據(jù)資料與現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)位移量較小的位置。

2影響埋地管道軸向應(yīng)變的因素及程度

2.1地震烈度的影響地震烈度對(duì)埋地管道軸向最大應(yīng)變的影響如圖3所示。從圖可以看出，隨著地震烈度的不斷增大，穿越斷層埋地管道的軸向最大拉伸應(yīng)變和軸向最大壓縮應(yīng)變均逐漸增大。當(dāng)?shù)卣鹆叶葹棰蚨取鄬渝e(cuò)距為0.7m時(shí)，管道穿越強(qiáng)震區(qū)軸向最大拉伸應(yīng)變值為2.28%，超過了容許拉伸應(yīng)變。當(dāng)?shù)卣鹆叶葟?0度增加到12度，管道軸向最大拉伸應(yīng)變和最大壓縮應(yīng)變分別增加了24.1%和23.1%。

2.2埋深的影響埋深對(duì)埋地管道軸向最大應(yīng)變的影響如圖4所示。從圖可以看出，在斷層錯(cuò)距不變的情況下，當(dāng)管道埋深增加時(shí)，穿越斷層埋地管道軸向最大拉伸應(yīng)變和軸向最大壓縮應(yīng)變均逐漸增大。當(dāng)斷層錯(cuò)距為0.7m時(shí)，管道埋深從2.1m增加到3.0m，管道軸向最大拉伸應(yīng)變和最大壓縮應(yīng)變分別增加了201.0%和117.6%。由此可見，埋深對(duì)埋地管道軸向應(yīng)變的影響十分顯著。隨著埋深的增加，由于管軸方向土壤摩擦力、水平橫向和垂直方向的土壤反力逐漸增加，場(chǎng)地土對(duì)埋地管道的約束程度不斷增加。對(duì)于埋深不超過的5m的管道而言，當(dāng)埋深逐漸增加時(shí)，管道軸向最大拉伸應(yīng)變及軸向最大壓縮應(yīng)變都越大，管道越容易發(fā)生破壞。同時(shí)，管道埋深越淺則地面波傳遞的能量越小，管道的破壞率也越小。因此，對(duì)管道進(jìn)行淺埋既可以減輕震害造成的損失，也有利于施工維修。

2.3錯(cuò)距的影響錯(cuò)距對(duì)埋地管道軸向最大應(yīng)變的影響如圖5所示。從圖5可以看出，隨著活動(dòng)斷層位移錯(cuò)動(dòng)量的增加，埋地管道的軸向應(yīng)變逐漸增大。斷層錯(cuò)距從0.5m增加到1.5m時(shí)，管道軸向最大拉伸應(yīng)變和最大壓縮應(yīng)變分別增加了205.3%和208.0%。因此，為滿足管道設(shè)計(jì)應(yīng)變的要求，應(yīng)考慮調(diào)整管道的幾何尺寸和性能參數(shù)等方案。

2.4壁厚的影響壁厚對(duì)埋地管道軸向最大應(yīng)變的影響如圖6所示。從圖可以看出，在相同斷層錯(cuò)距的作用下，隨著壁厚的減小，埋地管道的軸向最大拉伸應(yīng)變和軸向最大壓縮應(yīng)變都逐漸增大。當(dāng)錯(cuò)距為0.7m時(shí)，隨著壁厚從26.4mm減小到22.0mm，管道軸向最大拉伸應(yīng)變和最大壓縮應(yīng)變分別增加了5.7%和14.3%。這是因?yàn)殡S著壁厚的減小，管道內(nèi)、外徑之比增大，橫截面的慣性矩減小，從而導(dǎo)致管道應(yīng)變?cè)龃蟆６冶”阡摴苋菀桩a(chǎn)生屈曲破壞和塑形應(yīng)變集中的現(xiàn)象，因此對(duì)于埋地管道的抗震設(shè)計(jì)而言，選擇厚壁鋼管更加安全。

3結(jié)論及建議

(1)地震烈度是影響埋地管道可靠度最為顯著的因素，其次是埋深和壁厚。隨著地震烈度的增加，埋地管道震害率增加。當(dāng)?shù)卣鹆叶葹棰蚨取鄬渝e(cuò)距為0.7m時(shí)，管道穿越強(qiáng)震區(qū)軸向最大拉伸應(yīng)變值為2.28%，超過了容許拉伸應(yīng)變，易發(fā)生失效破壞。(2)埋深、土壤內(nèi)摩擦角、活動(dòng)斷層錯(cuò)距與軸向最大拉伸應(yīng)變呈正相關(guān)關(guān)系，管徑、壁厚與軸向最大拉伸應(yīng)變呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。(3)建議現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)施工時(shí)盡量避開大位錯(cuò)活動(dòng)斷層帶，選擇大口徑、厚壁鋼管并淺埋在土壤相對(duì)密實(shí)的區(qū)域。

參考文獻(xiàn)

［1］馮啟民，趙林.跨斷層埋地管道屈曲分析［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2001，21(4):81－87.

［2］趙林，馮啟民.埋地管線有限元建模方法研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2001，21(2):53－57.

［3］梁瑞，馬東方，俞樹榮，等.埋地管道在地震載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析［J］.石油機(jī)械，2007，35(12):16－18.

［4］郝婷玥，陳貴清，馬衛(wèi)華.地震作用下埋地管道橫向振動(dòng)分析［J］.四川建筑科學(xué)研究，2010，36(2):204－207.

［5］余志峰，史航，佟雷，等.基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法在西氣東輸二線的應(yīng)用［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29(2):143－147.

［6］劉冰，劉學(xué)杰，張宏.基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［J］.天然氣工業(yè)，2008，28(2):129－131.

［7］朱秀星.地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境下埋地油氣管線安全性研究［D］.青島:中國(guó)石油大學(xué)(華東)，2009.

［8］姜華.埋地管道在地震波作用下的響應(yīng)分析［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2011.

［9］中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部.Q/SYGJX0136—2008西氣東輸二線管道工程強(qiáng)震區(qū)和活動(dòng)斷層區(qū)埋地管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)導(dǎo)則［S］.北京:石油工業(yè)出版社，2008.

作者：樊蘇楠 閆相禎 單位：中國(guó)石油大學(xué) ( 華東) 機(jī)電工程學(xué)院 2. 中國(guó)石油大學(xué) ( 華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院