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    長輸管線穿越斷層應變設計范文

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    長輸管線穿越斷層應變設計

    《石油機械雜志》2015年第十二期

    摘要:

    穿越活動斷層的埋地鋼質管道在位移載荷作用下易產生較大甚至過量變形,傳統的基于應力的設計準則已經不再適用。針對這種情況,基于應變設計方法,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、斷層錯距、管徑、壁厚、埋深及土壤內摩擦角對穿越管道最大應變值的影響規律,以及各隨機變量對管道安全可靠度的影響程度。研究結果表明,地震烈度是地震波作用下穿越斷層埋地管道軸向應變最顯著的影響因素,埋深和壁厚次之;當地震烈度為Ⅱ度、斷層錯距為0.7m時,強震區穿越埋地管道軸向最大拉伸應變值為2.28%,超過了容許拉伸應變。研究成果可為地震載荷作用下穿越活動斷層區的長輸管道的可靠性設計提供依據。

    關鍵詞:

    應變設計;地震載荷;斷層穿越;長輸管道;安全可靠性;有限元分析

    我國地質災害多發,新粵浙管道穿越新疆、甘肅寧夏、華北和華南4個不同地區時,不可避免地會穿越強震區和活動斷層區等典型地質災害區,易導致管道產生過量變形而失效破壞,造成重大的經濟損失和人員傷亡。因此,對于穿越活動斷層的埋地管道進行安全可靠性研究至關重要。馮啟民和趙林等[1-2]將埋地管道簡化成4節點的薄殼單元,將場地土簡化成彈塑性彈簧,考慮了兩者的材料非線性,分析了徑厚比、斷層運動形式、傾角、土體剛度和內壓等參數的影響。梁瑞等[3]根據數學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級地震載荷作用下的位移響應。郝婷玥等[4]采用時程分析方法對管-土-流體模型進行研究,分析了地震動參數和場地條件等因素對埋地管道響應的影響規律。由此可見,前人對地震載荷作用下埋地管道的分析主要針對地震波或者斷層單獨作用下管道的應力響應。然而,對于地震等位移形式載荷的作用,當埋地管道開始出現塑性變形時,管道雖然依舊可以滿足安全生產的正常要求,但是由于此時管內應力超出管材的屈服極限,基于應力的設計準則就不再適用[5-6],而采用應變作為標準,可以更方便有效地衡量和控制管道的極限狀態。為此,筆者采用基于應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、斷層錯距、管徑、壁厚、埋深和土壤內摩擦角等因素對管道安全的影響,以期為地震波作用下穿越活動斷層區的長輸管道的可靠性設計提供依據。

    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地土的材料非線性與幾何非線性,采用4節點薄殼單元建立長輸管道模型,用非線性彈簧單元模擬管土相互作用。殼單元任意節點均與管軸方向、水平橫向和垂直方向土彈簧連接。采用加速度時程的方法輸入地震波,并在每個土彈簧的節點加上活動斷層相應方向上的位移分量,用以模擬管道受到的斷層作用。首先利用ANSYS中的概率設計模塊,獲得各隨機輸入變量對地震載荷作用下穿越活動斷層的長輸管線的可靠度的影響程度。在此基礎上,深入研究影響顯著的因素對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,設計壓力12MPa。長輸管線管材選用X80鋼。假設場地土為中硬土,埋深2.1m,土壤內摩擦角35°,土壤容重1.8×104N/m3。管道與斷層交角為90°,斷層錯距0.7m,斷層傾角70°,地震烈度為Ⅷ度。

    1.2模型計算結果可靠性驗證目前,計算埋地管道軸向最大應變的方法中,經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化為一個慣性力,從而在靜力分析的基礎上展開進一步研究。擬靜力分析法考慮了管土相互作用,對于地震評價報告已經給出地震系數,在項目組織實施之前預測某地區埋地管道的震害情況較為合適。New-mark-Hall法由于忽略了場地土對管道的橫向作用和管道內的彎曲變形,假設埋地管道只受軸向滑動摩擦力作用,所以其計算結果偏小。為驗證有限元分析模型計算結果的可靠性,選取新粵浙管道穿越某一斷裂帶的基本數據,對比分析2種理論分析法和有限元法的計算結果。不同計算方法所得埋地管道軸向最大應變如表1所示。由表1可見,對于埋地管道在地震波作用下的軸向最大應變,擬靜力分析法與有限元法計算結果的相對誤差為5.9%,小于8%,滿足工程需要。對于埋地管道在活動斷層作用下的軸向最大應變,有限元法的計算結果比Newmark-Hall方法的結果略高(16.7%)而由于后者計算結果偏小,從而說明有限元法的計算精度更高。綜上,筆者所建管土相互作用模型的計算結果具有可靠性。

    1.3應用蒙特卡羅法分析管道的可靠性長輸管道在設計、施工和運輸過程中存在各種不確定性,例如對管土相互作用模型進行計算時,必然要引入載荷參數、幾何參數和力學參數等基本變量。但是由于存在測量誤差等各種不確定性,導致這些變量的取值只能通過隨機變量來表示。穿越斷層埋地管道可靠性分析實際上是綜合運用彈塑性力學理論和概率分析方法,首先對管道剛度特性起主要影響作用的隨機變量進行抽樣,其次對管道進行隨機響應分析,并對結構響應進行概率統計分析,進而求得穿越斷層埋地管道的可靠度。利用ANSYS中的概率設計模塊,建立了多隨機因素作用下的穿越斷層埋地管道可靠度模擬方法,給出了所涉隨機變量的均值和分布類型。隨機變量包括內壓、管道外徑、管道壁厚、埋深、錯距、管道泊松比及地震動峰值加速度。隨機變量均為正態分布,平均值為:內壓12MPa,管道外徑1.219m,壁厚26.4mm,埋深2.1m,錯距0.7m,管道泊松比0.3,地震動峰值加速度2m/s2管道軸向最大拉伸應變靈敏度如圖所示。

    根據靈敏性分析結果,可以判斷各隨機變量對DETSS的影響比重,對影響顯著的因素在管道抗震設計階段進行優化,縮小它們的波動范圍,可以提高管道的可靠度,進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、土壤內摩擦角、錯距和壁厚為管道軸向最大拉伸應變的顯著影響因素,而設計壓力的影響程度相對較小。其中,地震烈度、埋深、土壤內摩擦角以及活動斷層的錯距等與軸向最大拉伸應變呈正相關關系,管道的壁厚、外徑與軸向最大拉伸應變呈負相關關系。由圖2b可以看出,容許拉伸應變是極限狀態函數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呈負相關關系,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呈正相關關系,即壁厚越大,管道的可靠度越大。通過分析各因素對管道可靠度的影響程度及自身可控程度,以及結合現場實際情況,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,理論上應選擇大口徑的厚壁鋼管,但要在滿足可靠度要求和安全運行的前提下降低成本,應適當減小壁厚和管徑;穿越活動斷層的位置方面,應根據資料與現場情況,選擇活動斷層錯動位移量較小的位置。

    2影響埋地管道軸向應變的因素及程度

    2.1地震烈度的影響地震烈度對埋地管道軸向最大應變的影響如圖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變和軸向最大壓縮應變均逐漸增大。當地震烈度為Ⅱ度、斷層錯距為0.7m時,管道穿越強震區軸向最大拉伸應變值為2.28%,超過了容許拉伸應變。當地震烈度從10度增加到12度,管道軸向最大拉伸應變和最大壓縮應變分別增加了24.1%和23.1%。

    2.2埋深的影響埋深對埋地管道軸向最大應變的影響如圖4所示。從圖可以看出,在斷層錯距不變的情況下,當管道埋深增加時,穿越斷層埋地管道軸向最大拉伸應變和軸向最大壓縮應變均逐漸增大。當斷層錯距為0.7m時,管道埋深從2.1m增加到3.0m,管道軸向最大拉伸應變和最大壓縮應變分別增加了201.0%和117.6%。由此可見,埋深對埋地管道軸向應變的影響十分顯著。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,場地土對埋地管道的約束程度不斷增加。對于埋深不超過的5m的管道而言,當埋深逐漸增加時,管道軸向最大拉伸應變及軸向最大壓縮應變都越大,管道越容易發生破壞。同時,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,對管道進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錯距的影響錯距對埋地管道軸向最大應變的影響如圖5所示。從圖5可以看出,隨著活動斷層位移錯動量的增加,埋地管道的軸向應變逐漸增大。斷層錯距從0.5m增加到1.5m時,管道軸向最大拉伸應變和最大壓縮應變分別增加了205.3%和208.0%。因此,為滿足管道設計應變的要求,應考慮調整管道的幾何尺寸和性能參數等方案。

    2.4壁厚的影響壁厚對埋地管道軸向最大應變的影響如圖6所示。從圖可以看出,在相同斷層錯距的作用下,隨著壁厚的減小,埋地管道的軸向最大拉伸應變和軸向最大壓縮應變都逐漸增大。當錯距為0.7m時,隨著壁厚從26.4mm減小到22.0mm,管道軸向最大拉伸應變和最大壓縮應變分別增加了5.7%和14.3%。這是因為隨著壁厚的減小,管道內、外徑之比增大,橫截面的慣性矩減小,從而導致管道應變增大。而且薄壁鋼管容易產生屈曲破壞和塑形應變集中的現象,因此對于埋地管道的抗震設計而言,選擇厚壁鋼管更加安全。

    3結論及建議

    (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。當地震烈度為Ⅱ度、斷層錯距為0.7m時,管道穿越強震區軸向最大拉伸應變值為2.28%,超過了容許拉伸應變,易發生失效破壞。(2)埋深、土壤內摩擦角、活動斷層錯距與軸向最大拉伸應變呈正相關關系,管徑、壁厚與軸向最大拉伸應變呈負相關關系。(3)建議現場設計施工時盡量避開大位錯活動斷層帶,選擇大口徑、厚壁鋼管并淺埋在土壤相對密實的區域。

    參考文獻

    [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,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,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力響應分析[J].石油機械,2007,35(12):16-18.

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

    [5]余志峰,史航,佟雷,等.基于應變設計方法在西氣東輸二線的應用[J].油氣儲運,2010,29(2):143-147.

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    [9]中國石油天然氣股份有限公司管道建設項目經理部.Q/SYGJX0136—2008西氣東輸二線管道工程強震區和活動斷層區埋地管道基于應變設計導則[S].北京:石油工業出版社,2008.

    作者:樊蘇楠 閆相禎 單位:中國石油大學 ( 華東) 機電工程學院 2. 中國石油大學 ( 華東) 儲運與建筑工程學院

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