跨越断层的钢制埋地管道响应数值模拟研究.pdf

第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金()山东省自然科学基金资助项目()作者简介:张如林()男博士副教授主要从事土结相互作用及埋地管道抗震方面的研究:.通信作者:蒋 城()男硕士研究生主要从事土结相互作用及埋地管道抗震方面的研究:.文章编号:():./.跨越断层的钢制埋地管道响应数值模拟研究张如林蒋 城李 帅张忠涛(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院 山东 青岛)摘 要:以西气东输二线工程为背景基于 有限元软件建立了走滑逆断层条件下的管道土体三维有限元模型并通过软件模拟分析了断层位移量、管道内压、管道径厚比和管道埋深等因素对管道应力和应变响应规律的影响 数值模拟结果表明:管道的最大轴向应变点并不在断层面上而是在断层面的两侧管道有无内压的破坏模式不同内压越大管道越容易遭受破坏管道的径厚比越小断层面两侧最大轴向应变点距离断层面的距离越远浅埋能够减小断层作用下管道的最大轴向应变在断层位移量较大时宜选择浅埋关键词:埋地管道断层管土相互作用影响因素应力应变中图分类号:.文献标识码:():.:引言石油和天然气作为重要的能源基础影响着国家的安全和社会的发展 管道在天然气的开发、输送和利用过程中有极其重要的作用 我国天然气资源分布极不平衡有着西多而东少和北多而南少的总体格局西气东输二线工程是当时全球工程量最大和管线里程最长的油气管道工程可以将我国塔里木盆地、柴达木盆地等西部地区生产的天然气和从其他国外地区进口的天然气沿干线和支干线输往中西部和沿海地区以适应我国天然气资源较为缺乏且消费量较大的地区对于天然气供应量的需要第 期张如林等:跨越断层的钢制埋地管道响应数值模拟研究埋地管线由于距离较长无法避免地经过众多地质灾害区域而产生一系列问题 震害调查表明:地震引起埋地油气管道的破坏几乎都是由静力破坏模式造成的如滑坡、土壤液化和断层位移严重威胁了管道的安全 其中断层位移是最为危险的形式由于断层运动将产生较大的地面位移可能会导致管道发生严重的屈曲或失效 如 年马那瓜地震、年海城地震、年唐山地震、年宫城县地震、年集集地震和 年汶川地震都出现了埋地管道遭到严重破坏的情况 因此开展对跨断层埋地管道的力学性能和变形规律的研究对于管道的设计和安全运行具有重要意义针对于此众多学者开展了相关研究 侯忠良等发现断层位错作用是管道破坏的主要影响因子 等用壳单元模拟管道弹塑性材料用非线性弹簧模拟土体分析了逆断层位错下埋地管道的屈曲反应赵林等在试验研究的基础上对比了三种不同的断层类型对管道的作用烈度通过模拟断层产生的剧烈旋转作用分析了结构产生形变的后果同时进一步拆解分析了在旋转作用下地面的运动用以控制强地震对断层管道的激励丰晓红将管道模拟为薄壁型结构土体模拟为均匀的实体结构提出了合适的管土作用有限元计算模型樊苏楠等运用有限元软件概率设计模块进行了断层管道在多种因子的作用下的可靠度分析刘啸奔等研究了屈服强度和应变硬化参数在逆断层作用下对三种不同 等级管道(、和)的局部屈曲响应的影响并研究了其对临界断层位移、屈曲应力以及临界轴向应变的影响全恺等模拟了在两个断层面相互错动并且产生位移的情况下埋地管道在走滑断层位移下的屈曲响应曾希等建立了管土相互作用的非线性三维有限元模型研究了场地种类等因素对管道变形的影响国内外学者对管道受断裂和挤压的研究较多但对管道在断层作用下的应力应变分析较少并且考虑的影响因素单一难以对断层管道结构的力学性质做出全面分析 本文通过 软件以西气东输二线为工程背景建立管土断层相互作用模型研究断层位移量、管道内压、管道径厚比和管道埋深等因素对管道应力和应变响应规律的影响数值模型的建立.几何模型的建立图 埋地管道土体体系有限元模型图.表 管周土体相关参数 物理性能指标数值土体密度/(/)弹性模量/泊松比.粘聚力/摩擦角/剪胀角/实际上土体范围的大小和管道的轴向长度数值非常大考虑到断层因素对管道的影响以及管土相互作用在使用有限元方法对其进行分析时对于断层附近的产生大变形的区域该区域选取的管道长度不应当小于 倍的管道直径本文选取管道外径为 管道模型选取的长度为 土体的长度沿着、和 方向上的长度分别为、和 建立的跨越断层的埋地管道有限元模型如图 所示.管道及管周土体相关参数本文选用 管道参考文献导则的附录 管道所用钢材的主要参数为 .在 软件中管土之间的相互作用设置主要由法向的相互作用和切向的相互作用两个部分组成 法向的相互作用设置为“硬”接触通过此设置管道与土体之间可以传递法向的压力 此外在该处设置允许管道与土体接触后发生分离 切向的相互作用设置为“罚”摩擦该处考虑了管道与土体之间的摩擦力 借鉴相关文献的数值模拟经验管土之间的摩擦系数取.对管道周围土体模型采用 弹塑性模型 该模型中弹性参数主要有两个:分别为弹性模量 和泊松比 塑性参数主要有三个:分别为粘聚力、摩擦角 和剪胀角 管周土体相关参数列于表 中世 界 地 震 工 程第 卷.边界条件与荷载施加图 对管道内表面和移动盘施加荷载.将整个土体模型看作是一个六面体在初始条件下顶部表面不施加任何的约束在土体底部约束其沿、和 三个方向的位移不对转角约束对于土体的四个侧面约束其法向方向上的位移 在数值模拟的过程中管土会有一小段的相对滑动因此对固定盘一侧的管道端部施加弹簧荷载需要说明的是:本文管土模型底部并未取到基岩面因此施加的是覆盖层下部基岩断裂位错引发的上部土层地表位错并非基岩位错 考虑荷载主要有重力、管道的内表面的压力以及断层位移荷载 将整个分析过程分为三个分析步来进行:第一个分析步对模型整体施加重力第二个分析步如图()对管道内表面施加均布荷载压力第三个分析步如图()保持固定盘不动对移动盘解除约束并施加线性位移荷载以此模拟断层的两盘相对运动 三个分析步均采用静力通用分析步.模型的网格划分本文均采用结构化网格划分的方式 对于土体需要对管道周围的部分进行加密将管周土体沿着管周方向“为边布种”的局部种子设置为 个经过大量尝试发现该方法拥有较好的收敛性 为了更真实地模拟大变形段管道的变形特征在大变形段的管段需要进行局部加密并对管道中间区域进行细化处理 为达到分析的准确度的要求沿着管道轴向方向上的壳单元长度不应当大于管道直径的.倍因此采用.作为管道大变形段的网格密度数值模拟结果分析.断层位移量对管道的影响作用针对不同的断层位移量选择右旋走滑断层和逆断层的组合断层为研究对象断层倾角取 断层面与管道交角取 位移沿、和 三个方向上的距离相等即 在构造运动中大规模的断层一般不是沿着单一面发生而是会沿着一条包含多个面的断层破裂带发生为简化起见本文研究模型暂不考虑断层破碎带的宽度 管道埋深为 管道外径为.管道壁厚为.管道土体本构参数与前文保持一致内压选取 并保持不变选取断层的位移量分别为.、.、.、.、.、.、.和.时的计算结果进行分析以.为级差共八种不同错动量的断层位移下的管道变形情况进行了绘制 图 为不同断层位移量下的管道的大变形段 应力云图可以看出:随着断层位移量的增大右旋走滑逆断层的埋地管道的变形也在增大 管道应力响应较大处主要集中在断层面的两侧一定距离处 在一定的范围内随着断层位移量的增大管道最大 应力也在增大达到 后不再增长但管道的变形仍在增大 当断层位移达到.时可以看出管道的底部位置出现了明显的局部鼓胀屈曲下面分析管道的变形响应 从轴向应变云图中可明显看出:当断层位移量达到.时管道底部由于受压而出现了局部鼓胀屈曲 由图 可知:最大轴向压缩应变值达到.最大轴向拉伸应变值达到.其所在位置并非断层与管道的交界面而是距断层面有一定的距离最大轴向压(拉)应变值所在位置距离断层面均为.这与其他类型的断层位移作用下的管道响应有相似之处图 为不同断层位移量下管道最大 应力及最大轴向应变的变化 从最大 应力的变化看出:当断层位移量较小时管道最大 应力增长速度很快 通过导则所规定的容许拉伸应变结合图 断层位移在.时就已达到容许压缩应变而断层位移在.时才达到容许拉伸应变 综上所述对于本算例(右旋走滑逆断层)断层位移量越大最大 应力就越大最大轴向拉应变和轴向压应变也越大 由于该算例管道的压缩部位没有足够的强度来抵抗局部屈曲一旦断层发生较小位移(.)导第 期张如林等:跨越断层的钢制埋地管道响应数值模拟研究致管道产生局部屈曲那么应力集中会使本算例的管道迅速达到容许压缩应变而失效 所以在断层位移较大的区域建议采用高强度材料管道图 不同断层位移量下管道的大变形段 应力云图.图 最大轴向压应变点所在管道轴向方向上的轴向应变 图 最大轴向拉应变点所在管道轴向方向上的轴向应变 .世 界 地 震 工 程第 卷 图 断层位移对管道最大 应力及 图 不同内压下管道随断层位移量变化 轴向应变的影响 的最大 应力 .内压对管道的影响作用在研究断层作用对管道影响时通常认为内压恒定不变 本节选择右旋走滑逆断层为研究对象断层倾角取管道外径为.管道壁厚为.管道埋深为 管道及土体本构参数与前文保持一致内压分别选取、和 四种内压荷载内压荷载在位移施加过程中保持不变在同样断层位移量作用下管道最大 应力影响随着内压的增长而增长如图 所示 图 为断层位移为.、内压为 和无内压下管道的变形云图 结果表明:管道内压对管道的变形特征有显著的影响当内压为 时管道出现了明显的局部鼓胀屈曲而无内压时管道出现了明显的压溃 在断层位移量较小时无内压管道的安全性更高 当断层位移较大时内压在一定程度上提高了管道的抗屈曲能力使得存在一定内压的管道的安全性更强但是过大的内压却会加快管道的破坏图 管道变形云图以及局部屈曲放大图(内压为 ).图 无内压管道的变形云图以及局部屈曲放大图.壁厚对管道的影响作用径厚比(/)是管道设计时需要考虑的主要设计参数之一 由于本节保持管道的外径为 不再改变故壁厚的改变亦即是管道径厚比的改变 不同径厚比下的埋地管道在右旋走滑逆断层作用下的最大 应力曲线如图 所示不难看出:不同壁厚的管道在断层位移接近 时的最大 应力已经有明显差距 限于篇幅这里仅给出壁厚为.和 的管道在断层位移为.时的应变云图如图 所示 结果表明径厚比越大(即管壁越薄)的管道其变形越明显(为显示更加明显图 两壁厚模型未采用相同的缩放尺度)壁厚为.的管道出现的局部屈曲现象最为明显而壁厚为 和.的管道未出现明显的变形因此可以推断管道的壁厚越大径厚比越小最大 应力和最大轴向压应变值随断层的增长越慢管道的安全性越好 此外管道壁厚越小断层面两侧的管道最大轴向压应变点越接近断层面第 期张如林等:跨越断层的钢制埋地管道响应数值模拟研究图 不同壁厚管道在断层作用下的最大 应力.图 不同壁厚管道的应变云图.管道埋深对管道的影响作用选取三种不同埋深的管道进行比较分析管道埋深分别选取.、.和.断层面破裂到地表面其他参数与前面相同不再赘述 三种不同埋深的管道的最大轴向应变曲线如图 所示由图 可以看出:不同埋深管道的最大轴向压应变均随着断层位移的增大而增大 最大轴向压应变增长速度最快的为埋深为.的管道其次分别是.和.由图 可以看出:在三种埋深中最大轴向拉伸应变增长速度最慢的为埋深为.的管道而埋深为.和埋深为.的区别较小 因此在浅埋条件下管道的轴向压应变和轴向拉应变结果相比深埋情况要小建议在条件允许的情况下管道宜浅埋 图 不同埋深的跨断层管道最大轴向压应变 图 不同埋深的跨断层管道最大轴向拉应变 .结论以西气东输二线为工程背景采用有限元软件 对埋地钢制管道进行地震响应研究主要考虑断层位错量对管道力学性能的影响 主要研究了各种因素对断层作用下埋地管道的应力应变的影响得到各个因素对跨断层管道的影响作用主要结论如下:)随着断层位移量的增大管道的应力应变也随之变化 当位移量较小时最大 应力增长较快随着位移量的继续增大管道压缩部位产生局部屈曲导致最大轴向压缩应变数值骤增 管道的最大轴向应变点并不在断层面上而是在断层面的两侧 在跨断层区域建议使用高强度埋地管道世 界 地 震 工 程第 卷)管道内压和径厚比对管道均有一定的影响 管道有无内压的破坏模式不同:含内压管道为局部鼓胀屈曲即屈曲失稳破坏无内压管道为局部压溃即强度破坏 对于有压管道内压越大越容易遭受破坏 相同的断层位移下管道的最大轴向压应变随着管道径厚比的增大而增大 管道的壁厚越大即径厚比越小管道的安全性越好 在保证输送能力和经济允许的情况下应尽可能使用径厚比较小即管道壁厚较大的管道)在本文研究情况下浅埋能够减小断层作用下管道的最大轴向应变 为提高管道的安全性在断层位移量较大时可选择浅埋方式参考文献:甘文水 侯忠良.地震行波作用下埋设管线的反应计算.地震工程与工程振动 ():.():.().():.赵林 冯启民.埋地管线有限元建模方法研究.地震工程与工程振动 ():.():.().():.丰晓红.跨断层埋地输气管道断层错动反应分析方法研究.成都:西南石油大学.:.()樊苏楠 闫相祯.地震载荷作用下长输管线穿越断层应变设计.石油机械 ():.():.()刘啸奔 张宏 李勐 等.断层作用下埋地管道应变分析方法研究进展.油气储运 ():.():.()全恺 周晴莎.输气管道在走滑断层作用下的屈曲有限元研究.应用力学学报 ():.():.()曾希 董飞飞 廖恒 等.跨断层埋管力学行为的多参数模拟分析.武汉大学学报(工学版)():.():.()谭建为 梁光川 罗勇.跨断层埋地管段数值模拟分析研究.石化技术 ():.():.()赵新威 曾祥国 姚安林 等.地震载荷作用下埋地输气管道的数值模拟.石油机械 ():.():.().():.:./西气东输二线管道工程强震区和活动断层区段埋地管道基于应变设计导则.北京:石油工业出版社.:.():.:.:.:.:.