基于抗震的油气管道管沟设计方法研究

全 佳 李枢一 董江洁 边文娟

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中国石油化工股份有限公司天然气分公司, 北京 1001201;3. 中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司采气一厂, 新疆 克拉玛依 834000

0 前言

随着埋地管道在油气输送中应用日益广泛,埋地管道在地震等地质灾害中的安全问题受到极大关注[1]。而埋地环境受地质灾害影响较大,分析其抗震问题较复杂[2-3]。

在位移控制载荷的管道设计中,例如滑坡、海底管道敷设和地震的情况,管道应力已超过屈服极限,此时采用以应变为基础的设计更为合适[4-5]。该方法充分利用管材的抗变形能力,同时保持了结构的稳定性,主要应用于可能造成管线产生较大应变的地区,如地震多发区、冻土区。

对基于管沟参数的埋地管道抗震,国内外已有管线穿越断层的管沟设计研究,本文以应变理论为基础,从管沟设计方向来研究如何提高埋地管道的抗震性。

1 管土相互作用模型的建立

1.1 模型假设

1)根据埋地管道与地基土体的刚度特性,管道在地震时将伴随周围土体一起变形[6-7]。所以假定管道将承受与周围土体同样的纵向和横向变形引起的应变。

2)在建立管土相互作用模型时,管道两端位移约束对管道中间部位的反应影响很小,因此将管道两端视为自由边界[8]。最终分析截取管道中间段,这样可忽略管道两端边界效应。

1.2 基本参数

管道:外径1.219 m，壁厚0.022 m，管长600 m，管道材质X 80。

管材密度7 851 kg/m3,管材弹性模量210 GPa,管道埋深取2.0 m。

土壤:管沟采用砂土,密度18 kN/m3;内摩擦角为35°,管沟内土壤弹性模量30 MPa;周围土21.8 m×13.3 m,弹性模量1 000 MPa;管沟坡度取10∶1;管沟底宽1.8 m。

管土之间摩擦系数0.38。

1.3 管土相互作用模型

对于埋地管道的研究,必须把管道周围一定范围内的土体作为结构的一部分加以考虑,即考虑管土相互作用问题[9];并且地震作用是通过周围的约束土壤进行传递的[10-15]，因此本文首先建立了管土相互作用模型。

本文将土体简化为四个方向的土弹簧:轴向土弹簧、水平方向土弹簧、垂直方向向上举升的土弹簧和垂直方向承载土弹簧。

对于轴向土弹簧刚度的获得，采取ASCE油气管道抗震设计指南[16]来确定，经计算得到轴向土弹簧刚度为1.67×107N/m。水平横向、垂直方向承载土弹簧的特性通过实际管沟截面内的平面应变有限元分析获得[17]:水平方向土弹簧刚度为3.91×107N/m,垂直正方向土弹簧刚度为1.77×107N/m,垂直负方向土弹簧刚度为3.37×107N/m。

得到四个方向的土弹簧刚度,建立管土相互作用模型,管道单元共301个节点,每个节点处连接四个方向的弹簧,利用ANSYS软件建立管土相互作用模型。

2 地震波的选取

管道一般埋于中硬土、中软土中,由GB/T 50470-2017《油气输送管道线路工程抗震技术规范》[18]可知,地震波波速一般为150～500 m/s，本文地震波剪切波速取300 m/s;地震波加速度为0.2倍重力加速度,即0.2 g;地震特征周期Tg为0.35 s。

ANSYS软件在解决地震波输入问题时,有三种激励途径:用ACEL命令指定结构的加速度时程，大质量法，施加位移时程载荷[19]。为了能很好体现管线与土的相互作用变形,本文采用时间—位移关系时程载荷。

地基土体(周围土体)的变形,可简单地按表面波理论进行分析[20]。这样地震时的地面运动非常近似于正弦波型的平面弹性波,此地面运动特性可描述为:

(1)

式中：y(x,t)为地震时地基土体的位移量，m;x为水平距离，m；t为时间，s；a0为地面运动的位移振幅，取0.1 m；T为地面运动的特征周期，取0.35 s；v为地震波的传播速度，取300 m/s。

3 管道动力响应分析及其影响因素

3.1 加载和求解

对于管土相互作用模型,施加式(1)所示的正弦载荷。对该模型的求解,分别采用了一维加载和三维加载。

一维加载：分别对管道轴向(X方向)、管道竖直方向(Y方向)、管道横向(Z方向)施加正弦位移载荷。

三维加载：同时施加X、Y、Z三个方向的位移时程载荷进行分析。

无论是具体的震害,还是大量的实验表明,埋地管道受地震波作用时,管道的横向响应远远小于轴向响应[21-22],因此以下的分析主要针对管道的轴向应变。

3.2 结果及分析

3.2.1 一维加载结果及分析

分别对X、Y、Z三个方向施加位移时程载荷,得到600 m管道150节点(约300 m处)的位移时程曲线，见图1。

由图1可以看出,只施加X方向位移载荷时管道位移最小,而分别施加Y、Z方向位移时程载荷时,二者的位移值比较接近,而且接近施加的位移载荷值。

图1 分别施加X、Y、Z方向位移时程载荷时,管道中间节点位移时程曲线

三个方向分别施加位移时程载荷时,管道中间段(198～498 m)的最大轴向拉应变分别出现在管道的458、458、478 m处,最大轴向拉应变分别为13.68×10-4、3.60×10-4、5.04×10-4。由此可见,施加X方向的位移载荷产生的位移最小,而产生的管道轴向拉应变却是最大的,因此施加管道轴向方向的位移时程载荷对管道影响相对较大。

3.2.2 三维加载结果及分析

图2为管沟内管道模型。考虑到管道两端效应,主要考察管道中间段的单元,如下列举了管道150单元的轴向应变(图2中5、13、21、29点)时程反应,见图3～6。

图2 管沟内管道模型

图3 150单元截面的5点轴向应变时程曲线

图4 150单元截面的13点轴向应变时程曲线

图5 150单元截面的21点轴向应变时程曲线

图6 150单元截面的29点轴向应变时程曲线

图3～6为管道150单元截面45°及135°方向的轴向应变曲线,基本呈余弦变化趋势,与输入的波形相似。

同时施加三个方向时程位移载荷时,管道产生最大轴向拉应变15.15×10-4,这比单向施加时程位移载荷所产生的最大轴向拉应变值都要大,并且与只施加X方向时程位移载荷所产生的应变值比较接近。在三个方向时程位移载荷同时作用时,对管道产生的拉伸作用更大。以下主要针对三个方向时程位移载荷同时作用时,对管道的影响因素分析。

3.3 影响因素分析

3.3.1 管道长度

考虑到管道长度对管道轴向应变的影响,对管土相互作用模型的管长分别取200、400、600、800、1 000 m来进行模拟,其它参数不变。

不同管长下,同时施加三个方向时程位移载荷。取中间段节点的最大轴向应变对比，见图7。

图7 不同管长下,管道的最大轴向应变趋势

由图7可以看出,同时施加X、Y、Z三个方向载荷时,管道所产生的最大轴向应变值在管长为200～600 m时变化幅度较大,超过600 m后变化幅度较小。当应变值变化幅度小时,管长对管道最大轴向应变值的影响就较小。

另外,不同管长下,三个方向同时施加位移时程载荷,得到不同埋深下各管长中间节点的轴向最大正向位移值、最大负向位移值,见图8～9。

图8 各管长中点正向最大位移变化趋势

图9 各管长中点负向最大位移变化趋势

由图8～9可以看出,管长200、400 m时,管长中点位移负向最大值的变化趋势均不稳定,出现突起或凹下点,而管长大于600 m时,中间节点的最大正向位移值基本都很接近。可以看出,管长超过600 m时,管长对管道动力响应影响也较小。

因此进行管道的响应分析,只要管长取600 m,就可以忽略管长这一因素对结果的影响。因此后面分析其它因素对管道动力响应的影响时,管长均取600 m。

3.3.2 管道埋深

当管沟底宽1.8 m、坡度10∶1、土弹性模量30 MPa时,只考虑埋深因素对管道应变的影响。对管土相互作用模型同时施加三个方向载荷。取管道中间段节点(管段200～500 m)的应变值对比,得到管道轴向最大应变趋势见图10。

图10 不同埋深下管道的最大轴向应变趋势

3.3.3 管沟底宽

当管道埋深2.0 m,管沟坡度10∶1、土弹性模量 30 MPa 时,只考虑管沟底宽因素对管道应变的影响。

对模型同时施加三个方向载荷。取管道中间段节点(管段200～500 m)的应变值对比,得到管道轴向最大应变趋势见图11。

图11 不同管沟底宽下管道产生的最大轴向应变趋势

3.3.4 管沟坡度

当管道埋深2.0 m,管沟底宽1.8 m、土弹性模量 30 MPa 时,只考虑管沟坡度因素对管道应变的影响。对模型同时施加三个方向时程位移载荷。取管道中间段节点应变值对比,得到管道轴向最大应变趋势见图12。

图12 不同管沟坡度下,管道产生的最大轴向应变趋势

3.3.5 管沟内土弹性模量

当管道埋深2.0 m,管沟坡度10∶1、管沟底宽1.8 m时,只考虑管沟内土弹性模量因素对管道应变的影响。对模型进行了三个方向加载。取管道中间段节点应变值对比,得到管道轴向最大应变趋势见图13。

图13 不同土弹性模量下,管道产生的最大轴向应变趋势图

4 结论

本文通过有限元软件ANSYS建模,分析在地震波作用下各不同管沟参数对管道应变的影响,得出设计管沟的最优方案。

1)管道浅埋、管沟底宽大时利于抗震,考虑到经济性,管沟底宽较大则施工难度加大,带来了较大的工作量,因此在具体工况下可以适当调整。

2)土弹性模量较小的环境下管道拉应变比较小,因此将管道埋于土弹性模量较小的砂土环境利于抗震。

3)管沟坡度为1∶1时,管道轴向拉应变最小也最利于抗震。