埋地天然氣管道地震反應數(shù)值模擬分析

杜國鋒，宋 鑫 （長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

埋地天然氣管道地震反應數(shù)值模擬分析

杜國鋒，宋 鑫 （長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

油氣管道是國家工業(yè)生產(chǎn)、人民生活的重要能源設施，一旦遭遇地震破壞將造成重大危害與損失，如何提高油氣管道的抗震能力尤為重要。利用大型通用有限元軟件ANSYS10.0模擬分析天然氣管道在僅有內(nèi)壓情況下的地震動力反應。結(jié)果表明：不同埋土條件對管道地震反應影響很大，管道內(nèi)壓、管徑等對其影響較小。研究成果為埋地天然氣管道的抗震研究提供依據(jù)。

天然氣管道；地震作用；數(shù)值分析

自從1986年我國第一條跨地區(qū)輸氣管道 “中－滄”（河南濮陽至河北滄川）管道建成投產(chǎn)以來，我國先后投資建設了 “陜－京”一線、“陜－京”二線、“西氣東輸”一線、“西氣東輸”二線、“川氣東輸”、“忠－武”（重慶忠縣至武漢）管道、“陜－京”三線 （陜西榆林至北京昌平區(qū)西沙屯末站）、“冀－寧”（河北安平至江蘇青山）管道等一大批跨地區(qū)輸氣管道。截止2008年底，我國已建油氣管道的總長度約為6.4×104km，其中天然氣管道3.2×104km［1］?！笆濉逼陂g，我國將重點進行中－哈原油二期、中－亞天然氣、中－俄天然氣、中－緬油氣 “四大油氣資源戰(zhàn)略通道”、聯(lián)絡線及配套支線建設。預計全國將新建油氣管道約5×104km；到2015年，全國油氣管道的總里程將達到約12×104km［2］。我國是一個地震頻發(fā)的國家，地震中許多燃氣管道發(fā)生了不同程度的破壞，嚴重影響了人們的生產(chǎn)和生活，并引起了嚴重次生災害［3］。因此，研究和提高天然氣管道的抗震性能是人們一直關(guān)注的問題。未來油氣管道將朝著大口徑、高壓力等趨勢發(fā)展，對管道抗震性能研究提出了更高的要求。為此，筆者利用大型通用有限元軟件ANSYS10.0建立了埋地天然氣管道的土彈簧分析模型，考慮了管道的管徑、內(nèi)壓、土彈簧剛度等因素對其抗震性能的影響。

1 有限元模型的建立

目前，關(guān)于埋地管道的常用理論模型有2種，一種是假設管道埋于無限空間中，土介質(zhì)為線彈性介質(zhì)，管道與土之間的相互作用采用半無限空間中土－管道相互作用剛度來考慮，建立土－管聯(lián)動方程；另一種是采用彈性地基上的連續(xù)梁進行分析，土體對管道的作用以分布的彈簧來模擬，土體和管道可以相對運動［4］。該次研究采用第二種理論模型進行分析。

在利用有限元分析方法進行埋地管道研究中，主要有2種分析方法，一種為梁單元法，另一種為殼單元法［5］。無論是梁單元法還是殼單元法，土與管體之間的相互作用是連接在管單元節(jié)點上的軸向和橫向土彈簧 （包括水平向土彈簧和垂直向土彈簧）來考慮，如圖1所示。這些彈簧分別用來模擬管軸方向的土摩擦力，水平方向和垂直方向的土壓力。在該次研究中，為了簡化計算，忽略了軸向土的摩擦力，只考慮土體豎向和側(cè)向的壓力。管和土的相互作用采用COMBIN14彈簧單元模擬。鋼管采用梁單元模擬，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 模擬埋地管道－彈簧模型

圖2 管道模型網(wǎng)格劃分

2 算例及計算結(jié)果分析

該次研究的算例采用的管道內(nèi)直徑分別為440、640、840、1040、1440mm，壁厚均20mm，管道長度均9m，彈性模量210GPa，泊松比0.3；管道埋地深度均3m，管道內(nèi)部施加壓力分別0.1、0.2、0.5MPa；場地土剪切波速500m/s，泊松比0.333；邊界條件采用固端邊界模型，輸入一組人工地震波。分析表明，在軸向地震作用下，管道橫向的位移響應幅值很小，管道軸向位移響應要遠遠大于橫向位移響應。圖3給出了管徑為440mm，內(nèi)壓為0.1MPa管道上525和1085節(jié)點 （在管道軸向三等分點處，左為525節(jié)點，右為1085節(jié)點）在軸向地震作用下的軸向和橫向位移時程曲線 （兩點相同）。

圖3 節(jié)點525、1085位移時程曲線

圖4 不同管徑情況下節(jié)點525位移時程曲線

2.1 管徑對埋地管道軸向動力反應的影響分析

為了考察管道直徑對埋地管道軸向動力反應的影響，利用內(nèi)壓強度為0.1MPa，管徑分別為440、640、840、1040、1440mm的管道進行模擬分析。圖4為不同直徑管道在同一地震作用下的位移時程曲線，通過比較各不同管徑情況下管道的時程位移曲線發(fā)現(xiàn)，當其他因素相同時，各管道的位移時程形態(tài)基本相同，說明管徑的變化對埋地管道的位移反應影響不大。但是，通過比較其相應的峰值位移發(fā)現(xiàn)（如表1所示），隨著管徑的增大，相應峰值位移減小，減小幅度分別為0.8%，1.8%，2.6%，4%，下降的幅度很小。

表1 不同直徑管道在地震荷載作用下的峰值位移

2.2 內(nèi)壓對埋地管道動力反應的影響分析

由于未來天然氣管道朝著高壓強的趨勢發(fā)展，為了研究氣體壓強對埋地管道地震動力反應的影響，利用直徑440mm管道建立了內(nèi)氣壓強度分別為0.1、0.2、0.5MPa的有限元模型。圖5和圖6為節(jié)點525在不同管內(nèi)氣壓強度時同一地震作用下X方向和Y方向上的位移時程曲線。通過對比發(fā)現(xiàn)，當其他條件均相同時，僅改變管道內(nèi)氣壓的強度時，相關(guān)節(jié)點同一方向上位移時程曲線形態(tài)基本相同，峰值位移變化隨著氣壓強度的增加稍有增大，Y方向峰值位移增大的幅度比X方向峰值位移增大的幅度要大；但同一節(jié)點X方向與Y軸方向的時間－位移明顯有差別，X方向最大位移明顯要大于Y方向，說明管道內(nèi)壓強度的變化對管道地震動力反應有一定影響，但影響不大。

圖5 節(jié)點525的X方向位移時程曲線

圖6 節(jié)點525的Y方向位移時程曲線

2.3 土彈簧剛度對埋地管道動力反應的影響分析

埋地天然氣管道在長距離運輸過程中會穿越不同的泥土介質(zhì)，在不同的泥土介質(zhì)中地震動力響應必然會有一定差異，筆者用土彈簧單元模擬泥土。為簡化不同泥土介質(zhì)的影響，此處僅考慮土彈簧剛度的變化，土彈簧剛度分別為5、15、50MPa，利用直徑為440mm，內(nèi)壓為0.1MPa的管道建立有限元模型，沿X方向輸入地震波。圖7為節(jié)點525在不同土彈簧剛度時同一地震作用下X方向的位移時程曲線。通過對比發(fā)現(xiàn)，當其他條件均相同，僅改變支撐管道的土彈簧剛度時，隨著土彈簧剛度的增大，質(zhì)點振動的形式大致相同，但是質(zhì)點振動的平衡位置逐漸向X軸平移靠攏，且質(zhì)點振動的幅度明顯減小。

2.4 跨越不同土介質(zhì)時埋地管道的地震動力反應分析

在實際工程中，埋地管道可能跨越不同的泥土介質(zhì)，為研究在不同的泥土介質(zhì)附近埋地管道的地震動力響應，利用直徑440mm，內(nèi)壓0.1MPa管道建立有限元模型，沿X軸方向輸入地震波，模擬了埋地管道穿越2種不同泥土介質(zhì)的情況，不同的泥土介質(zhì)分別用不同剛度的土彈簧來模擬，2種不同泥土介質(zhì)界限在管道中點處。2種土彈簧的剛度比值分別為1 （5MPa/5MPa），3 （15MPa/5MPa），6（30MPa/5MPa）。通過對比節(jié)點525在不同剛度比時的位移時程曲線發(fā)現(xiàn)，隨著土彈簧剛度比值的增大，質(zhì)點振動的平衡位置逐漸向X軸平移靠攏，質(zhì)點振動的形態(tài)相近，幅度有所減小。525節(jié)點和1085節(jié)點的位移差異不大，原因在于管道剛度較大，且管道長度較短，外界約束對其影響不大。

圖7 考慮土彈簧剛度影響的節(jié)點525 X方向位移時程曲線

圖8 考慮2種介質(zhì)差異影響的節(jié)點525 X方向位移時程曲線

3 結(jié) 語

采用有限元軟件對地震作用下埋地天然氣管道進行了軸向和橫向激勵的動力反應模擬，分析了不同影響因素對埋地天然氣管道的影響。結(jié)果表明，不同管徑的管道在地震作用下位移響應形態(tài)基本相同，但位移峰值隨管徑的增加呈現(xiàn)減小的趨勢；管內(nèi)氣壓對管道的位移反應影響較小；土彈簧剛度對埋地管道的地震響應影響較大。

［1］蒲南明.中國油氣管道發(fā)展現(xiàn)狀及展望 ［J］.國際石油經(jīng)濟，2009，17（3）：40～47.

［2］田瑛剌，甄建超，孫春良，等.我國油氣管道建設歷程及發(fā)展趨勢 ［J］.石油規(guī)劃設計，2011，22（4）：4～8.

［3］周偉罾，張中秀，孔令令.城市燃氣管網(wǎng)的震害分析及減災對策 ［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2009.31（4）：70～74.

［4］張陵，郭惠勇，孫清，等.長輸管道抗震研究的進展與趨向 ［J］.西安交通大學學報，2001，35（2）：203～209.

［5］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.

Numerical Simulation on Earthquake Reflection of Buried Gas Pipeline

DU Guo－feng，SONG Xin（Authors'Address：College of Urban Construction，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）

Natural gas pipeline was an important energy facility concerning China's industrial production and people's life，if it was damaged by earthquake，it would induce serious hazards and losses，therefore it was very important to improve the anti－earthquake ability.A powerful finite element software ANSYS was used to simulate its dynamic earthquake reaction under the condition of internal pressure.The result shows that different burial conditions have different earthquake reactions on the pipeline，its internal pressure and diameter has less influence on it.It provides basis for studying the anti－earthquake of the buried gas pipeline.

gas pipeline；earthquake reaction；numerical analysis

TE973

A

1000－9752（2012）03－0157－04

2011－12－20

中國石油科技中青年創(chuàng)新基金項目 （2001D－5006－0605）；中國博士后科學基金項目 （20110491155）。

杜國鋒 （1975－），男，1998年江漢石油學院畢業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)主要從事油氣田工程防災減災等研究工作。

［編輯］ 蘇開科