斷層內(nèi)含體積型缺陷的埋地管道錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)分析

李鴻鵬 劉 武 豐曉紅 張洪奇 許春林

1.中國石油西氣東輸管道公司， 江蘇 泰興 225419；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 四川 成都 610500；3.山東省天然氣管道有限責(zé)任公司， 山東 濟(jì)南 250001;4.中國石油天然氣管道公司， 江蘇 揚(yáng)州 225261

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斷層內(nèi)含體積型缺陷的埋地管道錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)分析

李鴻鵬1劉 武2豐曉紅3張洪奇4許春林1

1.中國石油西氣東輸管道公司， 江蘇 泰興 225419；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 四川 成都 610500；3.山東省天然氣管道有限責(zé)任公司， 山東 濟(jì)南 250001;4.中國石油天然氣管道公司， 江蘇 揚(yáng)州 225261

體積型缺陷;埋地管道;斷層錯(cuò)動(dòng);抗震安全性

0 前言

近年來，我國地震頻發(fā)，對穿越活動(dòng)斷層段的埋地管道造成了極大影響。埋地管道的運(yùn)行壓力一般較高，一旦發(fā)生泄漏可能導(dǎo)致火災(zāi)甚至爆炸，對整個(gè)管道輸送系統(tǒng)和周邊環(huán)境帶來巨大的危害[1]。目前規(guī)范中采用了理論解析法計(jì)算埋地管道在斷層錯(cuò)動(dòng)下的應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)，O’Rourke M等人[2]采用數(shù)值模型對跨斷層管道的反應(yīng)進(jìn)行了分析，并將所得數(shù)值結(jié)果與已有理論解析結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明：管道受拉應(yīng)力時(shí)Kennedy方法較為合理，但在逆斷層作用下管道受壓縮作用時(shí)則必須采用數(shù)值分析法進(jìn)行分析。薛景宏等人[3]提出了彈簧-管道-土體模型，用實(shí)體單元對斷層面兩側(cè)的土體進(jìn)行離散，管道大變形段之外的管土作用利用土彈簧單元進(jìn)行模擬，利用該模型，算例的計(jì)算結(jié)果與目前規(guī)范中采用的經(jīng)典解析法的計(jì)算結(jié)果相差較大，證實(shí)了目前規(guī)范中采用的經(jīng)典解析法相對于有限元方法的局限性。馬業(yè)華等人[4]在研究含體積型缺陷管道的安全評定技術(shù)過程中，利用ANSYS軟件，結(jié)合VS 2005、Access及ANSYS中的APDL語言開發(fā)了一套含缺陷管道安全評定系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對含缺陷管道數(shù)據(jù)庫的管理，完成各種形狀下缺陷的參數(shù)化建模、計(jì)算機(jī)安全評定工作，可用于在役管線的安全性評估工作，為含缺陷管道的安全評定研究工作提供了有力的工具。舒安慶等人[5]利用數(shù)值分析研究了腐蝕缺陷的寬度、長度及深度對壓力管道極限載荷的影響，并將有限元計(jì)算結(jié)果與ASME B 31 G《腐蝕管道剩余強(qiáng)度評價(jià)手冊》[6]計(jì)算結(jié)果以及全尺寸爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了有限元方法對含缺陷管道計(jì)算分析的有效性。

利用有限元方法可以對含缺陷管道在斷層錯(cuò)動(dòng)下的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)更精確的模擬計(jì)算，但在實(shí)際應(yīng)用中不可能對每一段管道都進(jìn)行有限元建模計(jì)算，建模和計(jì)算過程將耗費(fèi)大量的時(shí)間和物力，也非常不經(jīng)濟(jì)。為此，高田次郎、Nemat Hassani和Katsumi Fukuda在有限元計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出了可用于工程設(shè)計(jì)的簡化計(jì)算公式，劉愛文在高田次郎分析模型不足之處的基礎(chǔ)上，結(jié)合跨斷層埋地管道影響參數(shù)研究，給出了新的跨斷層埋地管道地震反應(yīng)計(jì)算公式[7-10]。

國內(nèi)外針對跨斷層埋地管道地震反應(yīng)的研究，主要是針對無缺陷管道，而對于斷層內(nèi)帶有缺陷的埋地管道在地震作用下反應(yīng)的研究相對較少，本文利用有限元方法，分析斷層內(nèi)含有體積型缺陷的埋地管道在錯(cuò)動(dòng)下的反應(yīng)，研究不同的缺陷參數(shù)對管道應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)的影響，結(jié)合ASME B 31 G《腐蝕管道剩余強(qiáng)度評價(jià)手冊》評價(jià)方法和抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，對斷層錯(cuò)動(dòng)下含缺陷管道的安全性進(jìn)行評估。

1 含缺陷管道在斷層錯(cuò)動(dòng)下的反應(yīng)

管道缺陷類型以體積型缺陷最為常見，見表1。

表1 管道缺陷類型及表現(xiàn)形式

管道體積型缺陷見圖1。體積型缺陷的存在直接導(dǎo)致管壁減薄和管道承壓能力下降，甚至導(dǎo)致管道發(fā)生塑性變形硬化?？紤]到油氣管線的重要地位和發(fā)生事故的危害性及事故后維修維護(hù)費(fèi)用，對在地震作用下含缺陷埋地管道進(jìn)行安全評定十分必要。

圖1 管道體積型缺陷示意圖

根據(jù)某管線相關(guān)參數(shù)建立有限元實(shí)體模型：管線材質(zhì)為X 70鋼，管徑762 mm，壁厚15 mm，管材密度7 850 kg/m3，管道埋深1.5 m，管道內(nèi)壓6 MPa，斷層類型為正斷層，對于管道的作用主要是拉伸破壞，斷層交角為45°，錯(cuò)動(dòng)量為0.3～1.5 m，管道周圍為砂黏土，土體密度1 900 kg/m3，內(nèi)摩擦角20°。

選用Solide 45單元對管道本體進(jìn)行離散,Combin 39土彈簧單元對管道-埋地土之間的相互作用進(jìn)行模擬[11]；考慮到埋地管道在斷層作用下的大變形段一般為30～70倍管徑[12-15]，故有限元模型中管道和斷層的長度選定為100 m。在腐蝕缺陷處將網(wǎng)格適度加密，缺陷附近處管道的網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 管道缺陷處的網(wǎng)格劃分

圖3 不同斷層錯(cuò)動(dòng)量下管道的縱向位移

由圖3可以看出，埋地管道的縱向位移隨著斷層錯(cuò)動(dòng)量的增加而增大，管道大變形段集中在斷層面兩側(cè)較小范圍內(nèi)。圖4和圖5分別展示了有無缺陷管道在斷層錯(cuò)動(dòng)量0.3 m時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變云圖，管道應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在管道大變形段的頂部和底部位置，由于缺陷的存在，管道在斷層錯(cuò)動(dòng)下的應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)域明顯增大，應(yīng)力應(yīng)變峰值增長較大。

圖6和圖7分別為有無缺陷管道的頂部應(yīng)力和底部應(yīng)變分布圖，可以看出，管道的大變形區(qū)域集中在斷層兩側(cè)13～20倍管徑長度范圍內(nèi)。在大變形區(qū)域內(nèi)，有無缺陷管道的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律基本相同，但數(shù)值差異較大，算例中含缺陷管道的最大應(yīng)力約為無缺陷管道的1.79倍，最大應(yīng)變約為無缺陷管道的1.5倍，缺陷的存在對管道在斷層錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)產(chǎn)生的影響不可忽略。

a)無缺陷管道

b)含缺陷管道圖4 有無缺陷管道在斷層錯(cuò)動(dòng)下的應(yīng)力云圖

a)無缺陷管道

b)含缺陷管道圖5 有無缺陷管道在斷層錯(cuò)動(dòng)下的應(yīng)變云圖

圖6 有無缺陷管道的頂部應(yīng)力分布

圖7 有無缺陷管道的底部應(yīng)變分布

2 缺陷參數(shù)對埋地管道錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)的影響

2.1 缺陷深度對管道錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)的影響

a)30 壁厚的腐蝕深度

b)60 壁厚的腐蝕深度圖8 不同腐蝕深度的缺陷示意圖

a)30 缺陷深度

b)60 缺陷深度

2.2 缺陷面積對管道錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)的影響

由圖11不同缺陷面積下管道的應(yīng)力應(yīng)變分布曲線可知，相較于無缺陷管道，含缺陷管道在相同位置上的應(yīng)力值約為無缺陷管道應(yīng)力值的1.25～1.37倍。在同一缺陷深度下，缺陷面積越大，管道的最大應(yīng)力值越大，管道的最大應(yīng)變則隨著缺陷面積的增大而減小。缺陷的存在對管道軸向產(chǎn)生的影響較大，在距離管道缺陷中心20倍管徑長度以外的管段已基本不受缺陷的影響。由計(jì)算結(jié)果可以看出，缺陷面積對于管道應(yīng)力應(yīng)變的影響較小，當(dāng)管道的最大應(yīng)力小于管道的圓周斷裂應(yīng)力時(shí)，在一定范圍內(nèi)，同等條件下含較大缺陷面積管道的最大應(yīng)變值反而較小，對管道錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)的影響越小。

a)不同缺陷深度下管道應(yīng)力曲線

b)不同缺陷深度下管道應(yīng)變曲線

a)不同缺陷面積下管道應(yīng)力分布曲線

b)不同缺陷面積下管道應(yīng)變分布曲線

2.3 缺陷位置對管道錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)的影響

當(dāng)缺陷位于管道中心時(shí)，管道的應(yīng)力峰值出現(xiàn)在斷層面兩側(cè)約6.6倍管徑長度位置，且數(shù)值相對較小；當(dāng)缺陷位于管道的大變形段時(shí)，在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，管道的應(yīng)力應(yīng)變峰值點(diǎn)出現(xiàn)在缺陷位置，且管道的最大應(yīng)力值相對于缺陷位于管道中心時(shí)增大了約1.3倍。同等條件下，缺陷位于管道底部時(shí)，對管道錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)的影響最大，缺陷位于管道側(cè)面時(shí)對管道錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)的影響最小。不同缺陷位置的管道在斷層錯(cuò)動(dòng)下的應(yīng)力應(yīng)變分布曲線見圖13。

a)管頂

b)管側(cè)

a)不同缺陷位置下管道應(yīng)力分布

b)不同缺陷位置下管道應(yīng)變分布曲線

3 斷層內(nèi)含缺陷管道的安全性分析

在正斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，埋地管道主要受拉伸作用。本文根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果與ASME B 31 G《腐蝕管道剩余強(qiáng)度評價(jià)手冊》中的管道圓周斷裂應(yīng)力進(jìn)行對比，結(jié)合簡化計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果，對斷層錯(cuò)動(dòng)作用下埋地管道的安全性進(jìn)行評價(jià)。GB 50470-2008《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》[12]中針對組焊管道材料的容許拉伸

應(yīng)變的規(guī)定見表2；針對不同缺陷參數(shù)下管道的安全性評價(jià)數(shù)據(jù)見表3～4。

表2 管道材料容許的拉伸應(yīng)變

表3 不同缺陷深度管道最大應(yīng)力應(yīng)變

表4 含缺陷管道不同埋地土質(zhì)下的最大應(yīng)力應(yīng)變

4 結(jié)論

1)基于Solid 45和Combin 39單元建立了斷層內(nèi)含體積型缺陷的埋地管道錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)模型。管道的縱向位移隨斷層量的增大而增大，管道的大變形段集中在斷層面兩側(cè)約40倍管徑長度范圍內(nèi)。

3)在管道軸向方向上，缺陷位于管道大變形段內(nèi)時(shí)對管道的錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)影響最大；在管道環(huán)向方向，缺陷位于管道底部對管道的影響高于缺陷位于管頂和管側(cè)。

4)基于具體管段的數(shù)值模擬、ASME B 31 G《腐蝕管道剩余強(qiáng)度評價(jià)手冊》中的圓周斷裂應(yīng)力和現(xiàn)行的抗震規(guī)范，建立了斷層內(nèi)含體積型缺陷的埋地管道在斷層錯(cuò)動(dòng)下的安全性評判準(zhǔn)則。針對具體管道在斷層錯(cuò)動(dòng)下的安全性進(jìn)行了分析評判。

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2015-04-20

四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2013 JY 0098)

李鴻鵬(1988-),男，江蘇徐州人，助理工程師，碩士，主要從事長輸天然氣管道運(yùn)行與安全技術(shù)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.001