基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法在新粵浙斷層區(qū)管道上的應(yīng)用*

鄭 偉， 張 宏，2， 劉嘯奔， 陳嚴(yán)飛， 梁樂才

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2.克拉瑪依理工學(xué)院籌建辦公室，新疆克拉瑪依834000)

基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法在新粵浙斷層區(qū)管道上的應(yīng)用*

鄭 偉1， 張 宏1，2， 劉嘯奔1， 陳嚴(yán)飛1， 梁樂才1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2.克拉瑪依理工學(xué)院籌建辦公室，新疆克拉瑪依834000)

新粵浙管道是我國(guó)即將建設(shè)的最長(zhǎng)煤制氣管道，針對(duì)其穿越活動(dòng)斷層管段采用基于應(yīng)變的方法設(shè)計(jì)。介紹了管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則，明確了基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)校核標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用范圍?；诜蔷€性有限元法，給出了穿越活動(dòng)斷層管道應(yīng)變計(jì)算數(shù)值模型，模型采用管殼耦合的方法在保證計(jì)算精度的同時(shí)兼顧了經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)流程，給出新粵浙管道穿越活動(dòng)斷層實(shí)例的設(shè)計(jì)過(guò)程，為穿越斷層區(qū)管道設(shè)計(jì)建設(shè)提供了參考。

新粵浙管道；活動(dòng)斷層；基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)；有限元；抗震設(shè)計(jì)

0 前言

我國(guó)是地震損失最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，地震引發(fā)的地表永久性變形會(huì)導(dǎo)致埋地管道運(yùn)動(dòng)甚至破壞，是考驗(yàn)管道系統(tǒng)能否安全可靠運(yùn)行的重要因素，也是管道設(shè)計(jì)者和運(yùn)營(yíng)者必須關(guān)注的問題。新粵浙管道工程即中國(guó)石化新疆煤制天然氣外輸管道工程，線路全長(zhǎng)7 927 km，途經(jīng)13個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)），全線共有29處與活動(dòng)斷層相交，如何安全地穿越活動(dòng)斷層是管道工程建設(shè)的一個(gè)關(guān)鍵問題。本研究應(yīng)用了基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法，明確基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的流程與校核標(biāo)準(zhǔn)，建立了管道穿越活動(dòng)斷層有限元模型，對(duì)新粵浙斷層區(qū)管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保管道安全穿越活動(dòng)斷層，為管道建設(shè)提供了參考。

1 管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則

管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的各類管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中都有所體現(xiàn)。管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則是建立在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)思想和位移載荷作用的基礎(chǔ)上，允許管道的應(yīng)力超過(guò)材料屈服應(yīng)力，此時(shí)管道雖然發(fā)生塑性變形，但在未超過(guò)許用應(yīng)變的情況下，仍可以保證管道安全運(yùn)營(yíng)，充分發(fā)揮管道材料性能。針對(duì)活動(dòng)斷層、滑坡、采空等位移控制載荷的不良地質(zhì)災(zāi)害下進(jìn)行管道設(shè)計(jì)，更宜采用基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

基于應(yīng)變的管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：ε—各種載荷作用時(shí)管道可能產(chǎn)生的最大應(yīng)變；

εcrit—管材所能承受的極限應(yīng)變，為設(shè)計(jì)系數(shù)；

F—設(shè)計(jì)系數(shù)；

[ε]—許用應(yīng)變。如果管道設(shè)計(jì)應(yīng)變的計(jì)算值不超過(guò)許用應(yīng)變，則滿足安全要求，否則管道失效。

極限應(yīng)變求取方法按照CSA－Z662－03：2006標(biāo)準(zhǔn)附錄中方法求取，見公式（2）和公式（3），

δ—表觀CTOD韌性；

λ—區(qū)相比；

ξ—缺欠長(zhǎng)度與壁厚比率；

η—缺欠深度與壁厚比率；

t—管道壁厚;

D—管道外徑;

P—設(shè)計(jì)壓力;

Fy—有效屈服強(qiáng)度。

2 有限元模型

2.1 管材模型

新粵浙管道穿越活動(dòng)斷層管段選用國(guó)產(chǎn)L555HD大變形鋼管，管材應(yīng)力-應(yīng)變拉伸曲線屬于“圓屋頂”形，不含屈服平臺(tái)，相對(duì)普通鋼材管道有更好的變形能力和更高的屈服應(yīng)變。模型應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)選取管材真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在多條試驗(yàn)拉伸曲線中取最保守一條作為計(jì)算用曲線，如圖1所示。

圖1 管材拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線

2.2 管土相互作用

管土相互作用是復(fù)雜的非線性問題，ALA《Guideline for the Design of Buried Steel Pipeline》中提出的使用非線性土彈簧描述管土作用的方法在工程中得到了廣泛應(yīng)用。其采用3個(gè)方向的土彈簧描述土壤在軸向(KT)、側(cè)向(KP)和垂直方向(KQ)對(duì)管道的作用，作用方式如圖2(a)所示。土彈簧由極限作用力和屈服位移兩個(gè)量確定，如圖2(b)所示，其數(shù)值大小可由ALA規(guī)范求得。

2.3 單元選擇

圖2 土彈簧作用示意圖

殼單元主要用來(lái)模擬結(jié)構(gòu)1個(gè)方向尺度遠(yuǎn)小于其他方向尺度并忽略沿厚度方向應(yīng)力時(shí)的情況，模型與斷層相交附近管道使用ABAQUS中的S4R殼單元模擬，其能夠很好地描述管道的受力情況。兩側(cè)管道使用PIPE31管單元模擬，管單元屬于梁?jiǎn)卧囊环N，由管道截面屬性定義單元對(duì)載荷的響應(yīng)，計(jì)算成本小于殼單元。

在管道上的所有節(jié)點(diǎn)外建立同樣數(shù)量的土節(jié)點(diǎn)，并采用JOINTC單元連接管道與土節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬土彈簧的作用，JOINTC單元為ABAQUS中的一個(gè)特殊連接單元，可以用來(lái)描述兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間隨相對(duì)位移變化產(chǎn)生的相互作用力。

2.4 模型建立

針對(duì)大直徑薄壁管道，使用殼單元可以準(zhǔn)確模擬薄壁管道的力學(xué)行為。建立管道穿越活動(dòng)斷層有限元模型，管道應(yīng)足夠長(zhǎng)，用以真實(shí)地模擬斷層兩側(cè)的受力情況，如果管道全由殼單元模擬，直接導(dǎo)致計(jì)算成本的升高。為了縮減計(jì)算代價(jià)，常用等效邊界的方法模擬管道遠(yuǎn)端受力情況。

筆者采用管殼耦合模型分析管道受力，穿越斷層附近管道采用殼單元建模，殼單元管道模型長(zhǎng)100 m，環(huán)向20個(gè)單元，軸向0.2 m長(zhǎng)度一個(gè)單元；兩端采用管單元建模，長(zhǎng)度分別取1 000 m。

殼單元管道兩端與管單元管道耦合，將管單元管道端部作為控制點(diǎn)，約束殼單元管道端部區(qū)域的全部6個(gè)自由度，此區(qū)域的各節(jié)點(diǎn)之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，只會(huì)隨著控制點(diǎn)做剛性運(yùn)動(dòng)，即將管端行為傳遞給殼單元管道邊界。通過(guò)管殼耦合的方式縮減了單元數(shù)量和計(jì)算成本。模型如圖3所示。

圖3 管殼耦合模型示意圖

通過(guò)與全殼模型對(duì)比驗(yàn)證管殼耦合模型的正確性，取L555管道，管徑1 219mm，壁厚22mm，工作壓力10 MPa；全殼模型全長(zhǎng)2 000 m，管道均由殼單元建模；對(duì)比管道90°穿越走滑斷層，位錯(cuò)由0.5~4.5 m增加。

計(jì)算結(jié)果如圖4所示。管道穿越斷層產(chǎn)生變形和軸向拉伸，提取管道最大拉壓應(yīng)變值，可以看出純殼模型與管殼耦合模型結(jié)果一致；由于管殼耦合模型單元數(shù)少于純殼模型，計(jì)算效率顯著提高，如圖5所示。

圖4 兩種數(shù)值模型結(jié)果對(duì)比圖

圖5 兩種數(shù)值模型計(jì)算成本示意圖

3 工程應(yīng)用

3.1 基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)流程

開展管道抗震設(shè)計(jì)，需要先校核其抗拉伸和壓縮能力。根據(jù)斷裂帶參數(shù)、土壤參數(shù)和管道性能參數(shù)等計(jì)算設(shè)計(jì)應(yīng)變；利用經(jīng)驗(yàn)公式和試驗(yàn)等確定對(duì)應(yīng)管道的極限應(yīng)變，從而得到許用應(yīng)變；當(dāng)初始設(shè)計(jì)應(yīng)變不符合規(guī)范要求時(shí)，采取對(duì)應(yīng)抗震措施，直到設(shè)計(jì)應(yīng)變小于許用應(yīng)變，以保證管道安全運(yùn)營(yíng)。

3.2 案例背景

斷層參數(shù)：管道與開墾河斷裂帶相交，活動(dòng)斷層傾角為50°，性質(zhì)為左旋逆斷層，預(yù)測(cè)地表最大位錯(cuò)為垂直方向1.3 m，水平方向1.7 m，管道與活動(dòng)斷層設(shè)計(jì)交角為83°。

管道參數(shù)：穿越管道管材為L(zhǎng)555HD鋼，計(jì)算采用真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變拉伸曲線；管道初始設(shè)計(jì)參數(shù)為管徑1 219mm，設(shè)計(jì)壁厚22mm，設(shè)計(jì)壓力12 MPa，管道中心線埋深2.1 m。

土壤參數(shù)：穿越斷層管段管溝采用松砂回填，根據(jù)ALA《Guideline for the Design of Buried Steel Pipeline》中公式求得土彈簧參數(shù)見表1。

表1 土彈簧參數(shù)

許用應(yīng)變：大變形L555HD鋼材管道的許用拉伸和壓縮應(yīng)變求取參照CSA－Z662－03：2006中給出的經(jīng)驗(yàn)公式，鋼材特征參數(shù)取值參考西氣東輸二線大變形管材數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

表2 管道許用應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

3.3 設(shè)計(jì)過(guò)程

3.3.1 初步設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)首先計(jì)算設(shè)計(jì)工況下管道應(yīng)變，不滿足許用應(yīng)變時(shí)采取對(duì)管道淺埋、增大管道壁厚等措施。淺埋直接降低管土之間作用力，而增加壁厚加強(qiáng)了管道抵抗變形能力。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 初步設(shè)計(jì)校核結(jié)果 %

3.3.2 改變穿越角度

初步設(shè)計(jì)校核不滿足應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則時(shí)，應(yīng)考慮改變管道穿越活動(dòng)斷層的交角，改變穿越角直接影響管道受力情況。實(shí)際管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，斷層類型一般為組合斷層，即正逆斷層與走滑斷層的組合，不同于穿越單一走滑、正逆斷層，管道穿越組合斷層其最大應(yīng)變與穿越角沒有統(tǒng)一規(guī)律可循。針對(duì)此，設(shè)計(jì)校核時(shí)計(jì)算不同穿越角度下的設(shè)計(jì)應(yīng)變，擇優(yōu)選擇。

管道穿越開墾河斷裂改變穿越角度，結(jié)果如圖6所示。角度大于80°后由于壓應(yīng)變過(guò)大，計(jì)算不收斂；軸向最大拉、壓應(yīng)變隨著穿越角度增大而增大；當(dāng)穿越角度小于60°時(shí)，管道滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；原穿越角度為83°，綜合考慮安全設(shè)計(jì)及改線成本，管道以60°穿越為宜。

圖6 改變穿越角度應(yīng)變變化結(jié)果

3.3.3 設(shè)計(jì)建議

基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則，綜合設(shè)計(jì)過(guò)程，給出管道建設(shè)建議：管道穿越開墾河斷裂時(shí)，建議采用26.4mm壁厚L555HD管道，管道1.8 m淺埋并保證其與斷層交角為60°。

4 結(jié) 語(yǔ)

管道穿越活動(dòng)斷層作為長(zhǎng)輸管道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)中的關(guān)鍵問題越來(lái)越受到重視，筆者介紹了管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則，針對(duì)穿越活動(dòng)斷層管道建立有限元模型并進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

（1）穿越活動(dòng)斷層管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)宜采用有限元方法計(jì)算設(shè)計(jì)應(yīng)變；管殼耦合模型通過(guò)對(duì)與斷層相交殼單元管道和兩側(cè)對(duì)應(yīng)管單元管道進(jìn)行耦合，同時(shí)兼顧了計(jì)算精度與成本。

（2）通過(guò)新粵浙斷層區(qū)管道設(shè)計(jì)實(shí)例介紹了管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)流程；當(dāng)管道設(shè)計(jì)應(yīng)變超出許用應(yīng)變時(shí)，需采取抗震措施，包括松砂回填、增加管道鋼級(jí)、加大壁厚等；改變管道與斷層交角可以有效降低設(shè)計(jì)應(yīng)變，對(duì)于空間斜滑斷層，最優(yōu)交角需多次試算得出。

［1］CSA－Z662－03:2006,Oil and Gas Pipeline Systems[S].

［2］American Lifelines Alliance： 2001， Guideline for the Design of Buried Steel Pipeline[S].

［3］GB 50470—2008，油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范[S].

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[13]Q/SY GJX 0136—2008，西氣東輸二線管道工程強(qiáng)震區(qū)和活動(dòng)斷層區(qū)段埋地管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].

Application of the Strain-based Design Method in Area of fault of XinYueZhe Pipeline

ZHENG Wei1,ZHANG Hong1,2,LIU Xiaoben1,LIANG Lecai1,FANG Maoli3
（1.College of Mechanical and Transportation Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2.Preparation Office of Karamay Institute of Technology,Karamay 834000,Xinjiang,China)

The XinYueZhe pipeline is the longest coal-to-gas pipeline to be constructed in China.The strain-based design method will be applied in the pipeline through active fault.In this article,the design criteria,check standard and applied range of strain-based design method were introduced.The numerical model of pipeline through active fault was set up based on the nonlinear finite element method.This model adopted pipe shell coupling method,which ensures the calculation accuracy and also with good efficiency.Combined with the strain-based design flow,the design process of the pipeline crossing the active area of fault instance was given,which provides reference for design and construction of pipeline through area of fault.

XinYueZhe pipeline;active fault;strain-based design method;finite element method;aseismatic design

TE832

B

1001－3938（2015）04-0038-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：51309236）；

教育部博士點(diǎn)基金（項(xiàng)目編號(hào)：20120007120009）；

中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司科學(xué)研究項(xiàng)目：基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)技術(shù)研究（項(xiàng)目編號(hào)：2013406）。

鄭偉（1990—），男，碩士研究生，主要從事油氣管道失效分析、安全評(píng)價(jià)及石油石化安全研究。

2014－12－11

羅 剛