基于長輸管道在地震作用下安全性研究

李勇志

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

基于長輸管道在地震作用下安全性研究

李勇志

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

在破壞和威脅長輸管道安全性中，地震是其中最嚴重的影響條件之一。近年來，頻繁發(fā)生地震災(zāi)害，并且隨著大口徑和高壓力的管道鋼的投入使用和很多大型石油管道工程建設(shè)，對在地震作用下長輸管道安全性研究，從而保證管道安全可靠的運行有著重要意義。

地震；長輸管道；有限元理論

由于我國西氣東輸?shù)膽?zhàn)略實施，多條大型長輸管道工程才得以建設(shè)。因為長輸管道范圍分布較廣，而且沿程的自然地理條件和地質(zhì)環(huán)境的變化差異性較大，難以避免受到很多地質(zhì)災(zāi)害的威脅和破壞。在各種的地質(zhì)災(zāi)害中，地震和斷層活動是導(dǎo)致埋地管道特大安全事故的主要原因之一，全球各個國家都將其作為一項管道設(shè)計重要內(nèi)容考慮。在地震發(fā)生過程中，土壤會發(fā)生大規(guī)模的錯動、變形、失穩(wěn)和震動，因為土體的作用，埋地管道也會隨之發(fā)生壓縮、扭曲、拉裂等損壞。從而發(fā)生油氣泄漏、管網(wǎng)停輸，嚴重的話可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故。因此研究管道在地震作用下的安全性，對長輸管道的安全運行有著重要意義。

1 地震災(zāi)害作用下管道損壞機理研究方法

國內(nèi)外學(xué)者主要歸結(jié)出以下幾種研究方法：理論解析法、有限元數(shù)值模擬法和實驗法[1-3]。

1.1 理論解析法

理論解析法主要是從假設(shè)和簡化的思想出發(fā)，把管線和管網(wǎng)用無彎曲剛度的索模型或者是梁模型來分析其薄殼結(jié)構(gòu)，分析過程中忽略管道在中空薄壁的管界面變形和計算誤差對計算的影響。這種方法優(yōu)點是計算較為簡單，有利于工程中的應(yīng)用，缺點是計算結(jié)果的可靠性還有待在應(yīng)用中檢驗。

1.2 有限元數(shù)值模擬

多年來，隨著電腦技術(shù)和有限元理論的發(fā)展與應(yīng)用，研究人員提出了多種有限元模型的數(shù)值模擬方法對管線和管網(wǎng)的受力分析其力學(xué)響應(yīng)問題。以下為其中一些方法：

郭恩棟等利用有限元分析法，采用梁-土彈簧模型，并且需要考慮管線單元和土彈簧的非線性特征，得到了斷裂位移作用下土彈簧和管線的動力平衡方程。利用這個動力平衡方程解出連續(xù)漸變位移變化下土體和管線的反應(yīng)狀態(tài)。

Kourezis等利用空間圓柱薄殼彈塑性屈曲理論基礎(chǔ)，計算出在地震剪切S波作用下埋地結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)問題。這種方法管道四周的土體性質(zhì)均只考慮均勻基巖上覆蓋的軟土和土體上覆蓋的軟土這兩種特殊的情形。結(jié)果顯示：運用3D薄殼理論，在均勻土質(zhì)情形下，Von Mises和最大的主應(yīng)力等效應(yīng)力比對應(yīng)的徑向力和軸向力大42%～74%；并且在基巖上覆蓋的軟土情形下，Von Mises和最大的主應(yīng)力等效應(yīng)力也比相應(yīng)的徑向力和軸向力大。

Trifonov等在現(xiàn)有分析方法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進的半解析法模型對穿越活動斷層的埋地鋼制管道進行非線性應(yīng)力應(yīng)變分析，研究過程中，將軸向應(yīng)力對抗彎剛度的影響直接性地引入到分布在斷層兩邊的高曲率區(qū)域的管道平衡方程中，平衡方程的解可以用來描述在斷層位移增加的情況下管道從梁到索的變化過渡的情況，同時計算過程中還引入了描述軸向應(yīng)力對管道抗彎剛度的影響因子，并表明在斷層發(fā)生時，橫向位移在軸向伸長量具有顯著的影響。

Vazouras等利用有限元分析軟件對X80和X65鋼在活動斷層作用時的力學(xué)響應(yīng)和失效模式進行了數(shù)值模擬，研究了不同的土壤和管道參數(shù)對管道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，包括土壤剪切力、土壤剛度、土壤摩擦角、土壤內(nèi)聚力、斷層位移量、斷層滑動區(qū)域?qū)挾鹊?，結(jié)果表明：管道周圍埋土的硬度越大，管道被剪斷的危險性越大；X80管線鋼比X65鋼具有更強的抗變形能力。

Liu等利用ABAQUS計算了X65埋地管線鋼材在扭曲載荷作用下的塑性失效能力以及極限承載能力，同時還得出X65鋼在砂土環(huán)境下比黏土環(huán)境下的抗扭曲強度好。

總的來說，有限元方法大致可以分為兩種：梁單元方法和殼單元方法，主要有梁模型、殼模型和梁-殼模型。因為有限元方法采用連接三個方向上的土彈簧來考慮管道和土壤之間的相互作用，所以這種方法可以較好地模擬跨斷層管道的實際破壞過程，在模擬跨斷層錨地管線的實際地震破壞和在抗震實驗時得到了廣泛應(yīng)用，但是該方法實踐過程中建模較為復(fù)雜、計算成本較高。

1.3 實驗法

實驗方法可以比較直觀地研究出各種情況下環(huán)境因素對管道力學(xué)的響應(yīng)大小和強度，包括管道上下的土壤環(huán)境參數(shù)、流體的物性參數(shù)和管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)等。因為地震發(fā)生影響規(guī)模大、破壞力強，如果要考慮全尺寸實驗的話，這個實驗很難實現(xiàn)，所以實驗實施過程中主要使用砂箱和震動臺來模擬地質(zhì)災(zāi)害對管道的影響。

2 結(jié)語與展望

地震發(fā)生后作用在埋地管道的破壞機理的探索還有待深入研究。統(tǒng)計現(xiàn)有的研究結(jié)果和理論，對管道安全性的展望如下：①開發(fā)出更為理想的理論模型及算法，盡可能地在地震發(fā)生時的管線和土地之間的相互作用能夠清晰的描述；②開發(fā)出性能更為實用的專業(yè)性電腦軟件，能夠更加方便地建立可視化仿真模型，能夠更好地與實驗結(jié)果相印證。

[1] 帥健，王曉霖，左尚志.地質(zhì)災(zāi)害作用下管道的破壞行為與防護對策[J].焊管，2008，（5）：9-15.

[2] 趙忠剛，姚安林.長輸管道地質(zhì)災(zāi)害的類型、防控措施和預(yù)測方法[J].石油工程建設(shè)，2006，32（1）：7-12.

S t u d y o n S a f e t y o f L o n g D i s t a n c e P i p e l i n e U n d e r S e i s mi c A c t i o n

Li Yong-zhi

Earthquake is one of the most serious conditions in destroying and threatening the safety of long distance pipelines.In recent years，the frequent occurrence of earthquake disaster，and put into use with large diameter and high pressure pipeline steel and many large oil pipeline construction，the safety of pipeline under earthquake，which plays an important role in the safe and reliable operation of pipeline.

earthquake；long distance pipeline；f i nite element theor

U178；P315.9

A

1003-6490（2017）08-0136-01

2017-06-01

李勇志（1994—），男，江西上饒人，碩士在讀，主要研究方向為復(fù)雜流體流動與數(shù)值模擬。