海底管道及膨脹彎和立管系統(tǒng)在地震危險(xiǎn)區(qū)的動(dòng)態(tài)非線性時(shí)程分析

王樂芹， 李 慶， 夏日長， 周子鵬

(海油工程設(shè)計(jì)公司， 天津 300452)

海底管道及膨脹彎和立管系統(tǒng)在地震危險(xiǎn)區(qū)的動(dòng)態(tài)非線性時(shí)程分析

王樂芹， 李 慶， 夏日長， 周子鵬

(海油工程設(shè)計(jì)公司， 天津 300452)

位于地震危險(xiǎn)區(qū)的海底管道及立管系統(tǒng)，在地震作用下會(huì)受到由于地震波傳播引起的海床瞬時(shí)震動(dòng)，也需要承受地震作用下由于海床砂土液化、斷層運(yùn)動(dòng)以及滑坡等產(chǎn)生的海床永久變位。地震災(zāi)害產(chǎn)生的諸多不利因素極有可能引起處于地震危險(xiǎn)區(qū)的海底管道失穩(wěn)、局部屈曲，并最終導(dǎo)致管道破裂失效。因此，需要對地震危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的海底管道系統(tǒng)進(jìn)行充分的抗震設(shè)計(jì)與分析。近平臺(tái)的海底管道、膨脹彎及立管系統(tǒng)由于安全等級要求更高，需要進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)時(shí)程分析，以確保整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在超常地震等級下(ALE)不會(huì)出現(xiàn)整體失穩(wěn)或者管道斷裂等極端破壞。以某地震危險(xiǎn)區(qū)域的海底管道項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹海底管道、膨脹彎及立管系統(tǒng)在地震危險(xiǎn)區(qū)動(dòng)態(tài)非線性時(shí)程分析的流程及規(guī)范校核準(zhǔn)則等，為類似的工程提供參考。

地震危險(xiǎn)區(qū)；超常地震等級；非線性時(shí)程分析；地震波；結(jié)構(gòu)響應(yīng)

0 引言

由于海底油氣資源地理位置的特殊性，很多海底管線都鋪設(shè)在地震高發(fā)區(qū)。對于置于海床上尤其是埋設(shè)在海床以下的海底管道而言，在地震作用下，會(huì)受到由于地震波傳播引起的海床瞬時(shí)震動(dòng)，也需要承受地震作用下由于海床砂土液化、斷層運(yùn)動(dòng)以及滑坡等產(chǎn)生的海床永久變位[1-4]。因此，海管及立管系統(tǒng)需要克服地震工況下地面運(yùn)動(dòng)對其強(qiáng)度與穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。當(dāng)海底管道跨越斷層時(shí)，斷層運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致海底管道局部屈曲、斷裂并產(chǎn)生較大的懸跨。另一方面，在海底地震過程中，海床路由上的砂性土有可能會(huì)發(fā)生液化等土壤屬性激變，海管設(shè)計(jì)需要考慮能夠承受砂土液化可能產(chǎn)生的不均勻沉降。同時(shí)，砂土液化后海管軸向摩擦系數(shù)降低，引起海管端部膨脹量增大，需要保證海管端部膨脹彎的設(shè)計(jì)能夠承受這一膨脹量。因此，地震對海底管道的穩(wěn)定性、懸跨、熱膨脹量及海管端部膨脹彎設(shè)計(jì)等均有影響。

綜上所述，地震災(zāi)害產(chǎn)生的諸多不利因素極有可能引起處于地震危險(xiǎn)區(qū)的海底管道失穩(wěn)、局部屈曲，并最終導(dǎo)致管道破裂失效[5-7]。不僅會(huì)導(dǎo)致油氣田停產(chǎn)等經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)造成巨大的海洋環(huán)境污染,因此需要對地震危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的海底管道系統(tǒng)進(jìn)行充分的抗震設(shè)計(jì)與分析，以確保其在各種地震工況下的響應(yīng)均在規(guī)范可接受的極限范圍內(nèi)。立管和膨脹彎系統(tǒng)是連接海底管道與平臺(tái)配管的關(guān)鍵系統(tǒng)，由于靠近平臺(tái)，其安全等級比海底管道更高，該文將針對近平臺(tái)的海底管道、膨脹彎及立管系統(tǒng)在地震作用下的相關(guān)分析進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1 地震分析方法

對于地震這一動(dòng)態(tài)、極端偶然工況，如果仍然按照常規(guī)的取載荷極值的方法進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力校核，將過于保守。對于超常地震工況(1000年一遇或者10 000年一遇)，通常都允許海管及立管結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)一定的屈服，即允許材料進(jìn)入塑性，但不會(huì)引起斷裂失效[1-3]，從而造成油氣泄露。這就往往需要借助一些高級的非線性有限元分析技術(shù)，來模擬海管及立管系統(tǒng)在地震作用下的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以確保結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)瞬間局部斷裂失效或整體失穩(wěn)。

常用的海管地震分析方法有：

(1) 考慮地震力、地震海床變位極值的靜態(tài)分析方法；

(2) 考慮地震作用下地面加速度、速度、變位等響應(yīng)譜的響應(yīng)譜分析方法；

(3) 考慮地震波傳播過程中地面瞬時(shí)的加速度、速度、變位等的非線性、動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法。

第一種分析方法最為保守。第二種為基于頻域的分析方法，材料仍然處于彈性階段，將給出結(jié)構(gòu)在地震譜作用下的最大彈性響應(yīng)。第三種是基于時(shí)域的分析方法，可以考慮材料非線性塑性，能夠顯式、直觀的模擬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在地震波傳播過程中的瞬態(tài)響應(yīng)。

2 校核準(zhǔn)則

根據(jù)ISO 19901-2 規(guī)范[1]，地震作用下需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行兩個(gè)地震級別地校核，分別是極端地震等級(Extreme Level Earthquake，簡稱ELE)和超常地震等級(Abnormal Level Earthquake，簡稱ALE)，兩個(gè)地震等級的校核要求和校核準(zhǔn)則見表1。

表1 地震等級設(shè)計(jì)要求和準(zhǔn)則[4]

基于時(shí)域的非線性時(shí)程分析方法是超常地震等級情況(ALE)下最精確和直觀的分析方法[8-9]。ISO 19901-2 規(guī)范要求，最好選擇海管安裝海域7個(gè)或者7個(gè)以上典型的地震波分別進(jìn)行非線性時(shí)程分析，若其中的4個(gè)或者半數(shù)以上的地震波時(shí)程分析滿足規(guī)范校核準(zhǔn)則，則認(rèn)為該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)滿足超常地震等級下的設(shè)計(jì)要求。在選擇地震波的時(shí)候，既要注意其在所在海域的典型性也要滿足其發(fā)生的隨機(jī)性，而為了反映地震事件的隨機(jī)性，至少要選擇4個(gè)地震波進(jìn)行非線性時(shí)程分析。

在某特定的ALE超常地震等級地震波作用下，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)如果滿足如下規(guī)范要求之一，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在該地震波下的響應(yīng)滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

(1) ASME B31.4 or ASME B31.8 允許應(yīng)力準(zhǔn)則，在超常地震等級下，等效應(yīng)力和縱向應(yīng)力的允許應(yīng)力系數(shù)可以放大至1.0；

(2) DNV-OS-F101-ALS 狀態(tài)下載荷控制的局部屈曲校核[4]；

(3) DNV-OS-F101-ALS 狀態(tài)下位移控制的局部屈曲校核[4]。

3 海底管道及膨脹彎和立管系統(tǒng)非線性時(shí)程分析有限元模型

圖1為典型的海底管道及膨脹彎和立管系統(tǒng)有限元模型，其中包含一段長500 m的直管段、膨脹彎及與井口平臺(tái)相連的立管。將采用該模型進(jìn)行海底管道及膨脹彎、立管系統(tǒng)在超常地震等級下(ALE工況)的非線性時(shí)程分析。

圖1 海底管道及膨脹彎和立管系統(tǒng)有限元模型

超常地震等級下立管及膨脹彎的非線性時(shí)程分析與常規(guī)的膨脹彎及立管應(yīng)力有限元分析的不同之處為：

(1) 在地震波作用下，海床震動(dòng)，地震作用經(jīng)管土相互作用由海床傳播到海管及膨脹彎，須將海床地面位移時(shí)程施加在海床上,如圖2所示。

圖2 海床位移時(shí)程

(2) 需要將考慮了地震作用下砂土液化影響的海管端部熱膨脹量施加到膨脹彎上，如圖3所示。

圖3 海管端部膨脹量施加

(3) 井口平臺(tái)在超常地震等級下的位移將經(jīng)由立管卡子傳遞到立管上，因此在模型中各卡子的位置(如圖4所示)施加平臺(tái)位移時(shí)程(如圖5所示)。

圖4 立管卡子位置

圖5 立管某卡子支撐處平臺(tái)位移時(shí)程(示例)

(4) 模型中各部分質(zhì)量要進(jìn)行準(zhǔn)確的定義，包括內(nèi)部介質(zhì)、海管外防腐層、混凝土涂層、海生物等均需轉(zhuǎn)換為海管鋼壁的等效密度，各個(gè)法蘭、閥所在的位置均需定義質(zhì)量點(diǎn)以表述其對整體模型的質(zhì)量貢獻(xiàn)。

(5) 要合理考慮整個(gè)水下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼，具體包括結(jié)構(gòu)阻尼、土壤阻尼和水動(dòng)力阻尼。

4 算例與結(jié)果討論

某東南亞氣田區(qū)塊位于地震危險(xiǎn)區(qū)，業(yè)主對海管及立管系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的抗震設(shè)計(jì)要求，其中之一即需對海底管道及膨脹彎、立管系統(tǒng)在超常地震等級下(ALE工況)的響應(yīng)進(jìn)行非線性時(shí)程分析，以保證海底管道及膨脹彎、立管結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在超常地震等級下不會(huì)出現(xiàn)整體失穩(wěn)狀態(tài)，滿足ISO 19901-2規(guī)范對超常地震等級的設(shè)計(jì)要求。

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

該項(xiàng)目某平臺(tái)的立管及膨脹彎布置如圖6所示。

圖6 某項(xiàng)目近平臺(tái)的膨脹彎及立管布置圖

海管、立管及膨脹彎基本參數(shù)見表2,操作參數(shù)見表3。

表2 海管、立管及膨脹彎基本參數(shù)

表3 海管操作參數(shù)

第三方地震與斷層風(fēng)險(xiǎn)評估報(bào)告給出了海床泥面處1 000年一遇的地震位移時(shí)程，導(dǎo)管架專業(yè)超常地震(ALE)非線性動(dòng)態(tài)時(shí)程分析提供了立管在各個(gè)支撐卡子位置處的導(dǎo)管位移時(shí)程。經(jīng)評估，地震砂土液化情況下，海管熱端端部膨脹量將達(dá)到3.0 m，將該膨脹量作為靜態(tài)位移施加在膨脹彎上。

4.2 分析結(jié)果討論

根據(jù)圖6所示近平臺(tái)的膨脹彎及立管布置圖，基于Abaqus軟件建立了海管、立管及膨脹彎的有限元分析模型。該模型共三個(gè)載荷步，第一個(gè)載荷步施加系統(tǒng)重力及波流環(huán)境產(chǎn)生的浮力，建立膨脹彎與海管和海床的接觸，為靜態(tài)載荷步；第二個(gè)載荷步施加操作載荷和側(cè)向環(huán)境載荷，包括溫度、壓力、波流的拖曳力和慣性力，以及海管端部熱膨脹量，該載荷步也是靜態(tài)載荷步；第三個(gè)載荷步為地震載荷步，海床泥面位移時(shí)程及立管卡子上的導(dǎo)管架位移時(shí)程均施加到模型中。

最終分析完成后，某地震波下系統(tǒng)中立管和膨脹彎上的最大應(yīng)力結(jié)果見表4。

表4 立管及膨脹彎應(yīng)力校核

由表4可以看出，所有應(yīng)力結(jié)果均在ASME B31.8允許應(yīng)力范圍內(nèi)。因此，無需再進(jìn)行基于DNV OS F101的載荷控制或者位移控制局部屈曲校核。在該地震波作用下，海管、膨脹彎和立管系統(tǒng)響應(yīng)滿足超常地震工況下(ALE)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。

對七個(gè)地震波的非線性動(dòng)態(tài)時(shí)程進(jìn)行分析，海管、膨脹彎和立管系統(tǒng)在各地震波下的響應(yīng)結(jié)果見表5。

表5 ALE地震校核

5 結(jié)論

對于特定的油田區(qū)塊，海管、膨脹彎及立管系統(tǒng)在ALE超常地震工況下的下的非線性動(dòng)態(tài)時(shí)程分析的流程為：

(1) 進(jìn)行地震評估，根據(jù)各地震波對該區(qū)塊的影響，篩選出用于海管結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)態(tài)分析的地震波，并給出海床泥面運(yùn)動(dòng)(x,y,z三個(gè)方向)的時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，用于海管及立管系統(tǒng)超常地震工況的分析，可以施加在膨脹彎與平管段下部海床，模擬地震工況下的海床運(yùn)動(dòng)。

(2) 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)地震非線性動(dòng)態(tài)分析報(bào)告給出導(dǎo)管架在不同地震波作用下每個(gè)立管卡子處的導(dǎo)管架位移(含x,y,z三個(gè)方向)時(shí)間歷程。用于海管及立管系統(tǒng)超常地震工況的分析，可以施加在立管卡子位置處，模擬地震工況下的導(dǎo)管架位移。

(3) 建立規(guī)范校核依據(jù)，編制海管及立管系統(tǒng)地震分析設(shè)計(jì)基礎(chǔ)文件。

(4) 建立海管、膨脹彎及立管的有限元分析模型，進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)時(shí)程分析。

(5) 完成分析，并進(jìn)行規(guī)范校核。

如果所有地震波時(shí)程分析校核結(jié)束，而未達(dá)到7個(gè)地震波中半數(shù)以上滿足規(guī)范校核的要求，則需重新調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，重復(fù)第(4)步和第(5)步的分析與規(guī)范校核流程，直至7個(gè)地震波中半數(shù)以上滿足規(guī)范校核為止。

該文介紹的海管、立管及膨脹彎系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)非線性時(shí)程分析技術(shù)可以有效地評估海管、立管及膨脹彎系統(tǒng)在超常地震等級下的系統(tǒng)響應(yīng)，確保其滿足相關(guān)抗震設(shè)計(jì)要求。由于東南亞及我國南海某些油氣田區(qū)塊多處在地震危險(xiǎn)區(qū)，該項(xiàng)技術(shù)可為順利開發(fā)這些區(qū)域的油氣田提供參考。

[1] Petroleum and Natural Gas Industries Specific Requirement for Offshore Structures-Part 2: Seismic Design Procedures and Criteria:ISO 19901-2-2004[S]. 2004.

[2] Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design:API-RP-2A-WSD[S]. 2007.

[3] ASCE. Guidelines for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline Systems[S]. 1984.

[4] Submarine Pipeline Systems:DNV-OS-F101[S].2013.

[5] Gas Transmission and Distribution Piping Systems:ASME-B-31.8[S]. 2012.

[6] Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries:ASME-B-31.4[S]. 2012.

[7] Seismic Analysis for the Subsea Pipeline System, Proceedings of the ASME 2010 29th International Conference on Ocean[C].Offshore and Arctic Engineering OMAE2010, Shanghai, China,2010.

[8] Analysis Of Buried Steel Pipeline Material Damage Under Seismic Loading Conditions[C].11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI),5th European Conference on Computational Mechanics (ECCM V),6th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD VI),Barcelona, Spain,2014.

[9] DUAN Menglan,WANGYi, YUE Zhiyong et al.Dynamics of risers for earthquake resistant designs[J].Petroleum Science, 2010,7(2): 273-282.

Nonlinear Dynamic Time History Analysis of Submarine Pipeline, Spool and Riser System in Seismic Hazardous Area

WANG Leqin, LI Qing, XIA Richang, ZHOU Zipeng

(COOEC Tianjin 300452, China)

The submarine pipeline and riser system installed in seismic hazardous area is susceptible to the effects of transient ground deformation (TGD) due to seismic wave propagation and permanent ground deformation (PGD) resulting from earthquake induced soil liquefaction, surface faulting and landslides etc, which can induce large inelastic deformations and local buckling in pipe components leading to fracture with consequent content leakage. It is very necessary to ensure that the pipeline system in seismic hazardous area to be designed earthquake resistant. According to ISO 19901-2, non-linear dynamic time history analysis needs to be performed for pipeline, expansion spool and riser system under Abnormal Level Earthquake(ALE) and ensure that structure’s overall integrity is maintained to avoid structural collapse causing loss of life and/or major environmental damage. The methodology, procedures and code check criteria of the non-linear dynamic time history analysis on pipeline, expansion spool and riser system under Abnormal Level Earthquake are presented based on an on-going project in COOEC.

seismic hazardous area； Abnormal Level Earthquake(ALE)； non-linear dynamic time history analysis； structural response

2015-12-02

王樂芹(1978-)，女，工程師

1001-4500(2017)01-0058-08

F416.22

A