埋地輸氫管道在走滑斷層作用下的失效分析

劉自亮，熊思江，鄭津洋,4，張銀廣，花爭立，顧超華

(1.浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所，杭州 310027；2.高壓過程裝備與安全教育部工程研究中心，杭州 310027；3.國家電投集團(tuán) 氫能科技發(fā)展有限公司，北京 102209；4.流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027)

0 引言

氫能具有來源多樣、潔凈環(huán)保的突出優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)新能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。許多國家均把發(fā)展氫能作為重要的能源戰(zhàn)略[1]。氫的輸送是氫能利用的重要環(huán)節(jié)，按照氫在輸運(yùn)時狀態(tài)的不同，可分為氣態(tài)輸氫、液態(tài)輸氫和固態(tài)輸氫，其中，高壓氣態(tài)輸氫是現(xiàn)階段較為成熟的氫能輸運(yùn)方式[2]。根據(jù)氫的輸送距離、用氫要求以及用戶分布情況，高壓氫氣可通過輸氫管道和長管拖車進(jìn)行輸送，對于輸送量大且距離較遠(yuǎn)的場合，利用管道輸送是較為高效的方式[3-4]。截至2017年，世界范圍內(nèi)輸氫管道建設(shè)量約為6 000 km[5]，其中我國輸氫管道總里程約400 km，據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書(2016)》[6]預(yù)計(jì)，到2030年，我國氫氣長輸管道將達(dá)到3 000 km。

輸氫管道鋪設(shè)范圍廣，輸送距離長，建設(shè)過程中不可避免地穿越斷層、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域，在地震等外力作用下易引發(fā)管體大變形直至失效。鑒于目前輸氫管道建設(shè)較少，世界范圍內(nèi)已有學(xué)者針對斷層運(yùn)動下的埋地輸氣管道安全性開展了研究。Liu等[7]模擬研究了X80管線鋼在反斷層運(yùn)動下的屈曲失效特征，對比研究了局部屈曲和梁氏屈曲兩種失效的發(fā)生機(jī)理，并討論了斷層位移量、管道壁厚、埋地深度和土壤條件對管道屈曲失效的影響；Vazouras等[8]模擬研究了X65,X80兩種材料輸氣管道在走滑斷層下的力學(xué)性能，分析了管道局部屈曲失效的產(chǎn)生過程，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果得到了不同管徑比下引起管道局部屈曲失效的斷層位移門檻值。與輸氣管道相比，輸氫管道需考慮高壓氫環(huán)境引起的環(huán)境氫脆問題，已有學(xué)者針對不同強(qiáng)度的管線鋼與高壓氫環(huán)境的相容性開展了不同類型的試驗(yàn)研究[9-11]。ASME B31.12《Hydrogen Piping and Pipelines》[12]規(guī)定輸氫管道須在X52～X80范圍內(nèi)選材；基于高強(qiáng)度優(yōu)勢，X80管線鋼在工程實(shí)踐中得到了較多的應(yīng)用[13-14]。考慮到輸氫管道的需求量在未來幾十年會出現(xiàn)大幅的增長[15]，有必要開展斷層運(yùn)動下埋地輸氫管道的失效分析。

本文基于非線性有限元分析軟件ABAQUS，利用X80管線鋼在高壓氫環(huán)境下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合考慮管土材料非線性、管道變形幾何非線性和管土接觸非線性等特征，對埋地輸氫管道在走滑斷層下的失效過程進(jìn)行模擬分析，給出管道的許用壓縮應(yīng)變值，并討論斷層位移量、輸氫壓力和斷層角對管道失效模式的影響。

1 模型的建立

基于有限元分析軟件ABAQUS，利用材料在高壓氫環(huán)境下的力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及常見土質(zhì)類型的力學(xué)性能參數(shù)，首先建立管土的材料模型，然后綜合考慮管土材料非線性、幾何非線性以及管土接觸非線性等特點(diǎn)，建立管土相互作用的三維有限元模型。

1.1 管土材料模型

管道材料選用API 5L X80管線鋼，采用理想彈塑性模型，考慮高壓氫環(huán)境對材料力學(xué)性能的影響，利用材料在高壓氫環(huán)境下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)獲得材料的本構(gòu)參數(shù)，X80在10～15 MPa高壓氫環(huán)境下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1[9]。

圖1 X80管線鋼在高壓氫環(huán)境下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

依據(jù)GB/T 34542.2—2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng) 第2部分：金屬材料與氫相容性試驗(yàn)方法》[16]和GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[17]，取Rt0.5=586 MPa作為屈服強(qiáng)度，取設(shè)計(jì)壓力12 MPa，工作壓力10 MPa，管道直徑1 016 mm，依據(jù)ASME B31.12[12]，輸氫管道設(shè)計(jì)公式為：

式中P——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

S——屈服強(qiáng)度，MPa；

t——最小壁厚，mm；

D——公稱直徑，mm；

F——設(shè)計(jì)系數(shù)，F(xiàn)=0.6；

E——軸向接頭系數(shù)，E=1.0；

以396t/h高壓、高溫大容量pyroflow型自然循環(huán)CFB 蒸汽鍋爐為例進(jìn)行討論。其燃燒方式為2種，一種是純?nèi)济?；另一種是摻燒30%生物質(zhì)的直接共燃。所摻燒生物質(zhì)依次為：松木屑、稻稈 、棉稈、玉米稈。其固體燃料的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

T——溫度折減系數(shù)，T=1；

Hf——材料性能系數(shù)，對于X80管線鋼，Hf=0.694。

代入以上參數(shù)計(jì)算得出，管道最小壁厚t=24.98 mm。參考ASME B36.10M《Welded and Seamless Wrought Steel Pipe》[18]，取管道壁厚t=25.40 mm。

土體采用理想彈塑性Mohr-Coulomb模型，該模型主要適用于單調(diào)載荷下的顆粒狀材料[19]，模型參數(shù)包括控制彈性行為的彈性模量E、泊松比υ和控制塑性行為的粘聚力c、摩擦角Φ、剪脹角ψ。本文采用埋地管線鋪設(shè)過程中最為常見的硬粘土類型，其土體參數(shù)如表1所示。

表1 土體參數(shù)

1.2 管土有限元模型

依據(jù)管道跨斷層的理論分析[20]、模擬[8,21]和試驗(yàn)[22]研究，認(rèn)為當(dāng)管土長度為60倍的管徑D時，可忽略管道長度對斷層運(yùn)動下管道變形的影響。本文取管土長度L=60D，土體寬度W=10D，土體高度T=5D，斷層線左側(cè)土層為固定端，右側(cè)土層為移動端，斷層線與管土上表面垂直，斷層角φ=90°，依據(jù)管道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取管道埋地深度H=2D?？紤]管道大變形以及管土邊界接觸非線性等特點(diǎn)，對管道與周圍土體采用接觸對方法模擬其相互作用，其中管土摩擦系數(shù)取0.3。

圖2 埋地輸氫管道管土有限元模型

管道采用四節(jié)點(diǎn)減縮殼單元(SR4)，土層采用八節(jié)點(diǎn)減縮實(shí)體單元(C3D8R)，在斷層運(yùn)動中心區(qū)域(L1=20D)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，管道環(huán)向設(shè)80個網(wǎng)格，軸向尺寸設(shè)為40 mm。設(shè)置加載順序?yàn)椋?1)對整體模型施加重力載荷；(2)對管道施加壓力載荷；(3)對土層施加位移載荷。經(jīng)試算發(fā)現(xiàn)，該有限元模型可完整模擬出埋地管道屈曲失效過程。埋地輸氫管道管土整體有限元模型如圖2所示。

2 結(jié)果分析與討論

斷層運(yùn)動下管道軸向應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。

圖3 走滑斷層作用下管道軸向應(yīng)變

2.1 斷層位移量

管道在屈曲位置附近的軸向壓縮應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。隨著斷層位移的增大，管道軸向壓縮應(yīng)變逐漸增大，且應(yīng)變集中更為明顯。當(dāng)斷層位移d=2.2 m時，管道最大軸向壓縮應(yīng)變約為0.05；當(dāng)d=2.3 m時，最大軸向壓縮應(yīng)變發(fā)生陡增，達(dá)到0.12左右，增幅超過100%，認(rèn)為此時管道發(fā)生了屈曲失效，其中Lc=-5.0 m，dc=2.2 m。屈曲失效的另一種判別方式如圖5所示。屈曲失效前，管道軸向壓縮應(yīng)變呈波紋狀分布，分布區(qū)域較廣，隨著斷層位移的增大，波紋狀應(yīng)變分布逐漸消失，管道大應(yīng)變區(qū)域集中在某一特定位置，呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變集中，可認(rèn)為此時管道發(fā)生屈曲失效。

圖4 不同斷層位移下管道的軸向壓縮應(yīng)變

圖5 管道軸向應(yīng)變水平

管道在拉裂位置附近的軸向拉伸應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。隨著斷層位移的增大，管道軸向拉伸應(yīng)變不斷增大，管道在距離斷層線5.6 m處發(fā)生應(yīng)變集中，即Lt=5.6 m。圖7示出不同斷層位移下管道的最大軸向拉伸應(yīng)變，其隨斷層位移的增大近似呈線性增加的趨勢，當(dāng)d=1.9 m時，管道最大拉伸應(yīng)變?yōu)?.021，超過了2%的許用拉伸應(yīng)變極限值，故dt=1.9 m。

圖6 管道不同位置的軸向拉伸應(yīng)變

圖7 管道最大軸向拉伸應(yīng)變

2.2 輸氫壓力

不同輸氫壓力下管道的軸向壓縮應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。當(dāng)輸氫壓力P=0時，dc和Lc分別為2.0 m和-4.8 m，且在屈曲位置產(chǎn)生了軸向拉應(yīng)變；當(dāng)輸氫壓力P=5 MPa時，dc和Lc分別為2.2 m和-4.4 m。通過對比不同輸氫壓力下管道屈曲臨界位移發(fā)現(xiàn)，輸氫壓力的存在使得dc有所增大，從某種程度上提高了管道的抗屈曲性能。另外，三種輸氫壓力下的Lc均處在距離斷層線-4～-5 m范圍內(nèi)。不同輸氫壓力下管道發(fā)生屈曲失效的形式有所不同，如圖9所示。當(dāng)處于非工作狀態(tài)時(P=0)，管道發(fā)生內(nèi)凹型屈曲失效；正常工作狀態(tài)時，管道發(fā)生外凸型屈曲失效。

(a)P=0

(b)P=5 MPa

圖9 不同輸氫壓力下管道的屈曲失效

不同輸氫壓力管道的最大軸向應(yīng)變?nèi)鐖D10所示?？傮w而言，內(nèi)壓的改變并未造成管道整體應(yīng)變水平的明顯改變，雖然內(nèi)壓的增大使得管道薄膜應(yīng)力增大，但對于斷層運(yùn)動下的埋地管道而言，斷層運(yùn)動產(chǎn)生的位移載荷是造成管道應(yīng)變失效的主要原因，與土體位移造成的應(yīng)變量相比，薄膜應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變很小，可以忽略。

(a)壓縮應(yīng)變

(b)拉伸應(yīng)變

2.3 斷層角

斷層角是指斷層線與土體移動方向的夾角，不同斷層角的管土有限元模型如圖11所示。

通過對不同斷層角的管道屈曲位置處的軸向壓縮應(yīng)變進(jìn)行分析，得到各個斷層角的管道屈曲失效時的臨界斷層位移dc、失效位置Lc和軸向壓縮應(yīng)變值εc，如表2所示。當(dāng)斷層角位于60°～ 90°范圍內(nèi)時，斷層運(yùn)動方向與管道軸向近似呈垂直分布，此時管道失效時的dc較小，意味著斷層運(yùn)動下更容易發(fā)生屈曲失效；斷層角偏離60°～90°范圍的程度越大，管道抗屈曲失效能力越強(qiáng)，當(dāng)斷層角為135°時，管道未發(fā)生屈曲失效(d<4 m)；隨著斷層角的增大，管道屈曲位置距斷層線的距離逐漸減小，斷層運(yùn)動對管道變形的影響區(qū)域逐漸減小。從提高管道抗屈曲能力和減小管道變形區(qū)域的角度出發(fā)，管道鋪設(shè)時應(yīng)盡量使軸線方向與斷層運(yùn)動方向呈大角度(>120°)布置。

圖11 不同斷層角的管土有限元模型

表2 不同斷層角下管道屈曲失效臨界位移、失效位置和失效應(yīng)變

不同斷層角的管道最大軸向應(yīng)變?nèi)鐖D12所示。如前文所述，當(dāng)管道發(fā)生屈曲失效時，屈曲位置處的軸向壓縮應(yīng)變會發(fā)生陡增，在圖12(a)中反映為曲線斜率突變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。依據(jù)不同斷層角下管道在走滑斷層下屈曲失效的有限元模擬結(jié)果，可取0.04作為X80管線鋼屈曲失效的許用壓縮應(yīng)變值。不同斷層角的管道的最大軸向拉伸應(yīng)變隨斷層位移的增大均近似呈現(xiàn)出線性增大的趨勢，當(dāng)斷層角為90°時，管道具有最大的軸向拉伸應(yīng)變水平。

(a)壓縮應(yīng)變

(b)拉伸應(yīng)變

不同斷層角的管道的失效模式如圖13所示。

圖13 不同斷層角的管道的失效模式

從圖13可以看出，當(dāng)斷層角為75°時，屈曲失效的臨界斷層位移dc與拉裂失效的臨界斷層位移dt相等，管道在發(fā)生屈曲失效的同時，在與屈曲位置關(guān)于斷層線近似對稱的拉裂位置發(fā)生拉裂失效；當(dāng)斷層角小于75°時，管道在周圍土體的壓縮作用下產(chǎn)生較大的軸向壓縮應(yīng)變，率先發(fā)生屈曲失效；當(dāng)斷層角大于75°時，管道整體受到拉伸作用，率先發(fā)生拉裂失效。

3 結(jié)論

(1)隨著斷層位移量的增大，埋地輸氫管道在特定位置處分別產(chǎn)生壓應(yīng)變和拉應(yīng)變集中，進(jìn)而引發(fā)管道屈曲和拉裂失效，兩個失效位置關(guān)于斷層線近似呈對稱分布，距離為10 m左右；管道軸向應(yīng)變隨著斷層位移量的增大而增大，其中軸向拉伸應(yīng)變近似呈線性增大的趨勢。

(2)輸氫壓力對埋地管道的整體應(yīng)變水平影響較小，管道應(yīng)變主要由管土相對位移引起，內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)變可忽略；輸氫壓力的存在改變了管道屈曲失效的形式，當(dāng)不存在輸氫壓力時，管道發(fā)生內(nèi)凹型屈曲失效，當(dāng)正常工作時，管道發(fā)生外凸型屈曲失效。

(3)當(dāng)斷層角在60°～90°范圍內(nèi)時，管道具有最大的軸向應(yīng)變，故鋪設(shè)時應(yīng)避免管道軸線與斷層線垂直布置；斷層角對管道失效模式具有顯著的影響，當(dāng)斷層角小于75°時，管道易發(fā)生屈曲失效，當(dāng)斷層角大于75°時，管道易發(fā)生拉裂失效。