埋地天然气管道地震反应数值模拟分析.pdf

石油天然 气学报2 0 1 2 年 3 月第 3 4 卷第 3 期 J o u r n a l o f Oi l a n d Ga s T e c h n o l o g y Ma r ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 3 4 No ． 3 埋地天然气管道地震反应数值模拟分析 杜国锋 ，宋 鑫 长江大学城市建设学院， 湖北荆州4 3 4 0 2 3 [ 摘 要] 油气管道 是国家工 业生产 、人 民生活 的重要 能源设 施，一旦遭 遇地 震破坏 将造成 重大危 害 与损 失，如何提高 油气管道 的抗震 能力尤 为重 要。利用大 型通用有 限元软件 ANS Y S 1 0 ． 0模拟分析天 然气管道 在仅有 内压情况下 的地震 动力 反应。结果 表 明不 同埋土条件 对管道 地震反 应影响很 大，管道 内压、管 径 等对其 影响较小 。研 究成果 为埋地 天然气管道 的抗震研 究提供依据 。 [ 关键词 ]天然气管道；地 震作用；数值 分析 [ 中图分类号]TE 9 7 3 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 2 0 3 0 1 5 7 0 4 自从 1 9 8 6 年我国第一条跨地 区输气管道 “ 中一 沧” 河南濮 阳至河北沧川管道建成投产 以来 ，我 国先后投资建设了 “ 陕一 京”一线 、“ 陕一 京”二线 、“ 西气东输”一线、“ 西气东输”二线 、“ 川气东输” 、 “ 忠一 武” 重庆忠县至武汉管道 、“ 陕一 京”三线 陕西榆林至北京 昌平 区西沙屯末站 、“ 冀一 宁” 河 北安平至江苏青山管道等一大批跨地区输气管道 。截止 2 0 0 8年底，我国已建油气管道的总长度约为 6 ． 4 1 0 4 k m，其中天然气管道 3 。 2 1 0 k mL 1 ] 。“ 十二五 期 间，我国将重点进行 中一 哈原油二期 、中一 亚天然气 、中一 俄天然气 、中一 缅油气 “ 四大油气资源战略通道” 、联络线及配套支线建设 。预计全国将 新建油气管道约 5 1 0 k m；到 2 0 1 5年 ，全国油气管道的总里程将达到约 1 2 1 0 k mL 2 ] 。我 国是一个地 震频发的国家，地震中许多燃气管道发生 了不同程度的破坏 ，严重影响了人们的生产和生活 ，并引起了 严重次生灾害[ 3 3 。因此 ，研究和提高天然气管道的抗震性能是人们一直关注的问题。未来油气管道将朝 着大口径 、高压力等趋势发展 ，对管道抗震性能研究提出了更高的要求。为此 ，笔者利用大型通用有限 元软件 ANS YS 1 0 ． 0建立了埋地天然气管道的土弹簧分析模型 ，考虑了管道的管径 、内压、土弹簧刚度 等因素对其抗震性能的影响。 1 有限元模型的建立 目前，关于埋地管道的常用理论模型有 2种 ，一种是假设管道埋于无限空间中，土介质为线弹性介 质 ，管道与土之间的相互作用采用半无限空间中土一 管道相互作用刚度来考虑，建立土一 管联动方程 ；另 一 种是采用弹性地基上的连续梁进行分析，土体对管道的作用 以分布的弹簧来模拟，土体和管道可 以相 对运动[ 4 ] 。该次研究采用第二种理论模型进行分析。 在利用有限元分析方法进行埋地管道研究 中，主要有 2 种分析方法 ，一种为梁单元法，另一种为壳 单元法[ 5 ] 。无论是梁单元法还是壳单元法 ，土与管体之间的相互作用是连接在管单元节点上的轴 向和横 向土弹簧 包括水平 向土弹簧和垂直 向土弹簧来考虑 ，如图 1 所示。这些弹簧分别用来模拟管轴方向 的土摩擦力，水平方向和垂直方向的土压力。在该次研究 中，为了简化计算 ，忽略了轴向土的摩擦力 ， 只考虑土体竖向和侧 向的压力 。管和土的相互作用采用 C OMB I N1 4弹簧单元模拟 。钢管采用梁单元模 拟 ，网格 划分如 图 2所示 。 17 “ 2 水平方 向弹簧系数根据 日本石油管道抗震设计指南确定 K G～ 3 G 硬土一 软土 ， G 生 。 [ 收稿 日期 ]2 0 1 11 2 2 O [ 基金项 目]中圈石油科技中青年创新基金项 目 2 0 0 1 D- 5 0 0 6 0 6 0 5 ；中 国博士后科学基金项目 2 0 1 1 0 4 9 1 1 5 5 。 [ 作者简介 ]杜 图锋 1 9 7 5一 ，男 ，1 9 9 8年江汉石油学院毕业 ，博士 副教授 ，现主要从事油气田工程防灾减灾等研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 8 石油天然气学报 石 油机械工 程 2 0 1 2年 3月 其中， G为土的剪切模量 ， N／ ram ； 以为局部场地土的容重 ， N ／ m。 ； 为土的剪切波速 ， m／ s ； g为重力加 速 度 ，m ／ s2 。垂 直 方 向 弹 簧 系 数 由 美 国 规 计 算 K v 一 。 ． 6 s 嚣4 1 r ，其 中 ，E 为 土 体 弹 性 模 量 ， N／ ram ； D 为管道 直径 ， m； E 为管材 弹性模 量 ， N／ ram ； 为管截 面惯性 矩 ， m ； 为 土体 的泊松 比。 K 为管轴方向弹簧系数； K H 为水平方向弹簧系数； 为垂直方向弹簧系数 图 I 模拟埋地管道- 弹簧模 型 2 算例及计算结果分析 图 2管道模 型网格 划分 该次研究的算例采用的管道 内直径分别为 4 4 0 、6 4 0 、8 4 0 、1 0 4 0 、1 4 4 0 mm，壁厚均 2 0 ram，管道 长度 均 9 m，弹性 模量 2 1 0 G P a ，泊 松 比 0 ． 3 ；管道 埋 地 深度 均 3 m，管 道 内 部施 加 压力 分别 0 ． 1 、0 ． 2 、 0 ． 5 MP a ；场地 土剪切 波 速 5 0 0 m／ s ，泊 松 比 0 ． 3 3 3 ；边 界 条 件 采 用 固端 边 界 模 型 ，输 入 一 组 人 工 地 震 波。分析表明，在轴 向地震作用下 ，管道横向的位移响应幅值很小，管道轴 向位移响应要远远大于横 向 位移 响应 。图 3给 出了管 径为 4 4 0 mm，内压 为 0 ． 1 MP a管道上 5 2 5和 1 0 8 5节 点 在管 道 轴 向三 等分 点 处 ， ．左为 5 2 5 节点 ，右为 1 0 8 5节点在轴 向地震作用下的轴向和横向位移时程曲线 两点相同 。 2 5 2o 1 5 O 萋 。 誊 。 ． 5 -1 。 ．1 5 n 0 0 ． 5 1 ．0 1 ．5 2 ． O 2 ．5 3 ． 0 时间， s 图 3节点 5 2 5 、1 0 8 5位移时程 曲线 2 5 2 o ’ 5 g 1 。 。 藉。 - 5 ’ 。 ．1 5 O ． O O． 5 1 ． O 图 4 不 同管径情 况下节点 5 2 5位移时程 曲线 2 ． 1 管径对埋地管道轴向动力反应的影响分析 为了考察管道直径对埋地管道轴 向动力反应 的影响，利用 内压强度为 0 。 1 MP a ，管径分别为 4 4 0 、 6 4 0 、8 4 0 、1 0 4 0 、1 4 4 0 mm 的管道进行模拟分析。图 4 为不同直径管道在同一地震作用下的位移时程 曲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 4卷第 3期 杜国锋等 埋地天然气管道地震反应数值模拟分析 线 ，通过 比较各不同管径情况下管道 的时程位移曲线发现，当其他 因素相同时，各管道的位移时程形态 基本相同，说明管径的变化对埋地管道 的位移反应影响不大。但是，通过 比较其相应的峰值位移发现 如表 1 所示 ，随着管径的增大，相应峰值位 移减小 ，减小幅度分别 为 0 ． 8 ，1 ． 8 ，2 ． 6 ％，4 ％， 下 降的 幅度很小 。 表 1 不同直径管道在地震荷载作用下的峰值位移 2 ． 2 内压 对埋 地管 道动 力反应 的影 响分 析 由于未来天然气管道朝着高压强 的趋势发展 ，为了研究气体压强对埋地管道地震动力反应的影响， 利用直径 4 4 0 ram管道建立 了内气压强度分别为 0 ． 1 、0 ． 2 、0 ． 5 MP a的有 限元模 型。 图 5和图 6为节点 5 2 5在不同管内气压强度时同一地震作用下 X方向和 y方向上的位移时程曲线。 通过对 比发现， 当其他条 件均相同时， 仅改变管道内气压的强度时， 相关节点同一方向上位移时程曲线形态基本相同， 峰值位移变 化随着气压强度的增加稍有增大， y方向峰值位移增大的幅度比X方向峰值位移增大的幅度要大 ； 但 同一 节点 x方向与 y轴方向的时间一 位移明显有差别 ， x方向最大位移明显要大于 y方 向， 说明管道内压强度 的变化 对管 道地 震动 力反应 有一 定影 响 ， 但 影 响不大 。 4 5 4 0 3 5 善 3 o 0 2 0 1 5 l o 5 o ． o o ． 5 1 ． o 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 3 ．O 时 间， s 3 O 2 8 2 6 2 4 g 2 2 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 o ． o o ． 5 1 ． o 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 3 ， 0 时间／ s 图 5节点 5 2 5的 x方 向位移时程曲线 图 6 节点 5 2 5的 y方向位移时程曲线 2 ． 3 土弹簧刚度对埋地管道动力反应的影响分析 一 埋地天然气管道在长距离运输过程 中会穿越不同的泥土介质，在不同的泥土介质中地震动力响应必 然会有一定差异，笔者用土弹簧单元模拟泥土。为简化不同泥土介质的影响 ，此处仅考虑土弹簧刚度的 变化 ，土弹簧刚度分别为 5 、1 5 、5 0 MP a ，利用直径为 4 4 0 mm，内压为 0 ． 1 MP a的管道建立有 限元模 型 ， 沿 X 方 向输 入地 震波 。 图 7 为 节点 5 2 5 在 不 同土 弹簧刚 度时 同一 地震作 用下 X方 向的位移 时程 曲线 。 通过对比发现 ， 当其他条件均相同， 仅改变支撑管道的土弹簧刚度时 ， 随着土弹簧刚度的增大 ， 质点振动的 形式大致相同， 但是质点振动的平衡位置逐渐 向 X轴平移靠拢 ， 且质点振动的幅度明显减小 。 2 ． 4 跨 越不 同土 介质 时埋地 管道 的地 震动 力反应 分析 在实际工程 中，埋地管道可能跨越不 同的泥土介质 ，为研究在不同的泥土介质附近埋地管道的地震 动力响应 ，利用直径 4 4 0 mm，内压 0 ． 1 MP a管道建立有限元模型， 沿 X轴方 向输入地震波 ， 模拟了埋地 管道穿越 2种不同泥土介质的情况 ，不同的泥土介质分别用不同刚度的土弹簧来模拟，2种不 同泥土介 质界限在 管 道 中点 处。2种 土 弹 簧 的 刚 度 比 值 分 别 为 1 5 MP a ／ 5 MP a ，3 1 5 MP a ／ 5 MP a ，6 3 O MP a ／ 5 MP a 。通过对 比节点 5 2 5在不 同刚度 比时的位移时程曲线发现 ，随着土弹簧刚度 比值 的增 大 ， 质点振动的平衡位置逐渐向 X轴平移靠拢 ， 质点振动的形态相近 ，幅度有所减小 。5 2 5节点和 1 0 8 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 O 石油天然气学报 石油机械工程 2 0 1 2年 3月 节点的位移差异不大 ，原因在于管道刚度较大 ，且管道长度较短 ，外界约束对其影响不大。 善 簿 时间／ s 圈 7 考虑土弹簧刚度影响的节点 5 2 5 x方向位移时程曲线 3 结 语 刚度 比 0．0 O．5 1 ． O 1 ． 5 2．O 2． 5 3．0 时间／ s 图 8考虑 2 种 介质 差异 影响 的节点 5 2 5 X方 向位移时程 曲线 采用有限元软件对地震作用下埋地天然气管道进行了轴向和横向激励的动力反应模拟，分析了不同 影响因素对埋地天然气管道的影响。结果表明，不同管径的管道在地震作用下位移响应形态基本相 同， 但位移峰值随管径的增加呈现减小 的趋势；管内气压对管道的位移反应影响较小 ；土弹簧刚度对埋地管 道 的地 震 响应影 响较 大 。 [ 参考文献] [ 1 ]蒲南 明 ．中国油气管道发展现状及展望 口]．国际石油经济 ，2 0 0 9 ，1 7 3 4 0 4 7 ． [ 2 ] 田瑛剌 ，甄建超 ，孙春 良，等 ．我 国油气管道建设 历程及发展趋势 [ J ]．石油规划设计 ，2 0 1 1 ，2 2 4 4 ～8 ． [ 3 ]周伟 罾，张 中秀 ，孔令令 ．城 市燃气管网的震害分 析及减灾对策 [ J ]．土木建筑与环境工程 ，2 0 0 9 ． 3 1 4 7 o ～7 4 ． [ 4 ] 张陵，郭 惠勇 ，孙清 ，等 ．长输管道抗震研 究的进展与趋 向 [ J ]．西安交通大学学报 ，2 O O l ，3 5 2 2 o 3 2 o 9 ． [ 5 ]赵林 ，冯启民 ．埋地管线有限元建模方法研究 [ J ]．地震工程与工程振动 ，2 O O l ，2 1 2 5 3 5 7 ． [ 编辑] 苏开科 柏 乌 ∞ ∞ 循 伯 5 0 I I 0 _I ＼ j 目 } 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m