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2015 年 第 6 期Pipeline Technique and Equipment 2015 No． 6 收稿日期2015-03-10 收修改稿日期2015-06-18 地震作用下跨断层油气管道安全性分析 郭建军1, 杨 毅2 1.中国石油集团海洋工程有限公司,北京 100001;2.中国石油北京油气调控中心,北京 100007 摘要跨越断层的地下管线在地震中受到非常大的威胁,其安全性将直接影响油气管道的安全运 行以及地震应急工作的开展。 研究了跨断层管线失效准则,构建了跨断层管道地震荷载下的有限元模 型,对地震作用下跨断层油气管道的应变规律进行了研究;以薄壁管道开始起皱的压缩应变为容许压 缩应变,对管道的安全性进行了判定;为地震作用下跨断层埋地油气管道的安全设计提供了依据。 关键词油气管道;地震断层;安全性;应力;应变 中图分类号TE8 文献标识码A 文章编号1004-9614201506-0001-03 Study on Security of Oil and Gas Pipeline Crossing Geological Fault under the Action of Earthquake GUO Jian-jun1, YANG Yi2 1.Chinese Petroleum Offshore Engineering Co., Ltd.,Beijing 100001,China; 2.Beijing Oil and Gas Dispatch and Control Center of CNPC, Beijing 100007,China Abstract Underground pipeline crossing geological fault faced up with great security risks in the earthquake, its security will directly affect the safe operation of oil and gas pipeline and earthquake emergency work. Based on the finite element model, crossing geological fault rules and the stress-strain distribution of oil and gas pipelines were studied under the action of earthquake fault. And strain regularity of oil and gas pipelines across the fault under the action of the earthquake was studied.According to compression strain with a thin pipeline beginning wrinkling, the safety of pipeline was estimated, thus providing protection meas- ures for seismic safety design of buried oil and gas pipelines crossing fault under the action of the earthquake. Key words oil and gas pipeline; geological fault; security; stress; strain 0 引言 地震引起埋地管线破坏原因主要是强地面运动 及地面的永久变形,其中地面永久变形指由断层运 动、砂土液化、滑坡等引起的场地破坏。 多次地震经 验表明,对埋地管线影响最大的是断层引起地表破 裂[1-2]。 可见,跨越断层的地下管线在地震中受到非 常大的威胁,其安全性将直接影响油气管道的安全运 行以及地震应急工作的开展。 文中建立了有限元模 型,对地震作用下典型跨断层埋地油气管道的应变规 律进行了研究,为地震作用下跨断层埋地油气管道的 安全设计提供了依据。 1 断层作用下管道地震反应有限元模型分析 地震发生时,原有的地震断裂带将发生滑移,造 成管道的破坏。 活动断层对管线的主要影响形式有 3 种走滑断层、正断层和逆断层。 走滑断层主要运动 发生在水平面,根据断层倾角角度的不同,可导致管 道发生拉伸或者压缩。 正断层和逆断层的主要地层 位移沿竖直方向。 正断层使管道承受拉伸变形,而逆 断层主要使管道承受压缩变形,因此重点分析管道压 缩屈曲变形的情况[3]。 管道穿越逆断层时,断层轴向和横向分量均使管 道承受挤压应变。 由于没有合适的解析分析方法,需 要用有限元方法计算最大管应变。 本文用非线性有 限元模型分析在逆断层作用下管道内的大变形情况, 并分析其变化规律。 1.1 管道模型 由于距离断层面很远的管线处的反应几乎为零, 仅注重在断层错动附近位置处的管线的反应;而且考 虑到计算机资源的限制,所以采用过长的管线做为分 析模型是不合适的。 因此,在 ANSYS 数值模型建立 中,在 断 层 附 近 左 右 各 取 30 m, 用 三 维 壳 单 元 SHELL181 来模拟埋地管道,同时沿着管道圆周方向 2 Pipeline Technique and EquipmentNov． 2015 和轴线方向划分单元网格,圆周方向划分 N 个N 24单元左右;管道轴线方向每隔 DL 0． 3DD 为管 径划分单元,可以通过调整模型的 N 和 DL加密网格 对模型进行细分。 1.2 管-土相互作用模型 在断层作用下,埋地管线受到周围土的作用,将 土体模拟成非线性弹簧单元,并将其作用在管壁节点 上[4]。 每个壳单元的4 个节点分别连接3 个定向土弹 簧管轴方向、水平横向和垂向方向。 定向弹簧的2 个 节点之间的作用力方向沿着某一规定方向,弹簧力的 大小也只与弹簧的 2 个节点在该方向的相对位移有 关,而与其他方向上的相对位移无关。 这 3 个定向弹 簧分别用来考虑3 个方向的被动土压力。 其中管轴方 向上的土弹簧特性主要由沟内的回填介质及埋深 H 来确定;而水平横向的土弹簧特性和垂向方向的土弹 簧特性则主要由管道埋设场地的局部场地土的力学 特性来决定[5]。 1.3 断层模型及边界 在上述的管-土相互作用模型中,并没有体现出 外载荷作用断层作用。 断层位错作用主要体现在 土弹簧单元一端结点非与管线共用结点的位移上, 在本文建立的模型中,土弹簧这一结点的位移即为断 层的位错量。 埋土管道以逆断层的形式穿越断层,断 层倾角取 30、45、60、90,断层位错量为 0． 5 m、 1． 0 m、1． 5 m、2． 0 m、2． 5 m、3． 0 m。 对于边界条件,在逆断层作用下,埋地管线受到 周围土体的作用,管道两端约束采用等效弹簧建立边 界条件。 其中壳单元的有限元模型图见图 1。 图 1 埋地管道 ANSYS 有限元模型图 1.4 管道参数 表 1 为管道材料的力学性能。 表 1 管道材料的力学性能 材料 密度 / Mgm -3 弹性模量 /1011Pa 剪切模量 /1010Pa 泊松比 屈服极限 / MPa 许用应力 / MPa X707． 852． 067． 90． 3485436． 5 1.5 载荷及土体参数 1． 5． 1 载荷工况 安装温度为 15 ℃时,施加内压 10 MPa;操作温度 为 55 ℃时,施加内压 10 MPa。 1． 5． 2 土体工况 管顶到填土层的距离为 300 mm,土垫层厚度为 200 mm,管道填土埋设时采用三合土进行回填,因此, 在实际计算中,土壤的泊松比系数取 0． 8,回填土变形 模量取10 MPa,管土之间摩擦系数取0． 3,土的密度为 2104kg/ m3。 2 跨断层管线有限元结果分析 2.1 跨断层管线失效准则研究 长输油气埋地管道穿越断层时,管道在正常运行 工况下,内压和温度都会引起管道的应变,导致管道 的变形,计算过程中要将这些条件考虑在内。 埋地管道穿越逆断层,与受拉管线影响长度不 同,埋地管道受压时受影响的管道主要集中在管线附 近的 2030 m 范围内,主要分析管道的轴向压应变, 以此判定管道是否发生局部屈曲。 利用 ANSYS 计算 上述管径在不同断层位移、不同断层倾角条件下管道 的最大轴向压应变值,以判断管道是否受压屈曲失 效。 研究 Φ 1 016 17． 5 mm 管道在逆断层作用下,距 离断层面不同位置处管道轴向压应变的变化规律,以 确定管道发生失效的模式。 依据输油气埋地钢质管道抗震设计规范,断 层错动引起的土壤和管道的大位移情况下,管道容许 拉伸应变[εt]F取管材应力应变三折线中塑性区与弹 塑性交点处的应变值,一般为总应变的 4左右。 当 管道遭受压缩时,由于局部屈曲,管壁会发生屈曲。 取实际薄壁管道开始起皱的压缩应变为容许压缩应 变,容许压缩应变[εc]F按照式1计算[6] [εc]Fmin[0． 3 δ D ,εs]1 式中;δ 为管壁的厚度;D 为管截面的平均直径;εs为 相应于屈服极限的应变。 理论研究时一般用式1,而管道实际工程设计 压缩载荷作用下屈服的极限应变仅为 0． 4 0． 6, 本文抗震设计容许压缩应变值取为 0． 4。 第 6 期郭建军等地震作用下跨断层油气管道安全性分析3 2.2 跨断层管线最大轴向压应变规律研究 不同交角下 Φ 1 016 mm17． 5 mm 管线最大轴向 压应变随断层位移的变化见图 2。 图 2 Φ 1 016 mm17． 5 mm 管线最大轴向压应变曲线 由图2 可知,随着断层位移的增大,管线轴向压应 变增大趋势由较陡变缓和,这种趋势符合指数分布。 在断层位移为 3． 0 m 时,交角 30、45、60及 90管道 最大轴向压应变分别为 0． 003 7、0． 003 41、0． 003 26、 0． 003 121。 管线与断层交角为大角度90时,管道 跨越断层反应压缩应变值较小,而交角为小角度 30时,管道的压缩应变值较大。 可以看到,交角 90时管道的压缩应变值0． 003 121远低于容许压缩应 变 0． 4,说明在该情况下不会发生屈曲失效,有较大 的断层许用位错量;在断层交角 30时管道压缩应变 值 0． 003 7 略低于容许压缩应变 0． 4,说明在该种情 况下,管道接近发生受压屈曲失效。 因此,在地震断层作用下,管线与断层面倾角的 大小对管线的反应有影响。 断层倾角越大,管道越不 易发生屈曲,断层许用位错量越大,越有利于抗震。 2.3 跨断层管线应变分布规律研究 一般情况下,逆断层作用下管线的大变形破坏主 要发生在断层的两侧,且管道的轴向压应变起主要作 用。 管道应变分布如图 3 所示,在断层位移为 2 m 时, 管道在受压载荷作用下,管道的破坏主要出现在断层 两侧,而远离断层面的管线单元应力应变量急剧降 低。 与断层交角较大60管道应变值要小于断层交 角较小30管道应变值,因此断层倾角越大,管道越 不易发生屈曲,断层许用位错量越大。 断层交角 30 管道,在距离断层面约 5 m 处,管道在压缩载荷作用 下出现最大压应变值 0． 003 76,距离断层面约-5 m, 管道受拉区出现最大轴向拉应变值0． 003 59。 管道容 许拉伸应变取 4左右,一般压缩载荷作用下的屈服 应变取 0． 4。 经比较,管道受拉处的最大轴向拉应 变0． 359远低于管道容许拉伸应变值4;管道 受压处的最大轴向压应变0． 376略小于管道容许 压缩应变0． 4,有发生受压屈曲的可能。 因此,一 般在管线跨越逆断层时,随着断层位移增大,管道受 压区压缩应变先达到管道压缩屈服应变值,而受拉区 的拉伸应变远远小于管道受拉的屈服应变,管道屈曲 破坏先于拉伸破坏发生。 图 3 穿越受压断层时管道的应变分布 3 结束语 由综合分析可知,一般情况逆断层作用下管线大变 形屈曲破坏主要发生在断层两侧,随着断层位错量的增 加,管线屈曲面不断扩展;管线的最大轴向压应变并不 是发生在管线与断层面的相交处,而出现在断层面附近 的管线上;在经济合理条件下,选择较大断层倾角 ≤90时,管线越不容易屈曲,断层许用位错量越大, 越有利于抗震;在分析大变形断层错动对埋地管线的影 响时,管线和土介质的材料非线性不可以忽略。 参考文献 [1] 马正茂,冯启民,高惠瑛.跨断层长输油气管道抗震研究 与实践.世界地震工程,2002,183 24-31. 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