基于应变设计方法在新粤浙断层区管道上的应用

新粤浙管道是我国即将建设的最长煤制气管道,针对其穿越活动断层管段采用基于应变的方法设计。介绍了管道基于应变设计准则,明确了基于应变设计校核标准及应用范围。基于非线性有限元法,给出了穿越活动断层管道应变计算数值模型,模型采用管壳耦合的方法在保证计算精度的同时兼顾了经济性。结合管道基于应变设计流程,给出新粤浙管道穿越活动断层实例的设计过程,为穿越断层区管道设计建设提供了参考。     

跨断层区X80钢管道受压时的设计应变预测

活动断层是地震区天然气长输管道的主要威胁,断层作用下管道会发生轴向和垂向位移,导致管道内产生较大的应变而失效,断层作用下管道应变的准确计算对跨断层区管道的设计与安全评估具有重要意义。现有的针对跨断层区管道应变计算方法主要针对管道受拉情况,缺乏对受压情况的考虑。为此,基于非线性有限元法,给出了管道受压时(穿越角大于90度)的跨断层区X80钢管压应变数值计算模型,分析了直径、壁厚、内压、土壤特性、穿越角5种主要参数对设计应变(最大压应变)的影响规律,基于有限元数据,拟合得到了受压X80钢管设计应变回归计算公式,与"西气东输二线"工程实际工况有限元结果的对比,验证了回归公式的准确性。该回归公式为穿越断层区X80钢管基于应变的设计与安全评估提供了一定的参考。     

输气管道穿越地震活动断层有限元分析研究

断层地震活动对管道的破坏效应包括断层位错、土壤液化以及地面波动,其中断层位错对埋地管道的安全影响最大。用ANSYS建立了输气管道穿越高地震区断层的应力-应变模型,计算了在断层错动作用下的管道应变,研究了各参数变化对管道应变的影响,并分析了其敏感性。结果表明,管道的材质、壁厚、埋深、土壤内摩擦角、管道与断层的交角对管道应变产生重要的影响,因此在管道穿越断层的模型设计中,建议从这几方面改善。     

地震载荷作用下长输管线穿越断层应变设计

穿越活动断层的埋地钢质管道在位移载荷作用下易产生较大甚至过量变形,传统的基于应力的设计准则已经不再适用。针对这种情况,基于应变设计方法,利用有限元软件建立了不同穿越断层工况下的管-土耦合模型,研究了地震烈度、断层错距、管径、壁厚、埋深及土壤内摩擦角对穿越管道最大应变值的影响规律,以及各随机变量对管道安全可靠度的影响程度。研究结果表明,地震烈度是地震波作用下穿越断层埋地管道轴向应变最显著的影响因素,埋深和壁厚次之;当地震烈度为Ⅱ度、断层错距为0.7 m时,强震区穿越埋地管道轴向最大拉伸应变值为2.28%,超过了容许拉伸应变。研究成果可为地震载荷作用下穿越活动断层区的长输管道的可靠性设计提供依据。     

基于应变设计方法在管道工程建设中的应用研究

埋地管道通过高震区和活动断裂带时将受到较大变形,影响管道的安全性。通过对基于应变设计方法、X80钢管力学性能和焊接工艺的研究,建立了有内压和无内压断层位移作用下管道的应变计算模型。综合考虑材料变形能力、环焊缝变形能力、焊缝缺陷影响、低周疲劳性能、管道内压等诸多因素确定管道极限应变和容许应变,提出了管道基于应变设计流程及相关要求。对西气东输二线通过强震区和活动断层区段的埋地管道进行了应变计算及校核,确立了管道工程抗震设计方法,制定了有效降低管道应变的优化敷设方案。     

基于应变设计的跨斜滑断层埋地管道地震反应分析

中亚天然气管道D线工程穿越大量活动斜滑断层,埋地管道受断层错动影响极大,在断层错动作用下管道极易发生大变形,管道内部因产生较大应变而失效破坏。目前国内对基于应变的管道设计研究较少,并主要对拉应变进行分析,缺乏对压应变的研究,同时现有的解析方法对跨斜滑断层管道应变问题无法求解。因此研究跨斜滑断层埋地管道的设计应变意义重大。为此,采用非线性有限元分析方法,建立了ABAQUS数值模型,基于应变设计对跨斜滑断层埋地管道反应进行了研究,分析了埋深、管道直径、壁厚、管道内压和土体压缩模量这5项参数对管道拉应变、压应变的影响。通过对中亚天然气管道D线工程实际工况的分析,利用MATLAB软件拟合获得了管道最大拉应变、压应变的回归公式。研究结果表明:(1)管道拉、压应变分布规律不同,管道拉应变随断层位移增大而增大,管道压应变随位移先增大而后减小;(2)工程中采用浅埋软土、小直径厚壁管道及低管压等措施均有利于管道对断层错动的抗震设防;(3)回归公式能为跨斜滑断层埋地管道工程的设计与安全评价提供参考。     

断层作用下管道应变计算有限元模型对比研究

对于穿越活动断层的管道通常采用基于应变的方法进行抗震设计校核。为此,建立管单元、固定边界壳单元、管壳耦合和等效弹簧边界等4种有限元模型,从结果差异性和模型计算效率2方面进行对比分析,得到如下结论:当以不同角度穿越不同位错量走滑断层时,管道4种有限元模型最大轴向应变和最小轴向应变较接近,其中基于壳单元模型计算结果稍保守;在保证计算结果准确性的前提下,采用管壳耦合模型或等效弹簧边界模型可大幅降低计算成本,后者在特殊情况(断层位错量较大)时需加长管段分析长度以保证等效弹簧边界适用性;管单元模型具有最优计算效率,适合大批量计算时使用;管壳耦合模型具有较高计算效率、较广适用性以及较保守的计算结果,适合断层区管道抗震设计时使用。     

冻土区埋地管道基于应变设计方法研究

基于应变的管道设计方法适用于管道通过土壤可能发生大位移的特殊地段,如,强震区、活动断裂带、矿山采空区沉陷地段、冻土地区以及滑坡地段等区段。介绍了针对冻土地区采用基于应变设计方法的研究成果,论述了适用于冻土地区的埋地管道基于应变的设计方法和设计流程,包括管道基于应变的设计准则、土壤冻胀融沉范围的计算、管道在差异性冻胀和差异性融沉以及边坡热融滑移情况下的应变计算方法,并就漠河一大庆原油管道基于应变设计进行了实例分析。分析结果表明,按基于应变的设计方法,管道是安全的。     

大口径天然气管线穿越断层的管沟设计研究

为了保证埋地管线的抗震安全性,需要建立跨越断层埋地管线的力学分析模型、研究影响管道应变的因素并提出相应的抗震措施。目前,在埋地天然气管线抗震安全性研究方面,对管道应变影响最直接、最经济有效的管沟形状和尺寸这两个因素还没有予以研究。为此,应用有限元方法,首次建立了管沟尺寸及形状、管道埋深和回填土性质等因素对穿越断层埋地管线应变的影响分析模型,获得了不同管沟参数和回填土力学性质时的土弹簧参数,并应用ABAQUS软件进行了数值模拟分析,定量分析了管沟参数对管线应变的影响,最后根据基于应变的管道设计准则,提出了合理的管沟尺寸及形状,优化了穿越断层埋地管线的管沟设计,使管道应变降低了27.27%,有效提高了埋地管线的抗震安全性。     

跨断层埋地输气管道应变计算方法研究

为了既能节省时间,又能使计算较好地体现跨断层管道的真实反应,基于所建力学模型,分别对正断层和逆断层作用下埋地输气管道的反应进行分析研究,采用非线性拟合和线性拟合两种方法,对管径、壁厚、管道埋深、管材特性、穿越角、土体内聚力以及管道内压等不同参数进行无量纲修正,同时考虑管道发生塑性应变集中以及管道发生屈曲的情况,提出适用于工程设计的计算埋地输气管道最大应变值的简化计算公式。通过实例对不同计算方法进行了分析比较,计算结果验证了简化计算公式的合理性,进一步证明当断层错动量较大时,采用土弹簧模型对管土作用进行模拟所得到的结果偏不安全。     

穿越地震断裂带的管道安全监测预警系统

对穿越地震断裂带的油气管道实施安全监测有助于保证管道的安全运行,最大限度地避免重大灾难性事故的发生。为此,从地震断裂带对穿越其中油气管道的安全影响入手,简要分析了地震断裂带的管道受力特点和国内外管道地震监测技术的发展动态,建立了穿越地震断裂带的管道安全监测预警系统。该系统兼顾灾害的主、客体,分别对致灾体和承灾体实施监测,监测预警系统由监测传感、数据采集与传输、数据管理与处理和预警信息发布4个子系统构成,采用先进的传感元件,通过北斗卫星和GPRS双信道的通信模式实现数据传输,再由计算和分析软件完成数据处理和分析,自动评价局部管道的安全状态,并在异常时发布预警。同时还详细介绍了各子系统的功能特点以及该系统在国内输气干线某主要地震断裂带上的监测预警效果。现场应用效果表明,管道安全监测预警系统获取的大量管道工作状态参数能够为穿越地震断裂带的管道安全保护提供科学依据。     

基于ABAQUS和MATLAB的断层抗大变形管道长度计算

通过对比抗大变形管材与普通管材力学性能和经济成本,阐述了确定活动断层处抗大变形钢管道长度的必要性。在忽略活动断层面宽度条件下,研究采用有限元软件ABAQUS对该处普通钢管道进行抗震受力计算,得到管道沿线应变。利用MATLAB软件对大于容许应变值的管道单元进行统计处理,得到大于普通钢管容许应变值的管道长度,加上活动断层面宽度之和即为需要使用抗大变形管道的长度。此方法可得到抗大变形钢管道长度及沿管道长度方向应变分布状况,为活动断层作用下管材选择提供依据。     

西气东输中卫黄河隧道设计

中卫黄河隧道是西气东输能源战略的咽喉工程之一,隧道内敷设西气东输中卫黄河跨越的备用管道和西气东输二线管道,隧道穿越几条大地震断裂带,工程设计难度较大。文章在介绍了西气东输中卫黄河隧道工程地质、水文地质条件的基础上,论述了隧道结构的设计、穿越管道的设计及其原则,总结了天然气管道水下隧道工程设计的特点。     

逆断层作用下埋地管道的模拟计算

文章基于应变的设计理念,采用壳单元等效边界模型,利用AN SYS软件实现了断层作用下埋地管道的抗震校核计算,并对断层作用下埋地管道的变形影响因素进行了分析,结果表明:断层错动量大小是影响管道变形的主要因素,管道的峰值应变随错动量的增加呈近似等倍数的线性增加;管道与断层交叉角度的不同会导致管道产生不同的失效形式,在倾角为75°的逆断层作用下,管道与断层交叉角度小于55°时表现为拉伸失效,交叉角度大于85°时表现为压缩失效;随着管道埋深的增加,管道的峰值拉伸、压缩应变均有所增加;提高管道壁厚可以使管道以较低的轴向应变为代价来吸收更多的应变能,因此提高管道壁厚可以降低管道的峰值应变。     

埋地管道通过逆断层的有限元分析

埋地管道通过的逆断层是油气输送管道抗震设计中最困难的地段,这是因为在逆断层位移作用下管道压缩分量大,容易产生屈曲失效。鉴于此,以某逆断层作用下埋地管道为例,利用有限元软件ABAQUS进行了管土作用分析,并采用基于应变的准则进行管道校核。对于范围大、布置复杂的地段采用管单元,土壤采用弹簧单元来模拟,可以满足工程使用的精度要求。计算结果表明,该埋管发生了压缩塑性变形,但仍然处于安全状态。研究内容可为埋地管道设计提供参考。     

断层两侧土体对输气管道穿越地震断层的影响

关于埋地管道穿越地震断层的问题,现有文献对梁-壳混合模型中梁-壳单元连接处的耦合问题并未深入研究。鉴于此,考虑梁-壳单元在连接处的耦合效应,给出了梁-壳单元耦合的刚度矩阵方程,并据此建立了输气管道穿越地震断层的梁-壳-土弹簧力学模型。利用该有限元模型,分析了断层两侧土体性质差异对输气管道受拉侧和受压侧最大轴向应变的影响规律。分析结果表明:土体性质较强一侧的管道最大轴向应变明显高于土体性质较弱一侧的管道最大轴向应变;断层两侧土体容重和内摩擦角差异对最大轴向应变有较大影响,而土体内聚力差异对输气管道最大轴向应变的影响均较小。研究结果为输气管道穿越地震断层的安全评价提供了理论依据。     

油气管道定向钻穿越技术

较系统地论述了管道定向钻穿越技术,介绍了定向钻的组成、施工程序以及国内部分管道定向钻工程的施工实例．对穿越过程中的主要问题进行了探讨,如穿越位置、穿越地层、穿越管道埋深的确定,入、出土点位置的选择,穿越曲线的设计等,分析了回拖力的计算及相关参数,根据管道定向钻实际施工经验．提出了设计过程中应注意的事项。     

油气管道通过活动断层抗震设防安全性探讨

国内外历次大地震都曾使通过活动断层的地下油气管道遭受重大损失,我国是一个地震多发、震灾严重的国家,对油气管道通过活动断层的安全性非常重视。但是,GB 50470-2008《油气输送管道线路工程抗震技术规范》对油气管道通过活动断层采用的抗震设计方法,尚未考虑不同错动形式、降雨以及冻土覆盖等对计算模型以及土壤力学参数的影响。我国冻土分布面积约占陆地总面积的90%,在冬季埋地油气管道上部被冻土层所压覆,如果此时发生地震,实际工况就与规范中假设的工况完全不相吻合;管周土壤的力学参数在降雨、冻结影响下也将发生很大变化,按规范中方法所计算出的结果将对油气管道抗震设防的安全性产生一种误判。同时,目前在活动断层中采用的疏松砂土浅埋的抗震措施可能并不一定有效。因此,建议对现役和在建的油气管道通过活动断层的抗震设防安全性予以重新认识。     

跨断层埋地管段数值模拟分析研究

本文以有限单元法为基础,在ANSYS中建立了埋地管道的有限元模型,分析了活动断层作用下管道的应力应变情况,得出断层附近的管段发生大变形并产生较大塑性应变,而断层两侧管道均随断层错动而弯曲变形,弯曲部位均产生较大应力、应变,最大值出现于管段压缩一侧。     

斜滑断层作用下埋地管道的力学性能试验研究

为研究跨斜滑断层作用下埋地管道的破坏机理和力学性能,设计了土箱装置进行跨斜滑断层的模型试验,并利用有限元软件进行数值模拟,研究了不同错距下管道的应变分布特点及管道变形情况。试验结果表明:埋地管道在斜滑断层作用下,管道的变形呈反对称状,远离断层的管段应变值较小,且随着土体一起运动;管轴上最大拉应变和压应变出现在断层面附近,且都随着断层错移量的增加而增大;对于管径较小管道,当错移量较大时,容易发生塑性应力集中现象;埋深较大的管道,其峰值拉压应变都较大,更容易出现塑形变形;增加管道的壁厚可以明显减小管道应变及变形,可有效减轻管道破坏。数值模拟结果与试验值非常接近,验证了所建模型的合理性,研究结果可为相关跨斜滑断层管道力学性能分析奠定基础。