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。     

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。     

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。     

断层错动作用下埋地管道反应分析方法综述

埋地管道作为石油天然气工业的地下生命线,不可避免地穿越活动断层,研究断层大距离错动作用下埋地管道反应具有重要意义。从理论研究和实验研究两方面论述了断层错动作用下埋地管道反应研究现状,分析了不同方法所采用的力学模型及管-土相互作用模型的发展方向,总结了前人的研究成果以及存在的不足。针对当前技术的不断发展,指出进一步研究方向。     

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。     

含体积型缺陷X80钢长距离输气管道安全评价

针对含体积型缺陷的X80钢长距离输气管道,利用有限元方法对含球形、椭球形和矩形槽缺陷的管道进行力学行为研究。基于含体积型缺陷X80管道的受力情况,利用WORKBENCH有限元软件进行了管内壁和外壁缺陷敏感性分析,结果表明,内压作用下内壁缺陷比外壁缺陷表现更为敏感。对比了不同形状体积型缺陷下的应力分布规律,结果表明,管道的应力集中主要在管道缺陷轴向部位,并且随着缺陷深度和轴向长度的增大应力明显增高。在此基础上分析了在塑性失效准则下含体积缺陷X80管道的极限承载,并将计算结果与PCORRC计算方法进行对比验证有限元结果的正确性。     

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。     

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。     

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。     

跨断层埋地输油气管道抗震研究述评

埋地输油气管道地震破坏通常发生在活动断层,因此,有必要对目前国内外埋地管道的断层错动反应进行分析,以避免或减轻跨断层管道在未来地震中的破坏。综述了理论解析法、数值分析法和试验研究法等三种国内外近几年跨断层埋地输油气管道断层错动反应分析方法,比较三种方法的优缺点,指出各方法中存在的问题。从新建管道项目和已建管道两方面着手,分析目前常用的跨断层埋地管道的抗震措施,提出今后跨断层埋地管道的研究趋势。     

环焊缝根部内凹缺陷对管道内压承载性能的影响

环焊缝是工业钢质管道的重要结构,管道的环焊缝中常常存在一些焊接缺陷。环焊缝根部内凹缺陷是管道环焊过程中产生的一种体积型缺陷,该缺陷可引起较大的应力集中,降低焊接接头的承载性能。基于弹塑性有限元理论,建立了含内凹缺陷管道应力仿真模型,分析了服役压力和极限爆破状态两种典型工况下管道缺陷局部区域及管体应力分布规律,研究了内凹缺陷尺寸参数对管道结构完整性及极限内压承载性能的影响。结果表明,在正常服役压力下,内凹缺陷端部的等效应力最大约为18.59 MPa,而距离内凹缺陷区域较远的管体所承受的应力约为13.18 MPa。在极限爆破工况下,内凹缺陷区域出现较大面积的塑性区,该区域的最大等效应力约为469.5 MPa,超过了焊缝的抗拉强度451 MPa。另外,内凹缺陷径向深度、环向长度和轴向宽度尺寸会引起正常运行工况下管道的最大等效应力发生变化,等效应力变化幅度可达到25%,管道极限内压承载性能随内凹深度的增大而减小。     

X80管线钢在管道凹陷状态下的应变演变特征

高钢级管线钢管在施工和服役过程中会产生凹陷等缺陷,从而改变应力和应变分布特征,影响管道的服役可靠性。为此,以X80管线钢管为研究对象,采用ABAQUS有限元分析软件,分析了外部载荷作用下含单纯凹陷管道随凹陷深度变化的应变场分布特征,通过实物凹陷预制试验探明凹陷区应变分布和显微组织特征,结合有限元模拟结果讨论X80管线钢管含单纯凹陷状态下的应变分布规律。研究结果表明:(1)在相同内压条件下,不同凹陷深度下凹陷区的应变表现出相似的分布特征——应变量随着与凹陷中心距离的增加而增大,达到应变峰值后随距离的增大而快速减小;(2)应变量随着凹陷深度的增加而增大,并且在相同的内压及凹陷深度下,同一位置处的轴向应变大于径向应变;(3)凹陷深度越大,内压与深度对应变影响的叠加效应越大;(4)凹陷变形初期材料发生了应变硬化,随着变形的深入及凹陷半径的外延,材料应变响应能力增加,凹陷区底部和侧壁晶粒沿着变形最大的方向被拉长,晶格被扭曲,发生应变硬化,使得该区域位错密度增大,位错间产生相互作用,从而提高管线钢的强度。结论认为,该研究成果可以很好地预测凹陷过程中的应力应变演变规律,可以为机械损伤对管道服役安全影响研究提供理论基础和试验依据。     

冻胀对含缺陷管道应力的影响研究

为保障冻土区埋地管线在寒季的安全运营,针对中俄漠加段含腐蚀缺陷埋地管线寒季的冻胀灾害工况,采用ABAQUS建立冻土区三维热固耦合有限元模型,研究了冻胀区长度、缺陷深度、缺陷宽度及缺陷位置等对埋地管道内外壁双层面轴向应力的影响。研究结果表明:当土壤发生冻胀时,管道内、外壁面沿轴向会出现3个高风险失效区,外壁面风险失效区位于距冻胀区0～10 m的非冻胀区和缺陷区域,内壁面风险失效区位于距冻胀区0～5 m的非冻胀区和缺陷区域,内外壁沿轴向Von Mises应力对寒季地表温度敏感性极高,最高可达43%,因此寒季应根据冻胀区长度对高风险失效区管道进行适当补强;当且仅当缺陷位于冻胀区域中轴线时,冻胀将加大腐蚀缺陷处管道失效的可能性;缺陷域内管道内外壁最大Von Mises应力对缺陷深度最敏感,最高可达58%,对冻胀土壤长度、缺陷宽度和寒季温度较敏感,绝对值均达10%以上;各种因素与寒季气温变化多呈非线性关系且二者互相促进加速管道失效。研究结果可为寒季冻土区输油管道的完整性评价及维护检测等提供依据,具有一定的理论指导意义和工程实用价值。     

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。     

封面

为研究含划痕缺陷管道在冲击载荷作用下的动力响应行为,采用显示动力学分析方法,建立含划痕缺陷埋地管道三维三重非线性动力学分析模型,探讨管内流体压力、落物冲击能、划痕缺陷深度对峰值时刻管道动力响应行为的影响规律。结果表明:在落物的冲击作用下,划痕尖端应力集中现象明显,管道极易首先从该位置处发生失效。当落物冲击能为100 kN·m时,管内流体压力由0.5 MPa增至0.8 MPa,管道等效应力由38.2 MPa降至31.5 MPa,管道变形由4.3 mm降至4.1 mm,流体压力一定程度上可以保护受冲击管道;当管内流体压力为0.6 MPa时,落物冲击能由50 kN·m增至240 kN·m,管道等效应力由26.4 MPa增至61.6 MPa,变形由2.6 mm增至6.7 mm;当落物冲击能为100 kN·m时,管道划痕深度由3 mm增至4.5 mm,管道等效应力由35.8 MPa增至39.1 MPa,而变形基本无变化。该项研究相关分析方法以期为冲击致“划痕+凹陷”复合缺陷管道的失效分析提供理论指导。     

含裂纹油气管道CFRP修复数值研究

裂纹缺陷引发的管道强度下降是埋地油气管道的主要事故原因之一,而高强度、高模量、耐腐蚀的碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）可以很好地缠绕修复缺陷管段。针对有/无CFRP修复20钢含矩形裂纹缺陷管道,采用ANSYS有限元软件模拟内压载荷作用下含裂纹管道修复前后的响应过程,分析了裂纹角度、裂纹长度、裂纹深度、修复长度及修复厚度等参数对含裂纹管道强度的影响规律。研究表明,含裂纹管道的最大Mises等效应力随着裂纹与管道轴向夹角的减小、裂纹长度和深度的增大而增大,内压的增大加剧了缺陷参数对管道强度的影响程度。在工程中要严格控制裂纹在深度和长度方向的扩展,在内部减压后再维修含裂纹管道。CFRP修复厚度是修复后含裂纹管道强度的主要影响因素,随着修复厚度一定程度的增大,含裂纹管道最大Mises等效应力呈线性下降。     

体积型缺陷几何参数对连续油管疲劳寿命影响

连续油管服役环境恶劣,外表面体积型缺陷会造成局部应力集中和严重的局部塑形变形,诱发微观裂纹,使其过早地疲劳失效。为了保证连续油管应用的安全性和经济性,必须考虑体积型缺陷的深度、长度、宽度对连续油管疲劳寿命的影响。采用ABAQUS软件模拟含体积型缺陷连续油管周期弯曲过程,拟合出体积型缺陷几何参数与应变集中系数的关系式,得到含体积型缺陷连续油管疲劳寿命预测公式。分析结果表明:在内压低于30 MPa时疲劳寿命随缺陷深度的增加而减小,随长度的增加而小幅度增加,随宽度的增加而减小;内压高于30 MPa时缺陷几何参数对疲劳寿命影响较小。为体积型缺陷进行打磨修复提供参考。     

逆断层作用下碳纤维预增强管道应变响应研究

为了研究碳纤维复合材料(CFRP)对逆断层作用下埋地管道力学响应行为的影响,基于ABAQUS建立了三维逆断层作用下碳纤维预增强埋地管道数值仿真模型。采用基于应变的评价准则,研究了不同CFRP缠裹厚度、长度和角度对管道力学响应行为的影响。研究结果表明：对于无CFRP缠裹管道,随着断层位移的增加,上盘处管道率先发生应变突变,但变化程度低于下盘处管道;缠裹10 mm厚的CFRP就能够较大程度地增强管道抵抗断层位移的能力,降低管道轴向应变值;缠裹长度对管道屈曲位置有较大影响,缠裹角度对屈曲位置影响较小,但较小的缠裹角度更有利于增加管道抵抗断层位移的能力;在实际穿越断层的油气管道工程中,可以在断层面附近处的管道缠裹CFRP,缠裹厚度可取20 mm,缠裹长度在断层面两端宜大于20 m,缠裹角度取较小值15°。所得结果可为工程设计及现场施工提供参考。     

圆筒形容器和管道中平面型缺陷部位的应力计算

本文对带有垂直于圆筒轴线方向的内表面平面型缺陷的圆筒形容器进行了应力分析,测量了钢模型平面缺陷部位的应变值,得到了缺陷在不同深度下的应力分布情况,建立了平面型缺陷部位轴向应力的计算式。     

含双体积型腐蚀缺陷管道的有限元应力分析

某常减压蒸馏装置减压炉3路出口第2个弯头后直管经超声测厚发现腐蚀减薄严重。以此管道为样本,用有限元软件模拟了含双体积型腐蚀缺陷管道的应力状态,研究了平底方形、椭圆底方形两种体积型腐蚀缺陷及组合缺陷之间的距离对管道最大等效应力的影响规律。结果表明:当双平底缺陷、双椭圆底缺陷和组合缺陷之间的距离分别大于等于500,160和300 mm时,两缺陷互不干涉,可分开评定其对管道剩余强度的影响。