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。     

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。     

断层内含体积型缺陷的埋地管道错动反应分析

基于实体模型和土弹簧模型,分析了含体积型缺陷埋地管道在断层错动下的应力应变反应,探讨了断层内含缺陷管道和无缺陷管道在错动作用下应力应变分布的差异。研究了不同缺陷深度、面积和位置等因素对管道顶部和底部应力应变的影响;基于有限元计算的等效应力应变、ASME B 31 G圆周断裂应力和管道的容许应变,建立了含缺陷管道错动反应的安全评判准则,分析了含体积型缺陷的埋地管道在断层错动下的安全性。当缺陷深度大于30管道壁厚时,对管道在断层错动下的安全性构成了威胁;当缺陷环向方向位于管底时,轴向方向位于管道的大变形段内时,对断层内管道错动反应的影响要高于其他位置;在一定数值范围内,缺陷面积对管道在断层错动下的安全性影响较小。     

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。     

断层运动对埋地管道的影响

本文的目的是研究平移断层运动对通过断层区的埋地管道的非线性反应的影响。在研究中，将具有大挠度的管道模拟成一弹性体，而具有小挠度的其余部分管道模拟成弹性基础上的半无限长梁。分别建立了管子的弹性和非弹性模型，用以检验断层运动对埋地管道的影响。非线性方程的求解采用了有阴分析。在研究中，对断层运动的距离，管道穿过断层的角度，管道直径及其埋深度，管道与土壤间的摩擦角参数进行了充分析。示例表明了本文模型的计算     

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。     

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。     

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。     

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。