平推断层作用下管道的应变失效分析

介绍了平推断层作用下管道最大轴向应变的计算方法,可直接将管材的容许应变与管道的实际最大应变进行对比来判断管道的安全性,物理意义十分明确;该方法还可以同时给出管道的最大应力、实际伸长量、容许伸长量、断层影响长度、弹性变形区长度、弹塑性变形区长度等相关参数,以供理论分析或设计时参考.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

国内外油气管道用抗大变形焊管的研制现状

为了克服冻土带、滑坡带、地震带等条件对管线造成的大位移变形失效,保证服役管线的安全性和完整性,要求焊管具有较强的抗大变形能力。国外的研究表明,目前可作为抗大变形管线钢的材料有铁素体+贝氏体双相钢、贝氏体+M/A双相钢和针状铁素体钢,这些抗大变形管线钢可通过控制钢的化学成分、轧制工艺和热处理得到,双相管线钢具有低屈强比、高加工硬化指数、大均匀延伸率、圆屋顶型应力应变曲线等特点。国内的钢厂和管厂也联合进行了中缅油气管道抗大变形焊管国产化试制工作并获得成功,目前国内抗大变形管线钢普遍采用铁素体+贝氏体双相钢。     

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。     

用于地震及地质灾害条件下的钢管性能研究进展

为了提高油气输送管道抗大变形能力,可以从管线设计和钢管性能两方面入手.主要论述了铜管性能方面的研究进展.重点介绍了日本NKK公司开发的NK-Hiper抗大变形管线钢的性能,这种双相钢具有高的形变强化指数,应力-应变曲线无屈服平台,而且均匀延伸率高,具有较高的抗大麦形的能力,单轴向压缩临界屈由应变达到1%以上.     

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。     

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。     

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。     

输油悬空管道洪水冲刷作用下的安全评价

洪水冲刷是影响输油悬空管道稳定性的重要灾害之一。对洪水冲刷输油悬空管道进行受力分析可知,漂浮管道易产生拉弯变形。为此,建立了水冲管道力学分析模型,应用基于应变准则的失效判据关系式来判断管道的安全状态,并用有限元软件ABAQUS对X60输油管道在一定洪水流速和一定悬空长度2种工况下的安全状态进行模拟与分析。分析结果表明,最大应力、应变及挠度与悬空长度成正相关关系;一定悬空长度下,最大应力、应变及挠度与洪水流速成正相关关系,且当流速大于3 m/s时,管道的振动频率升高,加大管道失效可能性。水冲悬空管道的危险点位于埋设段与悬空段交汇处的水流入侧。     

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。     

油气管道基于应变的设计及抗大变形管线钢的开发与应用

简述了油气管道的失效模式及失效原因.着重介绍了地震和地质灾害引发的管道失效.重点对抗大变形管线钢的开发与应用进行了综合评述.提出:通过地震和地质灾害多发区的管道应采用基于应变的设计方法;在解决管道承受大位移、大应变问题的同时,选择合适的管线钢及钢管,也可使管道具有抗大应变的能力.抗大变形管线钢应具有的主要特性包括:应力应变曲线为Round house型、屈强比较低、形变强化指数高、均匀塑性变形延伸率高,组织为包含有硬相和软相的双相或多相组织,管道环焊缝接头应为高匹配.     

埋地管道极限悬空长度计算

长输管道运行环境复杂,所经地区地质条件多变,外界各种载荷共同作用导致管道悬空,影响管道的安全运营。简要介绍了实际工程模拟计算中常用的悬空管道力学模型。基于埋地管道悬空这种失效形式,选择了最佳的力学简化模型,将理论计算的应力和应变值与ABAQUS有限元分析软件仿真计算的结果进行对照,得出该管材管道的极限悬空长度L=350 m,此时管道的应力取值为517.0 MPa,应变取值为0.61%。     

三角剪切断层传播褶皱应变分布

三角剪切断层传播褶皱是褶皱-冲断带重要的构造样式和圈闭类型,通过研究构造变形几何特征与应变分布规律可探讨其成因机制。采用修正的满足速度连续性和应变相容性的三角剪切带速度分布模型,使用柯西方程计算三角剪切带内瞬时应变速率,分析其应变差异分布;使用MATLAB软件对三角剪切断层传播褶皱进行正演模拟,获得不同参数影响下褶皱的几何形态与累积应变分布特点,根据应变分布特征探讨可能的断层传播模式。结果表明：三角剪切带在断层端点前方区域存在应变集中,断层端点邻近区域变形强烈,将导致断层端点向前传播,应变随远离断层端点迅速衰减,岩层以褶皱形式协调变形;影响三角剪切断层传播褶皱应变分布的参数为三角剪切角与P/S比值。三角剪切角决定了褶皱宽度,剪切角越小,褶皱愈紧闭,应变也愈强烈;P/S比值影响着卷入变形的地层范围与累计应变的时间。高P/S比值时,断层迅速传播,地层变形微弱;低P/S比值时,地层累计变形时间长,变形强烈,断层下盘向斜构造明显发育,出现地层增厚的现象。     

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。     

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。     

日照-东明原油管道穿越安丘-莒县断裂带的抗震设计方案

报道了因日照一东明原油管道工程需穿越安丘一莒县地震活动断裂带而进行的抗震设防设计。介绍了与管道相交的活动断裂带的情况及评价、活动断层参数、土弹簧数据,以及管道设计、管道性能参数,并据此选择的断层位移作用下管道应变计算模型和计算结果,给出了应变校核结论、穿越断裂带处的管沟设计,以及工程所采取的其他抗震措施。该设计方案通过了业主和专家审查,并在工程中得到落实。