摘 要

摘　要：地震是輸氣管道失效的重要原因之一，強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)土壤錯(cuò)動(dòng)，載荷作用于輸氣管道上極易引起管道變形，而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)地震帶輸氣管道的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析研究較少。為此，基于

摘　要：地震是輸氣管道失效的重要原因之一，強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)土壤錯(cuò)動(dòng)，載荷作用于輸氣管道上極易引起管道變形，而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)地震帶輸氣管道的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析研究較少。為此，基于地震頻譜分析方法，采用CAESAR Ⅱ軟件對(duì)XX地震帶輸氣管道進(jìn)行了動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析，并校核了在強(qiáng)震作用下輸氣管道的位移、應(yīng)力是否符合規(guī)范。結(jié)果表明：①軸向、橫向、縱向及綜合地震作用對(duì)輸氣管道的橫向位移影響最大，且最大橫向位移明顯高于最大軸向及縱向位移；②地震作用下最大縱向位移和橫向位移均產(chǎn)生在坡頂，設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)對(duì)坡頂輸氣管道的位移量進(jìn)行校核；③綜合地震作用較任一單方向地震作用所產(chǎn)生的管道位移、應(yīng)力更高，綜合地震載荷對(duì)輸氣管道的破壞最大。據(jù)此提出建議：地震帶輸氣管道設(shè)計(jì)過程中，可通過極限設(shè)計(jì)的方法提高輸氣管道的抗震能力且應(yīng)重點(diǎn)對(duì)輸氣管道的橫向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可通過改變管道敷設(shè)線路或減小土壤壓實(shí)度的方法來控制輸氣管道的位移。

關(guān)鍵詞：地震  輸氣管道  應(yīng)力  位移  頻譜分析  CAESAR Ⅱ  極限設(shè)計(jì)

Stress analysis of gas pipelines at seismic belts based on the spectrum analysis

Abstract：Crossing through seismic belts，gas pipelines are under the condition of soil rupture resulted from a strong crustal movement，which would easily cause pipe bending deformation．At present，both domestic and abroad oil and gas pipeline stress analysis is limited to static analysis，while dynamic stress analysis has not yet been touched upon．In view of this，based on the principle of seismic spectrum analysis，a pipeline dynamic stress analysis was performed by inputting spectral parameters of the pipelines crossing through the XX seismic zone into the seismic analysis module of CAESAR Ⅱ．The results indicated whether or not the pipeline displacement and stress under a violent earthquake action would conform to ASME B31.8 specification．The following findings were made．First，the radial，transverse，longitudinal and combined seismic actions has the biggest impact on the lateral displacement of gas pipelines；and the maximum lateral displacement is obviously higher than the maximum radial or transverse displacement．Second，under the seismic action，both the maximum transverse and longitudinal displacement occur on the top of sloDes。which should be highly focused on in the design．Third，the displacement and stress caused by the combined seismic actions are higher than those by any single direction seismic action and the combined seismic load has the worst damage to the pipelines．Accordingly，we put forward the following proposals．The ultimate design method should be adopted to strengthen pipelines against earthquakes；the pipe lateral displacement should be highly monitored；and such measures as changing pipeline routes or reducing soil compaction degree should be taken to minimize the earthquake impact，thereby to control the displacement of gas pipelines．

Keywords：seismic，gas pipeline，stress，displacement，spectrum analysis，CAESAR Ⅱ，ultimate design

地震是引起輸氣管道失效的重要原因之一。強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)土壤錯(cuò)動(dòng)，載荷作用于管道上極易引起管道變形。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦應(yīng)急管理中心(FEMA)給出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由地震引起的管道失效方式主要有2種：管道破裂(占事故的80％)和管道泄漏(占事故的20％)。根據(jù)歐洲輸氣管道事故數(shù)據(jù)組織(EGIG)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2005年12月，由地震引發(fā)的輸氣管道斷裂事故占事故總數(shù)的7.1％^[1-3]。

對(duì)于較為重要的管道，通常需進(jìn)行極限設(shè)計(jì)，即在設(shè)計(jì)時(shí)輸入發(fā)生概率較小(地震強(qiáng)度較大)的地震參數(shù)，增加管道的實(shí)際抗震能力。根據(jù)GB 50470《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》，重要區(qū)段管道應(yīng)采用50a超越概率5％的地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，而大型跨越及埋深小于30m的大型穿越管道應(yīng)按照50a超越概率2％的地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)^[4]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)油氣管道的應(yīng)力分析研究?jī)H局限于靜力分析，且研究對(duì)象大多為隧道、山地^[5-10]，動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析的研究較少。管道基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)較基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)其結(jié)果更加保守^[11-12]，在對(duì)管道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少設(shè)計(jì)缺陷，可綜合考慮應(yīng)力和應(yīng)變這兩個(gè)方面的分析結(jié)果，因此，有必要對(duì)地震帶的輸氣管道進(jìn)行應(yīng)力分析研究，并根據(jù)分析結(jié)果得出產(chǎn)生影響位移、應(yīng)力的地震作用方向，從而采取相應(yīng)的工程措施，以保障管道在地震波作用下的運(yùn)行安全。

1　地震頻譜分析法簡(jiǎn)介

由于強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響范圍較大，需重點(diǎn)研究管道在動(dòng)態(tài)載荷作用下的應(yīng)力及位移分布情況。動(dòng)態(tài)地震分析通常分為2種方法：時(shí)程分析法與頻譜分析法。由于管道屬于線彈性系統(tǒng)，具有固有頻率，而地震管道的應(yīng)力分析只需得出整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中的最大位移與應(yīng)力，故選用頻譜分析法較為合適。頻譜分析法精度較時(shí)程分析法略低，但計(jì)算較為簡(jiǎn)便^[13]。

美國(guó)Intergraph收購(gòu)并改進(jìn)研發(fā)的CAESAR Ⅱ軟件在管道應(yīng)力分析方面占有很大的市場(chǎng)份額，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)管道的靜力分析，還能進(jìn)行管道動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析。其中，地震頻譜分析模塊可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入相應(yīng)的參數(shù)，經(jīng)過軟件的計(jì)算加載在管道模型上。

頻譜分析法中頻譜的設(shè)計(jì)與取值通常參照美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)ASCE 7—05《建筑物和其他結(jié)構(gòu)的最低設(shè)計(jì)載荷規(guī)范》(Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures)^[14]，相對(duì)我國(guó)的GB 50011《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》其取值較為保守^[]15]。圖1為ASCE 7規(guī)范的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜示意圖，它的周期區(qū)間分為4個(gè)，不同的區(qū)間所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜加速度計(jì)算公式不同(圖1中列出)，其中，SDS和SD1用于選擇抗震設(shè)計(jì)類別和分析方法。

 

式中SDS為短周期設(shè)計(jì)反應(yīng)譜加速度(阻尼系數(shù)為5％)；SD1為周期1s的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜加速度(阻尼系數(shù)為5％)；Fa、Fv為場(chǎng)地系數(shù)；Tp為結(jié)構(gòu)固有周期；T0為反應(yīng)譜特征周期，T0＝0.2SD1／SDS；Ts為反應(yīng)譜特征周期，Ts＝SD1／SDS；TL為長(zhǎng)周期的過渡期；Sa為反應(yīng)譜加速度，g(g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，單位?span lang="EN-US">m／s²)；Ss為短周期反應(yīng)譜加速度(阻尼系數(shù)為5％)；S1為周期1s的反應(yīng)譜加速度(阻尼系數(shù)為5％)。

2　地震帶輸氣管道的應(yīng)力校核方法

CAESAR Ⅱ軟件可根據(jù)研究對(duì)象的不同，選擇不同的應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)。由于研究?jī)?nèi)容為地震帶的輸氣管道，故遵循的是美國(guó)ASME B31.8氣體輸送和分配管道系統(tǒng)(Gas Transportation and Distribution Piping Systems)的校核方法。地震帶輸氣管道的應(yīng)力校核包括靜力校核和動(dòng)載荷應(yīng)力校核，二者的依據(jù)不盡相同^[16]。位移量的校核則根據(jù)GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求^[17]。

2．1　靜力校核

地震帶輸氣管道的靜力校核主要考慮持續(xù)載荷作用(軸向應(yīng)力)，軸向應(yīng)力反映的是管道自重、管內(nèi)介質(zhì)重量和內(nèi)壓對(duì)管道應(yīng)力的影響。根據(jù)ASME B31.8規(guī)范中833.6條的規(guī)定：軸向應(yīng)力不得超過管材規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度的0.75倍，即SL≤0.75SMYS(SL為管道的軸向應(yīng)力，MPa；SMYS為管道規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度)。

2．2　動(dòng)載荷應(yīng)力校核

地震帶輸氣管道的動(dòng)載荷應(yīng)力校核主要針對(duì)偶然地震載荷作用。地震作用方向通常分為3個(gè)主方向：X(平行于管道軸向)、Y(縱向)、Z(橫向)，它們的校核依據(jù)相同。根據(jù)B31.8規(guī)范中833.4的規(guī)定：短時(shí)間偶然載荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)力不得超過材料最小屈服強(qiáng)度與溫度系數(shù)的乘積，即SL≤SMYS×T，(T為溫度系數(shù)，在溫度小于121℃情況下取值為1)。

2．3　位移校核

GB 50251—2003中5.1.4條規(guī)定：鋼管水平方向的最大變形量不得超過0.03倍鋼管平均直徑，即(Dx為鋼管水平方向最大變形量，m；D為鋼管平均直徑，m)。

3　敞地震帶輸氣管道動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析實(shí)例

3．1　工程概況

根據(jù)XX地震帶管道的設(shè)計(jì)資料，輸氣管道采用API X80(L555)鋼管，安裝溫度為20℃，運(yùn)行溫度為50℃，運(yùn)行壓力為l2MPa。管道所處環(huán)境溫度為20℃，埋地土壤為飽和粗砂，所處地區(qū)的地震影響等級(jí)為7級(jí)，基本地震加速度為0.30g(g為重力加速度)，該段管道西側(cè)坡腳高程為295.66m，坡腰高程為318.95m，坡頂高程為342.33m。具體管道、土壤、地震參數(shù)如表1～3所示。

 

 

 

管道總長(zhǎng)度約為780m，起點(diǎn)和終點(diǎn)分別設(shè)置固定墩l、2，用以截?cái)嘌芯繉?duì)象外管道對(duì)模型的影響。西側(cè)進(jìn)土導(dǎo)向B前有30m長(zhǎng)的管段，與入土處有30°的偏離；西側(cè)水平管段長(zhǎng)約為110m，斜管總長(zhǎng)約為215m；東側(cè)出土導(dǎo)向工后有30m長(zhǎng)的管段，與出土處有30°的偏離；東側(cè)水平管段長(zhǎng)為105m，斜管長(zhǎng)約為290m。管道均采用大開挖的敷設(shè)方式，彎管的曲率半徑(R)為6D(D為管道外徑)，地區(qū)等級(jí)為l級(jí)，設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72。管道為空間結(jié)構(gòu)，在X、Y、Z方向上均有長(zhǎng)度分量，其在XOY平面上的走向如圖2所示，具體空間參數(shù)如表4所示。

 

 

3．2　地震分析及載荷加載

根據(jù)XX管道給出的地震資料，可根據(jù)GB 5001l《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》查得土地的特征周期、水平地震影響系數(shù)最大值等參數(shù)，根據(jù)SS(4％阻尼系數(shù))和S1(4％阻尼系數(shù))的值，分別在ASCE 7-05規(guī)范中表11.4.1和11.4.2查得場(chǎng)地系數(shù)Fa和Fv。在CAESARⅡ軟件的頻譜分析模塊輸入相關(guān)的地震頻譜參數(shù)，軟件計(jì)算后會(huì)生成頻譜分析結(jié)果圖。XX管道所在的地震區(qū)域頻譜參數(shù)如表5所示，頻譜分析結(jié)果如圖3所示，工況組合情況如表6所示^[18-22]。

 

 

 

3．3　位移及應(yīng)力分析結(jié)果

CAESARⅡ軟件可輸出管道的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析報(bào)告，包括管道的應(yīng)力、位移、約束加載等詳細(xì)情況。由于起點(diǎn)至西側(cè)導(dǎo)向、終點(diǎn)至東側(cè)導(dǎo)向段管道是為了減少模型以外管道對(duì)分析結(jié)果的影響，則在對(duì)XX地震帶管道進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)應(yīng)忽略這兩段管道，即分析對(duì)象為35～750m的管段。

表7為管道最大位移、應(yīng)力的匯總，由表7可以得知兒種動(dòng)態(tài)工況下的偶然應(yīng)力均沒有超過管材規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度555MPa(溫度系數(shù)為l，即校核值為最小屈服強(qiáng)度)，符合強(qiáng)度要求。根據(jù)GB 50251規(guī)范計(jì)算得出本例中管道允許的最大橫向位移量為36.57mm，而管道最大橫向位移量為l9.68mm，小于36.57mm，符合位移要求。

 

圖4～6為地震作用下管道軸向、橫向及縱向位移沿管長(zhǎng)的分布情況，圖7為靜態(tài)及地震作用下應(yīng)力沿管長(zhǎng)的分布情況，由圖4～7可以得出以下結(jié)論：

 

 

 

 

1)軸向、橫向、縱向及綜合地震作用對(duì)管道的橫向位移影響最大，且最大橫向位移明顯高于最大軸向及縱向位移，說明輸氣管道在穿越地震帶時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)管道的橫向位移量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2)各方向地震作用下的管道最大軸向位移均產(chǎn)生在東側(cè)導(dǎo)向處(彎管8)，可在東側(cè)采取“階梯式”敷設(shè)的方式以減少軸向位移。

3)地震作用下最大縱向位移和橫向位移均產(chǎn)生在坡頂(彎管6)，設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)對(duì)坡頂?shù)奈灰屏窟M(jìn)行校核，由于地震載荷是通過土壤作用于管道，可通過降低土壤壓實(shí)度的方式減少地震發(fā)生時(shí)管道的破壞。

4)地震作用下管道應(yīng)力分布趨勢(shì)與靜態(tài)作用下的管道保持一致，且地震作用下的管道應(yīng)力比率值略高，最大應(yīng)力均產(chǎn)生在西側(cè)坡腰彎管處(彎管3)，故彎管3為XX輸氣管道的應(yīng)力危險(xiǎn)截面。

5)綜合地震作用所產(chǎn)生的管道位移、應(yīng)力較任一單方向地震作用高，說明綜合地震載荷對(duì)管道的破壞最大。

4　結(jié)束語

根據(jù)分析結(jié)果建議：地震帶管道設(shè)計(jì)過程中，可通過極限設(shè)計(jì)的方法以提高管道的抗震能力，且應(yīng)重點(diǎn)對(duì)管道的橫向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且可通過改變管道敷設(shè)線路或減小土壤壓實(shí)度的方法以控制管道位移。通過應(yīng)力分析可清晰定位管道最大應(yīng)力和位移的位置，并可確定最大應(yīng)力值和最大位移量，實(shí)際工程中可根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的措施。

對(duì)地震帶輸氣管道進(jìn)行應(yīng)力分析，提出了基于頻譜分析的地震帶輸氣管道應(yīng)力分析的方法及工況加載方式對(duì)管道設(shè)計(jì)階段的應(yīng)力分析具有一定的借鑒意義，一定程度上填補(bǔ)了同內(nèi)地震管道應(yīng)力分析技術(shù)的空缺。

 

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本文作者：吳曉南  盧泓方  黃坤  湯曉勇  吳世娟  諶貴宇  傅賀平

作者單位：西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

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