大口徑天然氣管線穿越斷層的管溝設(shè)計(jì)研究

摘 要

摘要：為了保證埋地管線的抗震安全性，需要建立跨越斷層埋地管線的力學(xué)分析模型、研究影響管道應(yīng)變的因素并提出相應(yīng)的抗震措施。目前，在埋地天然氣管線抗震安全性研究方面，對(duì)管道
摘要：為了保證埋地管線的抗震安全性，需要建立跨越斷層埋地管線的力學(xué)分析模型、研究影響管道應(yīng)變的因素并提出相應(yīng)的抗震措施。目前，在埋地天然氣管線抗震安全性研究方面，對(duì)管道應(yīng)變影響最直接、最經(jīng)濟(jì)有效的管溝形狀和尺寸這兩個(gè)因素還沒(méi)有予以研究。為此，應(yīng)用有限元方法，首次建立了管溝尺寸及形狀、管道埋深和回填土性質(zhì)等因素對(duì)穿越斷層埋地管線應(yīng)變的影響分析模型，獲得了不同管溝參數(shù)和回填土力學(xué)性質(zhì)時(shí)的土彈簧參數(shù)，并應(yīng)用ABAQUS軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，定量分析了管溝參數(shù)對(duì)管線應(yīng)變的影響，最后根據(jù)基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提出了合理的管溝尺寸及形狀，優(yōu)化了穿越斷層埋地管線的管溝設(shè)計(jì)，使管道應(yīng)變降低了27.27%，有效提高了埋地管線的抗震安全性。
關(guān)鍵詞：大口徑；天然氣管線；斷層錯(cuò)動(dòng)；埋地管線；管溝尺寸；管溝形狀；優(yōu)化；設(shè)計(jì)
    我國(guó)是世界上地震損失最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。建立跨越斷層埋地管線的力學(xué)分析模型，研究管線的影響因素，尋找管線的薄弱環(huán)節(jié)并提出抗震措施，是保證埋地管線抗震安全性的前提和基礎(chǔ)[1]。在對(duì)埋地管線處于斷層錯(cuò)動(dòng)下的抗震研究方面，已提出的措施包括選擇管道穿越活動(dòng)斷層的有利走向、增加管道壁厚、采用寬溝、淺埋、松散回填、光滑外包、套管、地面敷設(shè)等降低管土相互作用的措施[1～5]。但上述研究沒(méi)有討論到對(duì)管道應(yīng)變影響最直接、最經(jīng)濟(jì)有效的管溝形狀和尺寸這兩個(gè)因素。為此，討論了管溝尺寸及形狀對(duì)管道應(yīng)變的影響，建立了新的分析模型，獲得了不同管溝參數(shù)和回填土力學(xué)性質(zhì)時(shí)的土彈簧參數(shù)，定量分析了管溝尺寸及形狀、管道埋深和回填土性質(zhì)等因素對(duì)穿越斷層埋地管線應(yīng)變的影響，根據(jù)基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提出了合理的管溝尺寸及形狀。
1 考慮管溝敷設(shè)參數(shù)的土彈簧剛度確定
    斷層發(fā)生滑動(dòng)位移時(shí)，穿越斷層的埋地管線應(yīng)變的計(jì)算一般采用有限元方法，此時(shí)管土之間的相互作用可用若干個(gè)土彈簧來(lái)模擬。斷層位移以位移邊界條件的方式輸入給每一土彈簧與土壤相連的節(jié)點(diǎn)。
    目前，三向土彈簧的剛度及極限載荷一般根據(jù)ASCE油氣管道抗震設(shè)計(jì)指南[6]選取。由于ASCE指南中的土彈簧模型是基于管道外無(wú)限大范圍內(nèi)的土壤特性相同的前提建立的，不能反映管溝回填土特性與管溝外原土不同時(shí)的情況，因而也不能反映管溝尺寸與形狀對(duì)管道應(yīng)變的影響。本研究采用土彈簧模型模擬管土相互作用，軸向土彈簧剛度仍由ASCE指南確定，但水平橫向和垂直正方向土彈簧的特性通過(guò)實(shí)際管溝截面內(nèi)的平面應(yīng)變有限元分析獲得。如圖1所示，在管道外表面1點(diǎn)施加單位管長(zhǎng)集中力，采用有限元的方法可得到極限載荷及極限載荷作用下3點(diǎn)的變形量，極限載荷與3點(diǎn)變形量的比值即為垂直負(fù)方向土彈簧剛度。同理可求得水平橫向土彈簧剛度、垂直正方向土彈簧剛度。剛度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。
 
據(jù)此方法建立的土彈簧特性考慮到了管溝的幾何形狀、幾何尺寸及回填土壤的特性等因素影響。
2 穿越活動(dòng)斷層埋地管道應(yīng)變影響因素分析
2.1 有限元模型
    管道應(yīng)變有限元計(jì)算中，管道一般用梁、管和殼單元離散，其中采用管單元計(jì)算時(shí)間短且計(jì)算精度能滿足工程需要。由于直管單元沒(méi)有考慮管道的橢圓化變形，且在斷層位移作用下管土之間存在較大相對(duì)位移的范圍為斷層兩側(cè)10～30m[7]，因此可將離斷層較遠(yuǎn)(左右各1000m處)的管道采用管單元離散，管道單元的長(zhǎng)度取1m；在斷層附近(左右各100m)采用彎管單元，管道單元的長(zhǎng)度取0.1m。
2.2 算例分析
    為了定量分析各因素對(duì)穿越活動(dòng)斷層埋地管道應(yīng)變的影響，以西氣東輸二線的某一穿越活動(dòng)斷層的管道工程實(shí)例進(jìn)行定量分析。
2.2.1算例1
    某一埋地管道以62。的交角穿越一逆走滑斷層。計(jì)算分析中，選取如下管土參數(shù)：管材為X80鋼管，彈性模量為2.06×105MPa，設(shè)計(jì)壓力為12MPa，管截面平均直徑為1219mm，管壁厚度為22mm，管道埋深為2.5m。管溝底寬為1.8m，管溝坡度為10:1。管溝土采用砂土，其密度為18kN/m3，內(nèi)摩擦角為35°，彈性模量為30MPa。管土間的摩擦系數(shù)為0.38。周圍土21.8m×13.3m，彈性模量1000MPa。以所給的這些參數(shù)為基礎(chǔ)，分別對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并找到這些相關(guān)參數(shù)對(duì)管道應(yīng)變的影響。
穿越該斷層的管道主要受軸向拉伸應(yīng)力作用，因而可在只控制管道軸向最大拉伸應(yīng)變情況下分析各參數(shù)對(duì)管道應(yīng)變的影響。管道軸向坐標(biāo)建立在管道穿越斷層處。在斷層作用下管道的應(yīng)變分布見(jiàn)圖3，從圖上可以看到管道最大應(yīng)變出現(xiàn)在斷層兩側(cè)30m范圍內(nèi)。
 
2.2.1.1 埋深
    由于受凍土線的限制，管道埋深不宜淺于1.8m。改變管道埋深，計(jì)算得到的管道軸向最大拉伸應(yīng)變值如圖4所示。計(jì)算結(jié)果表明：隨著管道埋深的增加，管道受到的最大拉伸應(yīng)變有所增加。
 
2.2.1.2 管溝底部寬度
    依據(jù)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，深度在5m以內(nèi)時(shí)，溝底寬度應(yīng)按下式確定：B=D+K，其中B為溝底寬度，m；D為管子外徑，m，該算例取1.219m；K為溝底加寬裕量，m，一般不少于0.5m。所以該算例中管溝底部寬度B≥1.719m(1.219m+0.5m)，因此管溝底部寬度的最小值取1.8m。改變管溝底部寬度，計(jì)算得到的管道軸向最大拉伸應(yīng)變值如圖5所示。結(jié)果表明：隨著管溝底部寬度的增大，管道所受的軸向最大拉伸應(yīng)變減小，而且在從1.8m增加到1.9m時(shí)發(fā)生突變。由此可見(jiàn)管溝底部寬度取1.9m時(shí)比較經(jīng)濟(jì)，再寬挖的意義不大。
2.2.1.3 管溝坡度
    改變管溝坡度，計(jì)算得到的管道軸向最大拉伸應(yīng)變值如圖6所示。計(jì)算結(jié)果表明：隨著管溝坡度的增大，管道所受的軸向拉伸應(yīng)變分別以5.30%和7.01%的速率增大。
 
2.2.1.4 土壤的彈性模量
    改變管溝內(nèi)土壤的彈性模量，計(jì)算得到的管道軸向最大拉伸應(yīng)變值，如圖7所示。計(jì)算結(jié)果表明：隨著管溝內(nèi)土壤的彈性模量的減小，管道所受的軸向拉伸應(yīng)變分別以11.05%、14.06%和7.82%的速率減小。據(jù)此可得到在軟土環(huán)境中管道可以抵抗更大的斷層位移，而在硬土環(huán)境中管道的拉伸應(yīng)變比較大的結(jié)論。
 
2.2.2管溝設(shè)計(jì)優(yōu)化
    由2.2.1.2分析可知，該埋地管道的溝寬取1.9m比較經(jīng)濟(jì)。此時(shí)埋地管道的埋深取1.8m，管溝坡度取1:1，管溝內(nèi)采用彈性模量為1×105Pa的土壤回填。在上述條件下重新計(jì)算管道的應(yīng)變(見(jiàn)圖8)，和圖5比較可知，管道最大拉伸應(yīng)變由0.33%降低到0.24%，降低了27.27%。
3 結(jié)論
    1) 通過(guò)定量分析管溝參數(shù)對(duì)管道應(yīng)變的影響，在基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下提出了合理的管溝尺寸及形狀。
    2) 優(yōu)化各個(gè)影響參數(shù)后，管道應(yīng)變降低了27.27%，其中松軟回填是最簡(jiǎn)單且最有效的措施。
    3) 在斷層位移作用下，回填土約束、管溝寬度、邊坡坡度和埋深通過(guò)管土相互作用影響管道的應(yīng)變。應(yīng)根據(jù)不同斷層類型適當(dāng)?shù)剡x擇軟土或者松軟回填、寬挖管溝和降低埋深，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及管溝開(kāi)挖的可操作性選擇合適的管溝坡度。
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(本文作者：顧曉婷1 張宏1 王國(guó)麗2 趙樂(lè)晉2 1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)；2.中國(guó)石油規(guī)劃總院)