埋地天然气管道地震反应数值模拟分析

杜国锋，宋 鑫 （长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

埋地天然气管道地震反应数值模拟分析

杜国锋，宋 鑫 （长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

油气管道是国家工业生产、人民生活的重要能源设施，一旦遭遇地震破坏将造成重大危害与损失，如何提高油气管道的抗震能力尤为重要。利用大型通用有限元软件ANSYS10.0模拟分析天然气管道在仅有内压情况下的地震动力反应。结果表明：不同埋土条件对管道地震反应影响很大，管道内压、管径等对其影响较小。研究成果为埋地天然气管道的抗震研究提供依据。

天然气管道；地震作用；数值分析

自从1986年我国第一条跨地区输气管道 “中－沧”（河南濮阳至河北沧川）管道建成投产以来，我国先后投资建设了 “陕－京”一线、“陕－京”二线、“西气东输”一线、“西气东输”二线、“川气东输”、“忠－武”（重庆忠县至武汉）管道、“陕－京”三线 （陕西榆林至北京昌平区西沙屯末站）、“冀－宁”（河北安平至江苏青山）管道等一大批跨地区输气管道。截止2008年底，我国已建油气管道的总长度约为6.4×104km，其中天然气管道3.2×104km［1］。“十二五”期间，我国将重点进行中－哈原油二期、中－亚天然气、中－俄天然气、中－缅油气 “四大油气资源战略通道”、联络线及配套支线建设。预计全国将新建油气管道约5×104km；到2015年，全国油气管道的总里程将达到约12×104km［2］。我国是一个地震频发的国家，地震中许多燃气管道发生了不同程度的破坏，严重影响了人们的生产和生活，并引起了严重次生灾害［3］。因此，研究和提高天然气管道的抗震性能是人们一直关注的问题。未来油气管道将朝着大口径、高压力等趋势发展，对管道抗震性能研究提出了更高的要求。为此，笔者利用大型通用有限元软件ANSYS10.0建立了埋地天然气管道的土弹簧分析模型，考虑了管道的管径、内压、土弹簧刚度等因素对其抗震性能的影响。

1 有限元模型的建立

目前，关于埋地管道的常用理论模型有2种，一种是假设管道埋于无限空间中，土介质为线弹性介质，管道与土之间的相互作用采用半无限空间中土－管道相互作用刚度来考虑，建立土－管联动方程；另一种是采用弹性地基上的连续梁进行分析，土体对管道的作用以分布的弹簧来模拟，土体和管道可以相对运动［4］。该次研究采用第二种理论模型进行分析。

在利用有限元分析方法进行埋地管道研究中，主要有2种分析方法，一种为梁单元法，另一种为壳单元法［5］。无论是梁单元法还是壳单元法，土与管体之间的相互作用是连接在管单元节点上的轴向和横向土弹簧 （包括水平向土弹簧和垂直向土弹簧）来考虑，如图1所示。这些弹簧分别用来模拟管轴方向的土摩擦力，水平方向和垂直方向的土压力。在该次研究中，为了简化计算，忽略了轴向土的摩擦力，只考虑土体竖向和侧向的压力。管和土的相互作用采用COMBIN14弹簧单元模拟。钢管采用梁单元模拟，网格划分如图2所示。

图1 模拟埋地管道－弹簧模型

图2 管道模型网格划分

2 算例及计算结果分析

该次研究的算例采用的管道内直径分别为440、640、840、1040、1440mm，壁厚均20mm，管道长度均9m，弹性模量210GPa，泊松比0.3；管道埋地深度均3m，管道内部施加压力分别0.1、0.2、0.5MPa；场地土剪切波速500m/s，泊松比0.333；边界条件采用固端边界模型，输入一组人工地震波。分析表明，在轴向地震作用下，管道横向的位移响应幅值很小，管道轴向位移响应要远远大于横向位移响应。图3给出了管径为440mm，内压为0.1MPa管道上525和1085节点 （在管道轴向三等分点处，左为525节点，右为1085节点）在轴向地震作用下的轴向和横向位移时程曲线 （两点相同）。

图3 节点525、1085位移时程曲线

图4 不同管径情况下节点525位移时程曲线

2.1 管径对埋地管道轴向动力反应的影响分析

为了考察管道直径对埋地管道轴向动力反应的影响，利用内压强度为0.1MPa，管径分别为440、640、840、1040、1440mm的管道进行模拟分析。图4为不同直径管道在同一地震作用下的位移时程曲线，通过比较各不同管径情况下管道的时程位移曲线发现，当其他因素相同时，各管道的位移时程形态基本相同，说明管径的变化对埋地管道的位移反应影响不大。但是，通过比较其相应的峰值位移发现（如表1所示），随着管径的增大，相应峰值位移减小，减小幅度分别为0.8%，1.8%，2.6%，4%，下降的幅度很小。

表1 不同直径管道在地震荷载作用下的峰值位移

2.2 内压对埋地管道动力反应的影响分析

由于未来天然气管道朝着高压强的趋势发展，为了研究气体压强对埋地管道地震动力反应的影响，利用直径440mm管道建立了内气压强度分别为0.1、0.2、0.5MPa的有限元模型。图5和图6为节点525在不同管内气压强度时同一地震作用下X方向和Y方向上的位移时程曲线。通过对比发现，当其他条件均相同时，仅改变管道内气压的强度时，相关节点同一方向上位移时程曲线形态基本相同，峰值位移变化随着气压强度的增加稍有增大，Y方向峰值位移增大的幅度比X方向峰值位移增大的幅度要大；但同一节点X方向与Y轴方向的时间－位移明显有差别，X方向最大位移明显要大于Y方向，说明管道内压强度的变化对管道地震动力反应有一定影响，但影响不大。

图5 节点525的X方向位移时程曲线

图6 节点525的Y方向位移时程曲线

2.3 土弹簧刚度对埋地管道动力反应的影响分析

埋地天然气管道在长距离运输过程中会穿越不同的泥土介质，在不同的泥土介质中地震动力响应必然会有一定差异，笔者用土弹簧单元模拟泥土。为简化不同泥土介质的影响，此处仅考虑土弹簧刚度的变化，土弹簧刚度分别为5、15、50MPa，利用直径为440mm，内压为0.1MPa的管道建立有限元模型，沿X方向输入地震波。图7为节点525在不同土弹簧刚度时同一地震作用下X方向的位移时程曲线。通过对比发现，当其他条件均相同，仅改变支撑管道的土弹簧刚度时，随着土弹簧刚度的增大，质点振动的形式大致相同，但是质点振动的平衡位置逐渐向X轴平移靠拢，且质点振动的幅度明显减小。

2.4 跨越不同土介质时埋地管道的地震动力反应分析

在实际工程中，埋地管道可能跨越不同的泥土介质，为研究在不同的泥土介质附近埋地管道的地震动力响应，利用直径440mm，内压0.1MPa管道建立有限元模型，沿X轴方向输入地震波，模拟了埋地管道穿越2种不同泥土介质的情况，不同的泥土介质分别用不同刚度的土弹簧来模拟，2种不同泥土介质界限在管道中点处。2种土弹簧的刚度比值分别为1 （5MPa/5MPa），3 （15MPa/5MPa），6（30MPa/5MPa）。通过对比节点525在不同刚度比时的位移时程曲线发现，随着土弹簧刚度比值的增大，质点振动的平衡位置逐渐向X轴平移靠拢，质点振动的形态相近，幅度有所减小。525节点和1085节点的位移差异不大，原因在于管道刚度较大，且管道长度较短，外界约束对其影响不大。

图7 考虑土弹簧刚度影响的节点525 X方向位移时程曲线

图8 考虑2种介质差异影响的节点525 X方向位移时程曲线

3 结 语

采用有限元软件对地震作用下埋地天然气管道进行了轴向和横向激励的动力反应模拟，分析了不同影响因素对埋地天然气管道的影响。结果表明，不同管径的管道在地震作用下位移响应形态基本相同，但位移峰值随管径的增加呈现减小的趋势；管内气压对管道的位移反应影响较小；土弹簧刚度对埋地管道的地震响应影响较大。

［1］蒲南明.中国油气管道发展现状及展望 ［J］.国际石油经济，2009，17（3）：40～47.

［2］田瑛剌，甄建超，孙春良，等.我国油气管道建设历程及发展趋势 ［J］.石油规划设计，2011，22（4）：4～8.

［3］周伟罾，张中秀，孔令令.城市燃气管网的震害分析及减灾对策 ［J］.土木建筑与环境工程，2009.31（4）：70～74.

［4］张陵，郭惠勇，孙清，等.长输管道抗震研究的进展与趋向 ［J］.西安交通大学学报，2001，35（2）：203～209.

［5］赵林，冯启民.埋地管线有限元建模方法研究 ［J］.地震工程与工程振动，2001，21（2）：53～57.

Numerical Simulation on Earthquake Reflection of Buried Gas Pipeline

DU Guo－feng，SONG Xin（Authors'Address：College of Urban Construction，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）

Natural gas pipeline was an important energy facility concerning China's industrial production and people's life，if it was damaged by earthquake，it would induce serious hazards and losses，therefore it was very important to improve the anti－earthquake ability.A powerful finite element software ANSYS was used to simulate its dynamic earthquake reaction under the condition of internal pressure.The result shows that different burial conditions have different earthquake reactions on the pipeline，its internal pressure and diameter has less influence on it.It provides basis for studying the anti－earthquake of the buried gas pipeline.

gas pipeline；earthquake reaction；numerical analysis

TE973

A

1000－9752（2012）03－0157－04

2011－12－20

中国石油科技中青年创新基金项目 （2001D－5006－0605）；中国博士后科学基金项目 （20110491155）。

杜国锋 （1975－），男，1998年江汉石油学院毕业，博士，副教授，现主要从事油气田工程防灾减灾等研究工作。

［编辑］ 苏开科