断层内含体积型缺陷的埋地管道错动反应分析

李鸿鹏 刘 武 丰晓红 张洪奇 许春林

1.中国石油西气东输管道公司， 江苏 泰兴 225419；2.西南石油大学石油与天然气工程学院， 四川 成都 610500；3.山东省天然气管道有限责任公司， 山东 济南 250001;4.中国石油天然气管道公司， 江苏 扬州 225261



断层内含体积型缺陷的埋地管道错动反应分析

李鸿鹏1刘 武2丰晓红3张洪奇4许春林1

1.中国石油西气东输管道公司， 江苏 泰兴 225419；2.西南石油大学石油与天然气工程学院， 四川 成都 610500；3.山东省天然气管道有限责任公司， 山东 济南 250001;4.中国石油天然气管道公司， 江苏 扬州 225261

体积型缺陷;埋地管道;断层错动;抗震安全性

0 前言

近年来，我国地震频发，对穿越活动断层段的埋地管道造成了极大影响。埋地管道的运行压力一般较高，一旦发生泄漏可能导致火灾甚至爆炸，对整个管道输送系统和周边环境带来巨大的危害[1]。目前规范中采用了理论解析法计算埋地管道在断层错动下的应力应变反应，O’Rourke M等人[2]采用数值模型对跨断层管道的反应进行了分析，并将所得数值结果与已有理论解析结果进行对比，结果表明：管道受拉应力时Kennedy方法较为合理，但在逆断层作用下管道受压缩作用时则必须采用数值分析法进行分析。薛景宏等人[3]提出了弹簧-管道-土体模型，用实体单元对断层面两侧的土体进行离散，管道大变形段之外的管土作用利用土弹簧单元进行模拟，利用该模型，算例的计算结果与目前规范中采用的经典解析法的计算结果相差较大，证实了目前规范中采用的经典解析法相对于有限元方法的局限性。马业华等人[4]在研究含体积型缺陷管道的安全评定技术过程中，利用ANSYS软件，结合VS 2005、Access及ANSYS中的APDL语言开发了一套含缺陷管道安全评定系统，该系统可实现对含缺陷管道数据库的管理，完成各种形状下缺陷的参数化建模、计算机安全评定工作，可用于在役管线的安全性评估工作，为含缺陷管道的安全评定研究工作提供了有力的工具。舒安庆等人[5]利用数值分析研究了腐蚀缺陷的宽度、长度及深度对压力管道极限载荷的影响，并将有限元计算结果与ASME B 31 G《腐蚀管道剩余强度评价手册》[6]计算结果以及全尺寸爆破试验数据进行对比分析，验证了有限元方法对含缺陷管道计算分析的有效性。

利用有限元方法可以对含缺陷管道在断层错动下的反应实现更精确的模拟计算，但在实际应用中不可能对每一段管道都进行有限元建模计算，建模和计算过程将耗费大量的时间和物力，也非常不经济。为此，高田次郎、Nemat Hassani和Katsumi Fukuda在有限元计算的基础上，提出了可用于工程设计的简化计算公式，刘爱文在高田次郎分析模型不足之处的基础上，结合跨断层埋地管道影响参数研究，给出了新的跨断层埋地管道地震反应计算公式[7-10]。

国内外针对跨断层埋地管道地震反应的研究，主要是针对无缺陷管道，而对于断层内带有缺陷的埋地管道在地震作用下反应的研究相对较少，本文利用有限元方法，分析断层内含有体积型缺陷的埋地管道在错动下的反应，研究不同的缺陷参数对管道应力应变反应的影响，结合ASME B 31 G《腐蚀管道剩余强度评价手册》评价方法和抗震设计规范，对断层错动下含缺陷管道的安全性进行评估。

1 含缺陷管道在断层错动下的反应

管道缺陷类型以体积型缺陷最为常见，见表1。

表1 管道缺陷类型及表现形式

管道体积型缺陷见图1。体积型缺陷的存在直接导致管壁减薄和管道承压能力下降，甚至导致管道发生塑性变形硬化。考虑到油气管线的重要地位和发生事故的危害性及事故后维修维护费用，对在地震作用下含缺陷埋地管道进行安全评定十分必要。

图1 管道体积型缺陷示意图

根据某管线相关参数建立有限元实体模型：管线材质为X 70钢，管径762 mm，壁厚15 mm，管材密度7 850 kg/m3，管道埋深1.5 m，管道内压6 MPa，断层类型为正断层，对于管道的作用主要是拉伸破坏，断层交角为45°，错动量为0.3～1.5 m，管道周围为砂黏土，土体密度1 900 kg/m3，内摩擦角20°。

选用Solide 45单元对管道本体进行离散,Combin 39土弹簧单元对管道-埋地土之间的相互作用进行模拟[11]；考虑到埋地管道在断层作用下的大变形段一般为30～70倍管径[12-15]，故有限元模型中管道和断层的长度选定为100 m。在腐蚀缺陷处将网格适度加密，缺陷附近处管道的网格划分见图2。

图2 管道缺陷处的网格划分

图3 不同断层错动量下管道的纵向位移

由图3可以看出，埋地管道的纵向位移随着断层错动量的增加而增大，管道大变形段集中在断层面两侧较小范围内。图4和图5分别展示了有无缺陷管道在断层错动量0.3 m时的应力应变云图，管道应力集中现象主要出现在管道大变形段的顶部和底部位置，由于缺陷的存在，管道在断层错动下的应力应变集中区域明显增大，应力应变峰值增长较大。

图6和图7分别为有无缺陷管道的顶部应力和底部应变分布图，可以看出，管道的大变形区域集中在断层两侧13～20倍管径长度范围内。在大变形区域内，有无缺陷管道的应力应变分布规律基本相同，但数值差异较大，算例中含缺陷管道的最大应力约为无缺陷管道的1.79倍，最大应变约为无缺陷管道的1.5倍，缺陷的存在对管道在断层错动反应产生的影响不可忽略。

a)无缺陷管道

b)含缺陷管道图4 有无缺陷管道在断层错动下的应力云图

a)无缺陷管道

b)含缺陷管道图5 有无缺陷管道在断层错动下的应变云图

图6 有无缺陷管道的顶部应力分布

图7 有无缺陷管道的底部应变分布

2 缺陷参数对埋地管道错动反应的影响

2.1 缺陷深度对管道错动反应的影响

a)30 壁厚的腐蚀深度

b)60 壁厚的腐蚀深度图8 不同腐蚀深度的缺陷示意图

a)30 缺陷深度

b)60 缺陷深度

2.2 缺陷面积对管道错动反应的影响

由图11不同缺陷面积下管道的应力应变分布曲线可知，相较于无缺陷管道，含缺陷管道在相同位置上的应力值约为无缺陷管道应力值的1.25～1.37倍。在同一缺陷深度下，缺陷面积越大，管道的最大应力值越大，管道的最大应变则随着缺陷面积的增大而减小。缺陷的存在对管道轴向产生的影响较大，在距离管道缺陷中心20倍管径长度以外的管段已基本不受缺陷的影响。由计算结果可以看出，缺陷面积对于管道应力应变的影响较小，当管道的最大应力小于管道的圆周断裂应力时，在一定范围内，同等条件下含较大缺陷面积管道的最大应变值反而较小，对管道错动反应的影响越小。

a)不同缺陷深度下管道应力曲线

b)不同缺陷深度下管道应变曲线

a)不同缺陷面积下管道应力分布曲线

b)不同缺陷面积下管道应变分布曲线

2.3 缺陷位置对管道错动反应的影响

当缺陷位于管道中心时，管道的应力峰值出现在断层面两侧约6.6倍管径长度位置，且数值相对较小；当缺陷位于管道的大变形段时，在断层错动作用下，管道的应力应变峰值点出现在缺陷位置，且管道的最大应力值相对于缺陷位于管道中心时增大了约1.3倍。同等条件下，缺陷位于管道底部时，对管道错动反应的影响最大，缺陷位于管道侧面时对管道错动反应的影响最小。不同缺陷位置的管道在断层错动下的应力应变分布曲线见图13。

a)管顶

b)管侧

a)不同缺陷位置下管道应力分布

b)不同缺陷位置下管道应变分布曲线

3 断层内含缺陷管道的安全性分析

在正断层错动作用下，埋地管道主要受拉伸作用。本文根据模型计算结果与ASME B 31 G《腐蚀管道剩余强度评价手册》中的管道圆周断裂应力进行对比，结合简化计算公式计算结果，对断层错动作用下埋地管道的安全性进行评价。GB 50470-2008《油气输送管道线路工程抗震技术规范》[12]中针对组焊管道材料的容许拉伸

应变的规定见表2；针对不同缺陷参数下管道的安全性评价数据见表3～4。

表2 管道材料容许的拉伸应变

表3 不同缺陷深度管道最大应力应变

表4 含缺陷管道不同埋地土质下的最大应力应变

4 结论

1)基于Solid 45和Combin 39单元建立了断层内含体积型缺陷的埋地管道错动反应模型。管道的纵向位移随断层量的增大而增大，管道的大变形段集中在断层面两侧约40倍管径长度范围内。

3)在管道轴向方向上，缺陷位于管道大变形段内时对管道的错动反应影响最大；在管道环向方向，缺陷位于管道底部对管道的影响高于缺陷位于管顶和管侧。

4)基于具体管段的数值模拟、ASME B 31 G《腐蚀管道剩余强度评价手册》中的圆周断裂应力和现行的抗震规范，建立了断层内含体积型缺陷的埋地管道在断层错动下的安全性评判准则。针对具体管道在断层错动下的安全性进行了分析评判。

[1] 帅 健.管线力学[M].北京:科学出版社,2010. Shuai Jian. Pipeline Mechanics[M]. Bejing: Science Press, 2010.

[2] O’Rourke M, Liu X J. Response of Buried Pipelines Subject to Earthquake Effects[J]. Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research of Buffalo University, 1999, 4 (13): 8-13.

[3] 薛景宏,张 超,吕培培.跨断层埋地管道抗震分析[J].压力容器,2009,26(9):26-30. Xue Jinghong, Zhang Chao, Lv Peipei. Earthquake Resistance Analysis for Buried Pipelines across Fault[J]. Pressure Vessel, 2009, 26 (9): 26-30.

[4] 马业华,何东升,陈星明,等.基于VC、ANSYS和Access的含缺陷管道安全评定系统[J].管道技术与设备,2010,18(1):21-24. Ma Yehua, He Dongsheng, Chen Xingming, et al. Safety Assessment System for Pipelines with Defects Based on VC,ANSYS and Access[J]. Pipeline Technology and Equipment, 2010, 18 (1): 21-24.

[5] 舒安庆,王韦华,魏化中.带体积型缺陷压力管道极限载荷的有限元分析[J].化工设备与管道,2008,45(1):55-57. Shu Anqing, Wang Weihua, Wei Huazhong. Finite Element Analysis on Limite Load in Pressure Piping with Volumetic Defect[J]. Chemical Equipment and Pipeline, 2008, 45 (1): 55-57.

[6] 美国机械工程师协会.腐蚀管道剩余强度评价手册：ASME B31G-2009[S].纽约：美国机械工程师协会，2009：3-6. American Society of Mechanical Enginees. Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipeline: ASME B31G-2009 [S]. New York: American Society of Mechanical Enginees, 2009: 3-6.

[7] Takada S, Hassani N, Fukuda K. A New Proposal for Simplied Design of Buried Steel Pipes Crossing Active Faults[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 2001, 30: 1243-1257.

[8] 刘爱文.基于壳模型的埋地管线抗震分析[D].北京：中国地震局地球物理研究所,2002. Liu Aiwen. Analysis on Earthquake Resistance of Buried Pipeline Based on Shell Model[D]. Beijing： China Seismological Bureau Geophysics Institute, 2002.

[9] Takada S, Liang J W, Li T Y. Shell Model Response of Buried Pipelines to Large Fault Movements[J]. Journal of Structural Engineering, JSCE, 1998, 44a (11): 1637-1646.

[10] 丰晓红.跨断层埋地输气管道断层错动反应分析方法研究[D].成都：西南石油大学,2012. Feng Xiaohong. Study on Analysis Method for Rupture Response of Buried Pipeline across Fault[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University, 2012.

[11] 国家发展和改革委员会.输油(气)钢质管道抗震设计规范：SY/T 0450-2004[S].北京：国家发展和改革委员会，2004：10-19. National Development and Reform Commission. Code for Seismic Design of Oil and Gas Steel Pipeline: SY/T 0450-2004 [S]. Beijing: National Development and Reform Commission, 2004: 10-19.

[12] 中华人民共和国住房和城乡建设部.油气输送管道线路工程抗震技术规范：GB 50470-2008[S].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2009：16-30. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China. Seismic Technical Code for Oil and Gas Transmission Pipeline Engineering: GB 50470-2008 [S]. Beijing: Ministry of Housing and Urban-Rural Construction, 2009: 16-30.

[13] Eduardo K. Early History of Soil Structure Interaction[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2010, 30 (9): 822-832.

[14] 贺星新,李爱群,李建慧,等.土-桩-结构相互作用对独塔自锚式悬索桥地震响应的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2014,44(1):150-154. He Xingxin, Li Aiqun, Li Jianhui, et al. Influence of soil-pile-structure interaction on seismic response on self-anchored suspension bridge with single-tower [J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2014, 44 (1): 150-154.

[15] 金 浏,李鸿晶,姚保华.埋地管线-土体相互作用分析计算区域的选取[J].南京工业大学学报(自然科学版),2009,31(3):37-41. Jin Liu, Li Hongjing, Yao Baohua. Determination of Interaction Area in Pipeline-Soil System under Ground Permanent Deformation [J]. Journal of Nanjing University of Technology (Natural Science Edition), 2009, 31 (3): 37-41.

[16] 吴晓丹.含腐蚀缺陷输油管道的抗震安全性研究[D].大庆：东北石油大学，2012. Wu Xiaodan. Seismic Security Study on Corroded Oil Pipeline[D]. Daqing: Northeast Petroleum University, 2012.

2015-04-20

四川省应用基础研究项目(2013 JY 0098)

李鸿鹏(1988-),男，江苏徐州人，助理工程师，硕士，主要从事长输天然气管道运行与安全技术研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.001