海底管道及膨胀弯和立管系统在地震危险区的动态非线性时程分析

王乐芹， 李 庆， 夏日长， 周子鹏

(海油工程设计公司， 天津 300452)

海底管道及膨胀弯和立管系统在地震危险区的动态非线性时程分析

王乐芹， 李 庆， 夏日长， 周子鹏

(海油工程设计公司， 天津 300452)

位于地震危险区的海底管道及立管系统，在地震作用下会受到由于地震波传播引起的海床瞬时震动，也需要承受地震作用下由于海床砂土液化、断层运动以及滑坡等产生的海床永久变位。地震灾害产生的诸多不利因素极有可能引起处于地震危险区的海底管道失稳、局部屈曲，并最终导致管道破裂失效。因此，需要对地震危险区内的海底管道系统进行充分的抗震设计与分析。近平台的海底管道、膨胀弯及立管系统由于安全等级要求更高，需要进行非线性动态时程分析，以确保整个结构系统在超常地震等级下(ALE)不会出现整体失稳或者管道断裂等极端破坏。以某地震危险区域的海底管道项目为例，详细介绍海底管道、膨胀弯及立管系统在地震危险区动态非线性时程分析的流程及规范校核准则等，为类似的工程提供参考。

地震危险区；超常地震等级；非线性时程分析；地震波；结构响应

0 引言

由于海底油气资源地理位置的特殊性，很多海底管线都铺设在地震高发区。对于置于海床上尤其是埋设在海床以下的海底管道而言，在地震作用下，会受到由于地震波传播引起的海床瞬时震动，也需要承受地震作用下由于海床砂土液化、断层运动以及滑坡等产生的海床永久变位[1-4]。因此，海管及立管系统需要克服地震工况下地面运动对其强度与稳定性产生的影响。当海底管道跨越断层时，断层运动可能会导致海底管道局部屈曲、断裂并产生较大的悬跨。另一方面，在海底地震过程中，海床路由上的砂性土有可能会发生液化等土壤属性激变，海管设计需要考虑能够承受砂土液化可能产生的不均匀沉降。同时，砂土液化后海管轴向摩擦系数降低，引起海管端部膨胀量增大，需要保证海管端部膨胀弯的设计能够承受这一膨胀量。因此，地震对海底管道的稳定性、悬跨、热膨胀量及海管端部膨胀弯设计等均有影响。

综上所述，地震灾害产生的诸多不利因素极有可能引起处于地震危险区的海底管道失稳、局部屈曲，并最终导致管道破裂失效[5-7]。不仅会导致油气田停产等经济损失，还会造成巨大的海洋环境污染,因此需要对地震危险区内的海底管道系统进行充分的抗震设计与分析，以确保其在各种地震工况下的响应均在规范可接受的极限范围内。立管和膨胀弯系统是连接海底管道与平台配管的关键系统，由于靠近平台，其安全等级比海底管道更高，该文将针对近平台的海底管道、膨胀弯及立管系统在地震作用下的相关分析进行详细的阐述。

1 地震分析方法

对于地震这一动态、极端偶然工况，如果仍然按照常规的取载荷极值的方法进行静态应力校核，将过于保守。对于超常地震工况(1000年一遇或者10 000年一遇)，通常都允许海管及立管结构材料出现一定的屈服，即允许材料进入塑性，但不会引起断裂失效[1-3]，从而造成油气泄露。这就往往需要借助一些高级的非线性有限元分析技术，来模拟海管及立管系统在地震作用下的非线性动态响应，以确保结构不会出现瞬间局部断裂失效或整体失稳。

常用的海管地震分析方法有：

(1) 考虑地震力、地震海床变位极值的静态分析方法；

(2) 考虑地震作用下地面加速度、速度、变位等响应谱的响应谱分析方法；

(3) 考虑地震波传播过程中地面瞬时的加速度、速度、变位等的非线性、动态时程分析法。

第一种分析方法最为保守。第二种为基于频域的分析方法，材料仍然处于弹性阶段，将给出结构在地震谱作用下的最大弹性响应。第三种是基于时域的分析方法，可以考虑材料非线性塑性，能够显式、直观的模拟结构系统在地震波传播过程中的瞬态响应。

2 校核准则

根据ISO 19901-2 规范[1]，地震作用下需要对结构进行两个地震级别地校核，分别是极端地震等级(Extreme Level Earthquake，简称ELE)和超常地震等级(Abnormal Level Earthquake，简称ALE)，两个地震等级的校核要求和校核准则见表1。

表1 地震等级设计要求和准则[4]

基于时域的非线性时程分析方法是超常地震等级情况(ALE)下最精确和直观的分析方法[8-9]。ISO 19901-2 规范要求，最好选择海管安装海域7个或者7个以上典型的地震波分别进行非线性时程分析，若其中的4个或者半数以上的地震波时程分析满足规范校核准则，则认为该结构系统满足超常地震等级下的设计要求。在选择地震波的时候，既要注意其在所在海域的典型性也要满足其发生的随机性，而为了反映地震事件的随机性，至少要选择4个地震波进行非线性时程分析。

在某特定的ALE超常地震等级地震波作用下，结构的响应如果满足如下规范要求之一，则认为结构系统在该地震波下的响应满足抗震设计要求。

(1) ASME B31.4 or ASME B31.8 允许应力准则，在超常地震等级下，等效应力和纵向应力的允许应力系数可以放大至1.0；

(2) DNV-OS-F101-ALS 状态下载荷控制的局部屈曲校核[4]；

(3) DNV-OS-F101-ALS 状态下位移控制的局部屈曲校核[4]。

3 海底管道及膨胀弯和立管系统非线性时程分析有限元模型

图1为典型的海底管道及膨胀弯和立管系统有限元模型，其中包含一段长500 m的直管段、膨胀弯及与井口平台相连的立管。将采用该模型进行海底管道及膨胀弯、立管系统在超常地震等级下(ALE工况)的非线性时程分析。

图1 海底管道及膨胀弯和立管系统有限元模型

超常地震等级下立管及膨胀弯的非线性时程分析与常规的膨胀弯及立管应力有限元分析的不同之处为：

(1) 在地震波作用下，海床震动，地震作用经管土相互作用由海床传播到海管及膨胀弯，须将海床地面位移时程施加在海床上,如图2所示。

图2 海床位移时程

(2) 需要将考虑了地震作用下砂土液化影响的海管端部热膨胀量施加到膨胀弯上，如图3所示。

图3 海管端部膨胀量施加

(3) 井口平台在超常地震等级下的位移将经由立管卡子传递到立管上，因此在模型中各卡子的位置(如图4所示)施加平台位移时程(如图5所示)。

图4 立管卡子位置

图5 立管某卡子支撑处平台位移时程(示例)

(4) 模型中各部分质量要进行准确的定义，包括内部介质、海管外防腐层、混凝土涂层、海生物等均需转换为海管钢壁的等效密度，各个法兰、阀所在的位置均需定义质量点以表述其对整体模型的质量贡献。

(5) 要合理考虑整个水下结构系统的阻尼，具体包括结构阻尼、土壤阻尼和水动力阻尼。

4 算例与结果讨论

某东南亚气田区块位于地震危险区，业主对海管及立管系统设计提出了严格的抗震设计要求，其中之一即需对海底管道及膨胀弯、立管系统在超常地震等级下(ALE工况)的响应进行非线性时程分析，以保证海底管道及膨胀弯、立管结构系统在超常地震等级下不会出现整体失稳状态，满足ISO 19901-2规范对超常地震等级的设计要求。

4.1 设计参数

该项目某平台的立管及膨胀弯布置如图6所示。

图6 某项目近平台的膨胀弯及立管布置图

海管、立管及膨胀弯基本参数见表2,操作参数见表3。

表2 海管、立管及膨胀弯基本参数

表3 海管操作参数

第三方地震与断层风险评估报告给出了海床泥面处1 000年一遇的地震位移时程，导管架专业超常地震(ALE)非线性动态时程分析提供了立管在各个支撑卡子位置处的导管位移时程。经评估，地震砂土液化情况下，海管热端端部膨胀量将达到3.0 m，将该膨胀量作为静态位移施加在膨胀弯上。

4.2 分析结果讨论

根据图6所示近平台的膨胀弯及立管布置图，基于Abaqus软件建立了海管、立管及膨胀弯的有限元分析模型。该模型共三个载荷步，第一个载荷步施加系统重力及波流环境产生的浮力，建立膨胀弯与海管和海床的接触，为静态载荷步；第二个载荷步施加操作载荷和侧向环境载荷，包括温度、压力、波流的拖曳力和惯性力，以及海管端部热膨胀量，该载荷步也是静态载荷步；第三个载荷步为地震载荷步，海床泥面位移时程及立管卡子上的导管架位移时程均施加到模型中。

最终分析完成后，某地震波下系统中立管和膨胀弯上的最大应力结果见表4。

表4 立管及膨胀弯应力校核

由表4可以看出，所有应力结果均在ASME B31.8允许应力范围内。因此，无需再进行基于DNV OS F101的载荷控制或者位移控制局部屈曲校核。在该地震波作用下，海管、膨胀弯和立管系统响应满足超常地震工况下(ALE)规范的设计要求。

对七个地震波的非线性动态时程进行分析，海管、膨胀弯和立管系统在各地震波下的响应结果见表5。

表5 ALE地震校核

5 结论

对于特定的油田区块，海管、膨胀弯及立管系统在ALE超常地震工况下的下的非线性动态时程分析的流程为：

(1) 进行地震评估，根据各地震波对该区块的影响，筛选出用于海管结构非线性动态分析的地震波，并给出海床泥面运动(x,y,z三个方向)的时间历程数据，用于海管及立管系统超常地震工况的分析，可以施加在膨胀弯与平管段下部海床，模拟地震工况下的海床运动。

(2) 导管架结构地震非线性动态分析报告给出导管架在不同地震波作用下每个立管卡子处的导管架位移(含x,y,z三个方向)时间历程。用于海管及立管系统超常地震工况的分析，可以施加在立管卡子位置处，模拟地震工况下的导管架位移。

(3) 建立规范校核依据，编制海管及立管系统地震分析设计基础文件。

(4) 建立海管、膨胀弯及立管的有限元分析模型，进行非线性动态时程分析。

(5) 完成分析，并进行规范校核。

如果所有地震波时程分析校核结束，而未达到7个地震波中半数以上满足规范校核的要求，则需重新调整设计参数，重复第(4)步和第(5)步的分析与规范校核流程，直至7个地震波中半数以上满足规范校核为止。

该文介绍的海管、立管及膨胀弯系统的动态非线性时程分析技术可以有效地评估海管、立管及膨胀弯系统在超常地震等级下的系统响应，确保其满足相关抗震设计要求。由于东南亚及我国南海某些油气田区块多处在地震危险区，该项技术可为顺利开发这些区域的油气田提供参考。

[1] Petroleum and Natural Gas Industries Specific Requirement for Offshore Structures-Part 2: Seismic Design Procedures and Criteria:ISO 19901-2-2004[S]. 2004.

[2] Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design:API-RP-2A-WSD[S]. 2007.

[3] ASCE. Guidelines for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline Systems[S]. 1984.

[4] Submarine Pipeline Systems:DNV-OS-F101[S].2013.

[5] Gas Transmission and Distribution Piping Systems:ASME-B-31.8[S]. 2012.

[6] Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries:ASME-B-31.4[S]. 2012.

[7] Seismic Analysis for the Subsea Pipeline System, Proceedings of the ASME 2010 29th International Conference on Ocean[C].Offshore and Arctic Engineering OMAE2010, Shanghai, China,2010.

[8] Analysis Of Buried Steel Pipeline Material Damage Under Seismic Loading Conditions[C].11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI),5th European Conference on Computational Mechanics (ECCM V),6th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD VI),Barcelona, Spain,2014.

[9] DUAN Menglan,WANGYi, YUE Zhiyong et al.Dynamics of risers for earthquake resistant designs[J].Petroleum Science, 2010,7(2): 273-282.

Nonlinear Dynamic Time History Analysis of Submarine Pipeline, Spool and Riser System in Seismic Hazardous Area

WANG Leqin, LI Qing, XIA Richang, ZHOU Zipeng

(COOEC Tianjin 300452, China)

The submarine pipeline and riser system installed in seismic hazardous area is susceptible to the effects of transient ground deformation (TGD) due to seismic wave propagation and permanent ground deformation (PGD) resulting from earthquake induced soil liquefaction, surface faulting and landslides etc, which can induce large inelastic deformations and local buckling in pipe components leading to fracture with consequent content leakage. It is very necessary to ensure that the pipeline system in seismic hazardous area to be designed earthquake resistant. According to ISO 19901-2, non-linear dynamic time history analysis needs to be performed for pipeline, expansion spool and riser system under Abnormal Level Earthquake(ALE) and ensure that structure’s overall integrity is maintained to avoid structural collapse causing loss of life and/or major environmental damage. The methodology, procedures and code check criteria of the non-linear dynamic time history analysis on pipeline, expansion spool and riser system under Abnormal Level Earthquake are presented based on an on-going project in COOEC.

seismic hazardous area； Abnormal Level Earthquake(ALE)； non-linear dynamic time history analysis； structural response

2015-12-02

王乐芹(1978-)，女，工程师

1001-4500(2017)01-0058-08

F416.22

A