中緬輸氣管道瀾滄江段地震工況的應(yīng)力分析

賀　三　張伊恒　梁武東

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川　成都　610500；2.中國石油長慶油田工程技術(shù)管理部，陜西　西安　710021）

?

中緬輸氣管道瀾滄江段地震工況的應(yīng)力分析

賀三1張伊恒1梁武東2

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500；2.中國石油長慶油田工程技術(shù)管理部，陜西西安710021）

摘要中緬天然氣輸氣管道瀾滄江跨越工程位于怒江瀾滄江地震帶，為確保輸氣管道運(yùn)行安全，減少地震威脅和避免次生災(zāi)害的發(fā)生，建立了瀾滄江跨越段及兩側(cè)高陡邊坡整體應(yīng)力分析模型，以分析軟件CAESAR II作為模擬手段，以ASCE 7-10規(guī)范作為地震載荷計算依據(jù)，采取不同地震載荷組合的形式對瀾滄江段輸氣管道進(jìn)行應(yīng)力影響分析。分析結(jié)果表明：橫向地震載荷對管道的應(yīng)力影響最大；跨越段起終點(diǎn)及兩側(cè)管道固定墩為應(yīng)力集中點(diǎn)，其中江頂寺側(cè)固定墩處應(yīng)力值最大；管道所受應(yīng)力處于許用應(yīng)力范圍內(nèi)，滿足國內(nèi)管道設(shè)計規(guī)范要求，但校核應(yīng)力若采用管材許用應(yīng)力的90%則超出了規(guī)范要求，存在運(yùn)營安全風(fēng)險。

關(guān)鍵詞中緬輸氣管道瀾滄江地震帶應(yīng)力CAESAR II軟件

修訂回稿日期：2016－02－13

0　引言

中緬輸氣管道是繼中亞油氣管道、中俄原油管道、海上通道之后，我國第四大能源進(jìn)口通道。中緬輸氣管道西起緬甸的皎漂港，從云南瑞麗進(jìn)入中國，終點(diǎn)到達(dá)廣西貴港，全長2 520 km，緬甸境內(nèi)段長793 km，中國國內(nèi)段1 727 km，年輸氣量達(dá)到120 ×108m3。瀾滄江跨越段輸氣管道位于云南省保山市和大理自治州交界處，跨越南岸連接巖鷹山隧道出口，北岸連接江頂寺隧道入口。由于該段工程跨越較多地貌微單元，高陡邊坡高差大，局部坡度較陡，坡面不完整，且位于怒江瀾滄江地震帶，隨著時間的增加，管道轉(zhuǎn)角點(diǎn)或截面等應(yīng)力集中處易產(chǎn)生失效破壞。因此有必要在地震工況下對該管道段進(jìn)行應(yīng)力分析，確定應(yīng)力集中的位置和大小，為管道的安全運(yùn)營管理提供保障［1］。

1　管道應(yīng)力及校核

載荷是管道產(chǎn)生應(yīng)力的主要原因之一，根據(jù)應(yīng)力基本特征，將應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和操作應(yīng)力。其中一次應(yīng)力具有無自限性，易引起塑性破壞；二次應(yīng)力具有自限性和局部性，易引起疲勞破壞。由于載荷、結(jié)構(gòu)形狀的局部突變而引起局部應(yīng)力集中的最高應(yīng)力值稱為操作應(yīng)力，它是導(dǎo)致脆性斷裂和疲勞破壞的直接原因［2］。

為保證管件的強(qiáng)度安全，通常將許用應(yīng)力［σ］作為衡量構(gòu)件是否滿足強(qiáng)度要求的依據(jù)，關(guān)系式為：

管道由于熱脹冷縮、端點(diǎn)附加位移或受到約束等因素，會產(chǎn)生相應(yīng)的軸力、剪力、彎矩和扭矩，一般應(yīng)力計算后需要進(jìn)行一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和操作應(yīng)力的校核。管道一次應(yīng)力不得超過設(shè)計溫度下管材的許用應(yīng)力；管道二次應(yīng)力不得超過許用應(yīng)力范圍；操作應(yīng)力即σL與σE之和σOPE，應(yīng)滿足：

式中，［σ］為管材的許用應(yīng)力，MPa；F為不同地區(qū)強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)；φ為焊縫系數(shù)；σS為管道材料標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度，MPa；σL為由縱向應(yīng)力與重力、風(fēng)荷載等外載荷在管道中產(chǎn)生的縱向彎曲應(yīng)力之和，MPa；σE為二次應(yīng)力，MPa；σOPE為操作應(yīng)力，MPa。

2　管道模型的建立

采用應(yīng)力分析軟件CAESARII進(jìn)行應(yīng)力分析［3］，CAESAR II對管道應(yīng)力的分類、校核以及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)都與國內(nèi)管道設(shè)計規(guī)范相類似，不同的是管道校核許用應(yīng)力值采用的是管材許用應(yīng)力的90%。選取中緬輸氣管道瀾滄江段管線為研究對象，管道具體參數(shù)見表1。

表1　瀾滄江段輸氣管道參數(shù)表

模型包括巖鷹山側(cè)（南側(cè)）高陡邊坡段管道（A段）、跨越段管道（B段）和江頂寺側(cè)（北側(cè)）高陡邊坡管道（C段）。按照軟件建模的節(jié)點(diǎn)，分析對象包括3個部分：節(jié)點(diǎn)20～320（A段）、節(jié)點(diǎn)320～620（B段）、節(jié)點(diǎn)620～770（C段）。A段管道模型長約190 m，節(jié)點(diǎn)10～20（10 m）為邊界段管道，用以截斷外界管道對模型管道的影響，在節(jié)點(diǎn)10處設(shè)置固定支墩（ANC），高陡邊坡段最大傾斜角度為60°35′，終點(diǎn)（管道出土點(diǎn)）為320節(jié)點(diǎn)；B段管道模型長約340 m，起點(diǎn)為320節(jié)點(diǎn)，終點(diǎn)為620節(jié)點(diǎn)，跨越長度為280 m；C段管道模型長度約150 m，起點(diǎn)（管道出土點(diǎn)）為620節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)770～780（10 m）為邊界段管道，用以截斷外界管道對模型管道的影響，故此段管道實際長度約140 m，在節(jié)點(diǎn)780處設(shè)置固定支墩（ANC），高陡邊坡段最大傾斜角度為74°25′。建立的管道模型如圖1所示，圖中數(shù)字為節(jié)點(diǎn)號。

圖1　天然氣管道模型圖

3　地震工況下的應(yīng)力分析

3.1地震作用計算

靜態(tài)地震載荷值需要通過計算獲得。根據(jù)ASCE 7-10的規(guī)定，水平地震加速度為［4］：

且有：

縱向地震加速度為：

式中，SDS為5%阻尼系統(tǒng)的短周期設(shè)計譜反應(yīng)加速度，m／s2；αmax為GB 50011中規(guī)定的水平地震影響系數(shù)最大值，m／s2；ap為組件放大系數(shù)，管道取2.5；Ip為組件重要系數(shù)，管道取1.5；Rp為組件的響應(yīng)修正系數(shù)，管道取12；z為節(jié)點(diǎn)距離結(jié)構(gòu)基點(diǎn)的高度，m，對于低于基點(diǎn)的組件取值為0；h為結(jié)構(gòu)頂部距基底的平均高度，m。

根據(jù)ASCE 7-10規(guī)定，最終結(jié)果需要在式（3）和式（5）基礎(chǔ)上分別乘以0.67，得出：

該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20 g（g＝9.81 m／s2）。根據(jù)GB50470-2008油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范規(guī)定［5］，大型跨越應(yīng)按50年大于2%概率的地震動參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計［6］。根據(jù)地震評價部門給出的地震參數(shù)，瀾滄江跨越位置50年大于2%概率地震峰值加速度為0.28 g。

根據(jù)GB50011可查得保山的αmax為0.90 g，由公式（3）～（6）可以算出該段管道所受的地震作用，橫向地震加速度為0.29 g，縱向地震加速度為0.1289 g，軸向地震加速度為0.29 g。

3.2管道應(yīng)力分析

該管道最小屈服強(qiáng)度為551 MPa，選擇管道運(yùn)行工況作為分析對象。根據(jù)管道的不同加載條件，將不同加載條件進(jìn)行以下組合，如表2所示。

表2　管道運(yùn)行工況組合表

從表2可知，L1工況加載了自重（W）、溫度（T）和管輸壓力（P），L2、L3、L4分別在L1工況上加載了橫向、縱向和軸向地震載荷。通過對比模擬分析，4種工況對應(yīng)的分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，對比工況L1，在加載縱向或軸向地震載荷后，整段天然氣管道的應(yīng)力分布沒有明顯變化；而在加載橫向地震載荷后，巖鷹山側(cè)固定墩處（節(jié)點(diǎn)320）、跨越段起點(diǎn)管夾處（節(jié)點(diǎn)340）、跨越段終點(diǎn)管夾處（節(jié)點(diǎn)600）以及江頂寺側(cè)固定墩處（節(jié)點(diǎn)620）應(yīng)力變化較大，且在節(jié)點(diǎn)620處的應(yīng)力值達(dá)到496.92 MPa，達(dá)到許用應(yīng)力的90.19%，其原因是：當(dāng)加載地震載荷后，在兩個固定蓋板節(jié)點(diǎn)處，蓋板內(nèi)為土壤，蓋板外架空，由于兩端載荷差異大，易出現(xiàn)應(yīng)力集中；在兩個管夾節(jié)點(diǎn)處，節(jié)點(diǎn)處于彎管附近，且所受約束條件不同，也容易出現(xiàn)應(yīng)力集中；而且管道縱向和軸向的約束很大，管道橫向約束作用較小，則橫向地震載荷對應(yīng)力的影響最大。

從表2可知，L5工況加載了自重（W）和管輸壓力（P），L6、L7、L8分別在L5工況上加載了橫向、縱向和軸向地震偶然載荷。通過對比模擬分析，其4種工況對應(yīng)的分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，對比工況L1，在工況L5（無溫度載荷）情況時，整個管道的應(yīng)力都有明顯的減小；當(dāng)加載縱向或軸向地震偶然載荷后，整段天然氣管道的應(yīng)力分布沒有明顯變化；而加載橫向地震偶然載荷后，巖鷹山側(cè)固定墩處（節(jié)點(diǎn)320）、跨越段起點(diǎn)管夾處（節(jié)點(diǎn)340）、跨越段終點(diǎn)管夾處（節(jié)點(diǎn)600）以及江頂寺側(cè)固定墩處（節(jié)點(diǎn)620）應(yīng)力變化較大，且在節(jié)點(diǎn)620處的應(yīng)力值達(dá)到517.52 MPa，達(dá)到許用應(yīng)力值的93.92%。在無溫度載荷時，其原因與圖2類似。

圖2　L1～L4工況對應(yīng)的應(yīng)力分布圖

圖3　L5～L8工況對應(yīng)的應(yīng)力分布圖

從表2可知，L5工況加載了自重（W）和管輸壓力（P），L9工況是在L5工況上同時加載了橫向、縱向和軸向地震偶然載荷。通過對比模擬分析，其兩種工況對應(yīng)的分析結(jié)果如圖4所示。

圖4　L5與L9工況對應(yīng)的應(yīng)力分布圖

由圖4可知，對比工況L5（無溫度載荷），L9（無溫度載荷）在同時加載橫向、縱向以及軸向偶然地震載荷后，巖鷹山側(cè)固定墩處（節(jié)點(diǎn)320）、跨越段起點(diǎn)管夾處（節(jié)點(diǎn)340）、跨越段終點(diǎn)管夾處（節(jié)點(diǎn)600）以及江頂寺側(cè)固定墩處（節(jié)點(diǎn)620）應(yīng)力變化較大，且在節(jié)點(diǎn)620處的應(yīng)力值為517.76 MPa，達(dá)到許用應(yīng)力的93.97%，與只加載地震橫向載荷時的應(yīng)力分析結(jié)果差異較小。

綜上所述，通過對中緬輸氣管道瀾滄江段在地震作用下不同載荷時的應(yīng)力分析，可知無論有無溫度載荷時，在加載縱向或軸向地震載荷后，整段天然氣管道的應(yīng)力分布沒有明顯變化；而在加載橫向地震載荷后，巖鷹山側(cè)管道出土點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)320）、跨越段起點(diǎn)管夾處（節(jié)點(diǎn)340）、跨越段終點(diǎn)管夾處（節(jié)點(diǎn)600）以及江頂寺側(cè)管道出土點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)620）應(yīng)力變化較大，且都在節(jié)點(diǎn)620處達(dá)到整段管道應(yīng)力的最大值且接近管道的許用應(yīng)力值，說明橫向地震載荷對管道的應(yīng)力影響最大。

4　結(jié)束語

在地震工況下，以應(yīng)力分析軟件CAESAR II作為模擬手段，以ASCE 7-10規(guī)范作為地震載荷計算依據(jù)，采取不同載荷組合的形式對中緬管道瀾滄江段輸氣管道進(jìn)行應(yīng)力分析，通過應(yīng)力分析結(jié)果可以清晰定位管道集中應(yīng)力的分布位置，即跨越段起終點(diǎn)以及兩側(cè)管道出土點(diǎn)；得出橫向地震載荷對管道的應(yīng)力影響最大的結(jié)論；江頂寺側(cè)固定墩處應(yīng)力值最大，達(dá)到許用應(yīng)力的93.97%，管道所受應(yīng)力處于許用應(yīng)力的范圍內(nèi)，均滿足國內(nèi)管道設(shè)計規(guī)范要求；但是校核應(yīng)力若采用管材許用應(yīng)力的90%計算，則超出了規(guī)范要求，存在運(yùn)營安全風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)

［1］李朝，史航.山區(qū)地段長輸管道線路設(shè)計要點(diǎn)［J］.油氣儲運(yùn)，2004，21（12）：27-30.

［2］黃坤，吳世娟，盧泓方，等.沿坡敷設(shè)輸氣管道應(yīng)力分析［J］.天然氣與石油，2012，30（4）：1-4.

［3］ASME.ASMEB31.8Gastransmissionanddistribution pipeling system［S］.NewYork：American Society of Me?chanical Engineers Press，2010.

［4］Liu A，Chen K，Wu J.State of art of seismic design and seismic hazard analysis for oil and gas pipelinee sys?tem［J］.Earthquake Science，2010（3）：259-263.

［5］亢會明，曹潤蒼，李束為.油氣管道通過活動斷層抗震設(shè)防安全性探討［J］.天然氣與石油，2012，30（6）：1-3.

［6］吳曉南，盧泓方，黃坤，等.基于頻譜分析的地震帶輸氣管道應(yīng)力分析方法［J］.天然氣工業(yè)，2014，34（5）：152-157.

（編輯：蔣龍）

作者簡介：賀三（1975－），博士，副教授，從事油氣集輸、流動保障技術(shù)相關(guān)研究與教學(xué)工作。E-mail:hesan@126.com。

doi：10.3969／j.issn.2095-1132.2016.01.015

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：2095-1132（2016）01-0050-04