海底管道抗震分析軟件的開發與應用

曹文冉，葉松濱

(1. 中國石油集團工程技術研究院 天津300456；2. 中國石油天然氣集團公司海洋工程重點實驗室 天津300456)

海底管道抗震分析軟件的開發與應用

曹文冉1,2，葉松濱1,2

(1. 中國石油集團工程技術研究院 天津300456；2. 中國石油天然氣集團公司海洋工程重點實驗室 天津300456)

海底管道的建設往往需要考慮地震和斷層的影響，但是目前主要還是參考陸地管道抗震規范，其計算結果與海底管道工程實際存在較大的差距。為提高海底管道應力(應變)分析精度，基于管道-土體之間的相互作用建立了海底管道抗震分析方法，采用C語言和MATLAB平臺開發了海底管道抗震分析軟件，既可以進行海底管道的地震反應分析、穿越斷層分析和彈性時程分析，又可以繪制海底管道的應力-應變曲線、地震波時程曲線和管道時程分析曲線，具有通用性強、交互方便、快速易用等特點，為海底管道的設計、施工提供了技術支持。

海底管道 地震 斷層 MATLAB

0 引 言

隨著海洋油氣資源的不斷開發，海底管道在我國得到了廣泛應用，發揮著越來越重要的作用。[1]與陸上管道相比，海底管道造價昂貴、維修復雜、維護費高，[2]加之我國是一個多地震國家，[3]蘊藏豐富油氣資源的渤海、東海等海域又瀕臨環太平洋地震帶，[4]屬于地震高發區域。例如，海峽海底天然氣管道擬定路先后穿越濱海斷裂帶和晉江凹陷東界主斷層，地震烈度為Ⅷ～Ⅸ度，地震加速度高達0.40,g，無疑給海底管道的設計、施工帶來了諸多技術難題。因此海底管道的建設往往需要考慮地震和斷層的影響。

自1971年美國圣費爾南多地震以來，國內外學者圍繞管道抗震開展了大量的理論分析、[5-7]數值模擬[1,2,8]和模型試驗[9-10]研究，挪威、美國和中國等也陸續頒布了管道抗震設計指南或技術規范。[11-13]但是，國內外一直沒有形成專門用于海底管道的抗震技術規范，專用的抗震分析軟件也是寥寥無幾，目前主要還是參考陸地管道抗震規范，其計算結果與管道的直徑、壁厚、埋設深度、土壤重度等參數幾乎沒有關系，顯然與海底管道工程的實際存在著較大的差距。近年來，該問題一直困擾著我國的工程設計人員。

鑒于此，在西氣東輸三線海峽管道預可行性研究技術成果基礎上，本文結合海底管道在地震和斷層作用下的受力特點，引入管道-土體之間的相互作用，建立海底管道抗震分析方法，并且開發海底管道抗震分析軟件，以期提高海底管道應力(應變)分析精度，為海底管道的設計提供技術支持，并實現公司技術服務能力的再次提升。

1 抗震分析方法

為了確定海底管道抗震影響參數，本文先后完成了28組地震臺模型試驗和17組有限元模擬分析，從中發現：水平橫向地震作用對管道影響顯著，但水平軸向地震作用也不宜忽略，兩者對管道的破壞主要是通過管道與土體之間的相互作用來實現的，而且管徑、壁厚、埋深、土壤特性、土體變形等對管道應力(應變)都有比較顯著的影響。

1.1 地震應力

基于上述情況，本文認為管線表面和周圍土體之間存在著彈性約束彈簧，從而阻止土體的縱向或橫向變位，如圖1所示。

圖1 管-土間的彈性約束示意圖Fig.1 Schematic of elastic restraint between pipeline and soil

當管線周圍土體產生變位時，在管-土間約束力的作用下，管線將沿軸向或法向變形。此時，微分方程可以寫成：

式中，u、uL——土體、管道沿管軸方向的絕對位移；w、wB——土體、管道沿管軸方向的絕對位移；β、λ——與管徑D、截面積A、彈性模量E和慣性矩I有關的系數。

如圖2所示，地震波是震源輻射的彈性波，通常分為體波和面波，前者主要指縱波和橫波，后者一般指勒夫波和瑞利波。如果場地內有一個斷層，橫波往往起控制作用。對于振幅為u0、波長為L、周期為T的橫波，當其傳播方向與管線的夾角為α時有：

將(2)式帶入(1)式求解并求導，得到管道軸向和管軸方向土體變位產生的應力：

那么，合成應力為：

一般認為管線為無限長，地震的橫向彎曲應力相對軸向應力來說影響較小，通常可以忽略。假設管線變形在線彈性范圍內，那么管線的軸向極限地震應力為：

式中，qπp——管線單位長度上受到的土體極限約束力。

1.2 抗斷層能力

如圖3所示，當管道與斷層相交，箭頭代表斷層錯動方向，當穿越角度Φ小于90,°時管道受拉，穿越角度Φ大于90,°時管道受壓。本文定義A、B為錨固點，即管道位移為零的點。由于摩擦力作用，AB段管道的伸縮并不均勻，而是集中在緊靠斷層的區域。

圖3 海底管道斷層作用分析Fig.3 Fault-crossing analysis

基于鋼材的三折線彈塑性模型，本文假定管材應變可以進入彈塑性區，但不允許進入完全塑性區。當管道受拉時，其拉伸長度由彈性段和彈塑性段分別產生的拉伸長度組成；當管道受壓時，其壓縮長度只有一部分組成。因此，管道長度的變化量ΔL為：

管道受拉時：

管道受壓時：

式中，Le、Lp——管道受拉時彈性區、彈塑性區的滑動長度；εe、εp——管道受拉時彈性區、彈塑性區的平均應變；Lc——管道受壓時的滑動長度；εc——管道受壓時的平均應變。

對于管線AB段，斷層在管道軸向、水平徑向和豎直方向分別產生 ΔX、ΔY和 ΔZ的錯動，如圖4所示。

圖4 斷層錯動時管線的應變分析Fig.4 Pipeline strain analysis due to fault movement

式中，L——管道在斷層一側的滑動長度，受拉時取Lt，受壓時取Lc。

2 軟件開發與應用

2.1 程序化設計

軟件的程序化設計是工程計算不可或缺的部分，也是促進科研成果向工程應用快速轉化的重要環節，對于提高工程技術人員的計算分析能力有重要意義。因此，本文對地震作用下管道應力計算流程和斷層作用下管道適應能力計算流程進行了程序化設計，如圖5所示。

2.2 模塊化設計

在軟件開發過程中，本文利用C語言和MATLAB平臺編寫了1,800余行代碼，涵蓋了登錄界面、參數輸入、計算分析、圖形顯示、報告生成、幫助文件等6個模塊，既可以進行海底管道的地震反應分析、穿越斷層分析和彈性時程分析，又可以繪制海底管道的應力-應變曲線、地震波時程曲線和管道時程分析曲線等，具有通用性強、交互方便、快速易用等特點，能夠在Windows XP、Vista、7、8/8.1、10等系統上安裝使用。

首先，軟件設計有登陸界面，如圖6所示，需要管理員在軟件后臺設定用戶名和密碼才能登陸，這樣有利于保護知識產權和工程數據安全。

圖5 軟件程序化設計Fig.5 Flowchart of software programming design

圖6 軟件登錄界面Fig.6 Login interface

其次，軟件主界面架構清晰，人機交互模塊位于頂部菜單欄，用戶可以通過菜單和對話框實現參數輸入、計算分析、圖形顯示、報告生成等操作，而且計算結果和分析曲線可以實時顯示，每個工程的全部參數和圖形結果都能以數據庫的形式保存和再讀取，從而實現了在同一界面下方便、清晰地完成全部功能。

再次，在進行海底管道抗震分析時，用戶可以通過“參數”菜單輸入管道、土體、地震、斷層等參數，還可以讀入地震波加速度時程。根據工程項目需要，還可以通過“分析”菜單進行地震反應分析、穿越斷層分析或彈性時程分析。為便于檢查核對，所有輸入參數均顯示在主界面左側區域，所有輸出結果均顯示在主界面右上區域，而時程分析結果和相關曲線則顯示在主界面右下區域或者彈出的子界面中。

最后，運行完所有分析工況后，用戶可以通過“報告”菜單生成分析報告。該報告可以自動命名后直接輸出至Office Word文檔，包含標題、文字、圖形等全部計算內容，這樣不僅有利于工程編輯，而且提高了工作效率。

2.3 算例分析

以國內某海底管道項目為例，根據已有的設計資料和路由調查資料，對比分析本軟件計算結果與我國《油氣輸送管道線路工程抗震技術規范(2008版)》和美國《鋼質埋地管線抗震設計指南(2005版)》計算結果的差異，如表1、2所示。

表1 管線結構參數Tab.1 Pipe structure parameters

表2 地震分析結果Tab.2 Seismic analysis results

從表2可以看出，本軟件的計算結果與美國設計指南的計算結果相差不大，而與我國現行規范的計算結果相差較大，其原因在于：我國現行規范明確適用于陸上鋼質油氣輸送管道線路工程的抗震設計，其計算結果幾乎完全取決于埋地管線路由區域的地震波周期和傳播速度，而與管道幾何參數、埋設深度、土壤重度等因素的關系很小，即在鋪設環境一定的條件下，海底管道的結構參數對地震應力大小幾乎沒有影響，遇到應力過大時就無法通過改變結構尺寸來提高管道的抗震能力。這一現象不僅與海底管道的工程實際不符，而且給技術人員帶來了很大困惑。由于本軟件充分考慮了管-土的相互作用，引入了管徑、壁厚、埋深、土體變形等參數，不僅提高了抗震分析精度，而且完善了現行計算方法。

3 計算機軟件登記

在公司和研究院科技部門的鼎力支持下，2015年9月下旬提交了《計算機軟件登記審核報告書》；同年12月上旬，中國版權保護中心根據《計算機軟件著作權登記辦法》受理了本軟件的登記申請；2016年1月下旬，國家版權局根據《計算機軟件保護條例》同意對本軟件予以登記，并頒發了《計算機軟件著作權登記證書》。

4 結 論

結合海底管道在地震和斷層作用下的受力特點，本文基于管道-土體相互作用建立了海底管道抗震分析方法，采用C語言和MATLAB平臺開發了海底管道抗震分析軟件，并取得了計算機軟件著作權登記證書。通過算例對比分析，得到了如下結論：

①采用程序化和模塊化設計方法，不僅可以使軟件的主界面架構清晰，確保了在同一人機交互界面下完成全部應用功能，而且可以使計算結果和分析曲線實時顯示，并以數據庫的形式保存和再讀取，有利于工程技術人員快速、熟練使用軟件。②充分考慮了管-土之間的相互作用，既可以進行海底管道的地震反應分析、穿越斷層分析和彈性時程分析，還可以繪制海底管道的應力-應變曲線、地震波時程曲線和管道時程分析曲線，提高了抗震分析精度，完善了現行計算方法。③只需要基本參數就可以完成全部分析，不僅彌補了專用軟件不足的局面，而且填補了集團公司的技術空白。由于目前尚缺乏地震時海底管道的現場調查資料或試驗實測資料，有必要繼續開展相關研究以進一步驗證軟件的可靠性。■

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Development and Application of Submarine Pipeline Seismic Analysis Software

CAO Wenran1,2，YE Songbin1,2
(1．Research Institute of Engineering Technology of CNPC，Tianjin 300456，China；2．Key Laboratory of Offshore Engineering of CNPC，Tianjin 300456，China)

The construction of submarine pipeline can be affected inevitably by earthquake or fault movement．However，land pipeline codes are still used for seismic design of submarine pipeline and the results are obviously different from those of engineering practice．Therefore，in order to improve the analytical precision of submarine pipeline stress or strain，a seismic analysis method was established on the basis of pipe-soil interaction and the seismic analysis software was developed by C language and MATLAB software，by which seismic response analysis，fault-crossing analysis and elastic time-history analysis can be conducted as well as plots of pipe stress-strain curve，seismic time-history curve and pipe time-history curve．Due to its general use and friendly interface，the software can be easily used by engineers and technicians in the design and construction of submarine pipelines.

submarine pipeline；earthquake；fault；MATLAB

TE973

：A

：1006-8945(2016)10-0077-04

2016-09-01