跨越斷層的鋼制埋地管道響應數值模擬研究

張如林,蔣 城,李 帥,張忠濤

(中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院, 山東 青島 266580)

0 引言

石油和天然氣作為重要的能源基礎,影響著國家的安全和社會的發展。管道在天然氣的開發、輸送和利用過程中有極其重要的作用。我國天然氣資源分布極不平衡,有著西多而東少和北多而南少的總體格局。西氣東輸二線工程是當時全球工程量最大和管線里程最長的油氣管道工程,可以將我國塔里木盆地、柴達木盆地等西部地區生產的天然氣和從其他國外地區進口的天然氣沿干線和支干線輸往中西部和沿海地區,以適應我國天然氣資源較為缺乏且消費量較大的地區對于天然氣供應量的需要。

埋地管線由于距離較長,無法避免地經過眾多地質災害區域而產生一系列問題。震害調查表明:地震引起埋地油氣管道的破壞幾乎都是由靜力破壞模式造成的,如滑坡、土壤液化和斷層位移,嚴重威脅了管道的安全。其中斷層位移是最為危險的形式,由于斷層運動將產生較大的地面位移,可能會導致管道發生嚴重的屈曲或失效。如1972年馬那瓜地震、1975年海城地震、1976年唐山地震、1978年宮城縣地震、1999年集集地震和2008年汶川地震,都出現了埋地管道遭到嚴重破壞的情況。因此,開展對跨斷層埋地管道的力學性能和變形規律的研究,對于管道的設計和安全運行具有重要意義。

針對于此,眾多學者開展了相關研究。侯忠良等[1]發現斷層位錯作用是管道破壞的主要影響因子;TAKADA等[2]用殼單元模擬管道彈塑性材料,用非線性彈簧模擬土體,分析了逆斷層位錯下埋地管道的屈曲反應;趙林等[3]在試驗研究的基礎上對比了三種不同的斷層類型對管道的作用烈度;TRIFUINAC[4]通過模擬斷層產生的劇烈旋轉作用,分析了結構產生形變的后果,同時進一步拆解分析了在旋轉作用下地面的運動,用以控制強地震對斷層管道的激勵;豐曉紅[5]將管道模擬為薄壁型結構,土體模擬為均勻的實體結構,提出了合適的管土作用有限元計算模型;樊蘇楠等[6]運用有限元軟件概率設計模塊進行了斷層管道在多種因子的作用下的可靠度分析;劉嘯奔等[7]研究了屈服強度和應變硬化參數在逆斷層作用下對三種不同APL-5L等級管道(X80、X90和X100)的局部屈曲響應的影響,并研究了其對臨界斷層位移、屈曲應力以及臨界軸向應變的影響;全愷等[8]模擬了在兩個斷層面相互錯動并且產生位移的情況下,埋地管道在走滑斷層位移下的屈曲響應;曾希等[9]建立了管土相互作用的非線性三維有限元模型,研究了場地種類等因素對管道變形的影響。

國內外學者對管道受斷裂和擠壓的研究較多,但對管道在斷層作用下的應力應變分析較少[10-13],并且考慮的影響因素單一,難以對斷層管道結構的力學性質做出全面分析。本文通過ABAQUS軟件,以西氣東輸二線為工程背景,建立管土斷層相互作用模型,研究斷層位移量、管道內壓、管道徑厚比和管道埋深等因素對管道應力和應變響應規律的影響。

1 數值模型的建立

1.1 幾何模型的建立

實際上土體范圍的大小和管道的軸向長度數值非常大,考慮到斷層因素對管道的影響以及管土相互作用,在使用有限元方法對其進行分析時,對于斷層附近的產生大變形的區域,該區域選取的管道長度不應當小于60倍的管道直徑[8]。

本文選取管道外徑為D,管道模型選取的長度為70D,土體的長度沿著X、Y和Z方向上的長度分別為11、9和70D。建立的跨越斷層的埋地管道有限元模型,如圖1所示。

圖1 埋地管道-土體體系有限元模型圖Fig. 1 Finite element model diagram of buried pipeline soil system

1.2 管道及管周土體相關參數

本文選用X80管道,參考文獻[14]導則的附錄D,管道所用鋼材的主要參數為E1=210 GPa;μ=0.3;σ1=553 MPa;ε1=0.002 6;σ2=621 MPa;ε2=0.030。

在ABAQUS軟件中,管土之間的相互作用設置主要由法向的相互作用和切向的相互作用兩個部分組成。法向的相互作用設置為“硬”接觸,通過此設置,管道與土體之間可以傳遞法向的壓力。此外,在該處設置允許管道與土體接觸后發生分離。切向的相互作用設置為“罰”摩擦,該處考慮了管道與土體之間的摩擦力。借鑒相關文獻的數值模擬經驗[15-19],管土之間的摩擦系數取0.6,對管道周圍土體模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。該模型中,彈性參數主要有兩個:分別為彈性模量E和泊松比μ;塑性參數主要有三個:分別為粘聚力c、摩擦角φ和剪脹角φ,管周土體相關參數列于表1中。

表1 管周土體相關參數Table 1 Related parameters of soil around pipeline

1.3 邊界條件與荷載施加

將整個土體模型看作是一個六面體,在初始條件下,頂部表面不施加任何的約束;在土體底部,約束其沿X、Y和Z三個方向的位移,不對轉角約束;對于土體的四個側面,約束其法向方向上的位移。在數值模擬的過程中管土會有一小段的相對滑動,因此對固定盤一側的管道端部施加彈簧荷載[20]。

需要說明的是:本文管土模型底部并未取到基巖面,因此施加的是覆蓋層下部基巖斷裂位錯引發的上部土層地表位錯,并非基巖位錯?？紤]荷載主要有重力、管道的內表面的壓力以及斷層位移荷載。將整個分析過程分為三個分析步來進行:第一個分析步,對模型整體施加重力;第二個分析步,如圖2(a)對管道內表面施加均布荷載壓力;第三個分析步,如圖2(b)保持固定盤不動,對移動盤解除約束并施加線性位移荷載,以此模擬斷層的兩盤相對運動。三個分析步均采用靜力通用分析步。

圖2 對管道內表面和移動盤施加荷載Fig. 2 Apply loads to the inner surface of the pipe and to the moving disc

1.4 模型的網格劃分

本文均采用結構化網格劃分的方式。對于土體,需要對管道周圍的部分進行加密,將管周土體沿著管周方向“為邊布種”的局部種子設置為16個,經過大量嘗試發現該方法擁有較好的收斂性。為了更真實地模擬大變形段管道的變形特征,在大變形段的管段需要進行局部加密,并對管道中間區域進行細化處理。為達到分析的準確度的要求,沿著管道軸向方向上的殼單元長度不應當大于管道直徑的0.3倍[15],因此采用0.1 m作為管道大變形段的網格密度。

2 數值模擬結果分析

2.1 斷層位移量對管道的影響作用

針對不同的斷層位移量,選擇右旋走滑斷層和逆斷層的組合斷層為研究對象[19],斷層傾角取45°,斷層面與管道交角取90°,位移沿X、Y和Z三個方向上的距離相等,即Dx=Dy=Dz。在構造運動中,大規模的斷層一般不是沿著單一面發生而是會沿著一條包含多個面的斷層破裂帶發生,為簡化起見,本文研究模型暫不考慮斷層破碎帶的寬度。管道埋深為2 m,管道外徑為1.219 m,管道壁厚為26.4 mm。管道土體本構參數與前文保持一致,內壓選取12 MPa,并保持不變。

選取斷層的位移量分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4和1.6 m時的計算結果進行分析,以0.2 m為級差共八種不同錯動量的斷層位移下的管道變形情況進行了繪制。圖3為不同斷層位移量下的管道的大變形段Mises應力云圖。

圖3 不同斷層位移量下管道的大變形段Mises應力云圖Fig. 3 Von Mises stress pattern of large deformation section under different fault displacements

可以看出:隨著斷層位移量的增大,右旋走滑逆斷層的埋地管道的變形也在增大。管道應力響應較大處主要集中在斷層面的兩側一定距離處。在一定的范圍內,隨著斷層位移量的增大,管道最大Mises應力也在增大,達到621 MPa后不再增長,但管道的變形仍在增大。當斷層位移達到1.4 m時,可以看出管道的底部位置出現了明顯的局部鼓脹屈曲。

下面分析管道的變形響應。從軸向應變云圖中可明顯看出:當斷層位移量達到1.4 m時,管道底部由于受壓而出現了局部鼓脹屈曲。由圖4-5可知:最大軸向壓縮應變值達到18.3%,最大軸向拉伸應變值達到1.3%,其所在位置并非斷層與管道的交界面,而是距斷層面有一定的距離,最大軸向壓(拉)應變值所在位置距離斷層面均為2.1 m。這與其他類型的斷層位移作用下的管道響應有相似之處[8]。

圖6為不同斷層位移量下管道最大Mises應力及最大軸向應變的變化。從最大Mises應力的變化看出:當斷層位移量較小時,管道最大Mises應力增長速度很快。通過導則所規定的容許拉伸應變,結合圖3-5,斷層位移在0.46 m時,就已達到容許壓縮應變,而斷層位移在1.6 m時,才達到容許拉伸應變。綜上所述,對于本算例(右旋走滑逆斷層),斷層位移量越大,最大Mises應力就越大,最大軸向拉應變和軸向壓應變也越大。由于該算例管道的壓縮部位沒有足夠的強度來抵抗局部屈曲,一旦斷層發生較小位移(0.2～0.6 m)導致管道產生局部屈曲,那么應力集中會使本算例的管道迅速達到容許壓縮應變而失效。所以在斷層位移較大的區域建議采用高強度材料管道。

圖4 最大軸向壓應變點所在管道軸向方向上的軸向應變 圖5 最大軸向拉應變點所在管道軸向方向上的軸向應變Fig. 4 Axial strain value of the pipeline at the maximum axial compressive strain point Fig. 5 Axial strain value of the pipeline at the maximum axial tensile strain point

圖6 斷層位移對管道最大Mises應力及軸向應變的影響 Fig. 6 Influence of fault displacement on maximum Mises stress and axial strain of pipeline

2.2 內壓對管道的影響作用

在研究斷層作用對管道影響時,通常認為內壓恒定不變。本節選擇右旋走滑逆斷層為研究對象,斷層傾角取45°,管道外徑為1.219 m,管道壁厚為26.4 mm,管道埋深為2 m,管道及土體本構參數與前文保持一致,內壓分別選取0、4、8和12 MPa四種內壓荷載,內壓荷載在位移施加過程中保持不變。

在同樣斷層位移量作用下,管道最大Mises應力影響隨著內壓的增長而增長如圖7所示。圖8-9為斷層位移為1.7 m、內壓為12 MPa和無內壓下管道的變形云圖。結果表明:管道內壓對管道的變形特征有顯著的影響,當內壓為12 MPa時,管道出現了明顯的局部鼓脹屈曲,而無內壓時管道出現了明顯的壓潰。在斷層位移量較小時,無內壓管道的安全性更高。當斷層位移較大時,內壓在一定程度上提高了管道的抗屈曲能力,使得存在一定內壓的管道的安全性更強,但是過大的內壓卻會加快管道的破壞。

圖7 不同內壓下管道隨斷層位移量變化的最大Mises應力Fig. 7 Maximum Mises stress of pipe at different internal pressures with the amount of fault dislocation

圖8 管道變形云圖以及局部屈曲放大圖(內壓為12 MPa)Fig. 8 Deformation cloud picture of pipeline and magnified view of local buckling with internal pressure of 12 MPa

圖9 無內壓管道的變形云圖以及局部屈曲放大圖Fig. 9 Deformation cloud diagram of pipeline and magnified view of local buckling without internal pressure

2.3 壁厚對管道的影響作用

徑厚比(D/t)是管道設計時需要考慮的主要設計參數之一。由于本節保持管道的外徑為1 219 mm不再改變,故壁厚的改變亦即是管道徑厚比的改變。不同徑厚比下的埋地管道在右旋走滑逆斷層作用下的最大Mises應力曲線如圖10所示。

圖10 不同壁厚管道在斷層作用下的最大Mises應力Fig. 10 Maximum Mises stress of pipes with different wall thickness under fault action

不難看出:不同壁厚的管道在斷層位移接近0時的最大Mises應力已經有明顯差距。限于篇幅,這里僅給出壁厚為15.3 mm和22 mm的管道在斷層位移為0.5 m時的應變云圖,如圖11所示。結果表明徑厚比越大(即管壁越薄)的管道,其變形越明顯(為顯示更加明顯,圖11兩壁厚模型未采用相同的縮放尺度)。壁厚為15.3 mm的管道出現的局部屈曲現象最為明顯,而壁厚為22 mm和26.4 mm的管道,未出現明顯的變形。因此可以推斷管道的壁厚越大,徑厚比越小,最大Mises應力和最大軸向壓應變值隨斷層的增長越慢,管道的安全性越好。此外,管道壁厚越小,斷層面兩側的管道最大軸向壓應變點越接近斷層面。

2.4 管道埋深對管道的影響作用

選取三種不同埋深的管道進行比較分析,管道埋深分別選取1.2、1.8和2.0 m,斷層面破裂到地表面,其他參數與前面相同,不再贅述。三種不同埋深的管道的最大軸向應變曲線如圖12-13所示。

由圖12可以看出:不同埋深管道的最大軸向壓應變均隨著斷層位移的增大而增大。最大軸向壓應變增長速度最快的為埋深為2.0 m的管道,其次分別是1.8 m和1.2 m。由圖13可以看出:在三種埋深中,最大軸向拉伸應變增長速度最慢的為埋深為1.2 m的管道,而埋深為2.0 m和埋深為1.8 m的區別較小。因此在淺埋條件下,管道的軸向壓應變和軸向拉應變結果相比深埋情況要小,建議在條件允許的情況下管道宜淺埋。

3 結論

以西氣東輸二線為工程背景,采用有限元軟件ABAQUS對埋地鋼制管道進行地震響應研究,主要考慮斷層位錯量對管道力學性能的影響。主要研究了各種因素對斷層作用下埋地管道的應力應變的影響,得到各個因素對跨斷層管道的影響作用,主要結論如下:

1)隨著斷層位移量的增大,管道的應力應變也隨之變化。當位移量較小時,最大Mises應力增長較快。隨著位移量的繼續增大,管道壓縮部位產生局部屈曲導致最大軸向壓縮應變數值驟增。管道的最大軸向應變點并不在斷層面上,而是在斷層面的兩側。在跨斷層區域建議使用高強度埋地管道。

2)管道內壓和徑厚比對管道均有一定的影響。管道有無內壓的破壞模式不同:含內壓管道為局部鼓脹屈曲即屈曲失穩破壞,無內壓管道為局部壓潰即強度破壞。對于有壓管道,內壓越大,越容易遭受破壞。相同的斷層位移下,管道的最大軸向壓應變隨著管道徑厚比的增大而增大。管道的壁厚越大,即徑厚比越小,管道的安全性越好。在保證輸送能力和經濟允許的情況下,應盡可能使用徑厚比較小,即管道壁厚較大的管道。

3)在本文研究情況下,淺埋能夠減小斷層作用下管道的最大軸向應變。為提高管道的安全性,在斷層位移量較大時,可選擇淺埋方式。