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X80管道穿越活动断层时的设计应变研究 刘啸奔张宏夏梦莹 [中国石油大学(北京)机械储运工程学院] 摘要:基于非线性有限元法开展了x80管道穿越活动断层时的应变分析。对管径,壁厚,土弹簧刚度,断层错动量,管道 穿越角进行了敏感性分析。基于大量有限元结果采用非线性拟合方法给出了x80管道穿越断层时的设计应变回归公式。根据与 西气东输二线实际T程参数有限元结果对比,验证了公式的准确性,具有一定的工程实际意义。 关键词:活动断层;x80管道;设计应变;回归公式 随着社会经济的快速发展,近年来我国油气资源需求大大增加,促进了以长距离,大管径,高内压为主要特点的大输量油 气管道的设计与建造,如我国的西气东输工程。由于我国复杂的地理环境,经过地震区是这些长输管线无法避免的难题。而活 动断层会导致管道产生较大的拉压应变而产生屈曲或拉裂,成为地震区管道安全的主要威胁。 强度管材管道。非线性有限元法被证明能较好的描述在断层错动下的管材的后屈服变形。所以本文建立了x80管道穿越活动断 层时的非线性有限元模型,讨论了管道直径,壁厚,内压,断层错动量,管道穿越角等参数对设计应变的影响。所有参数取值 范围参考了国内x80钢管道的运营参数和西气东输二线沿途断层参数,使得结果更具合理性。基于计算得到的超过2000种工 况下管道的设计应变值,使用非线性拟合方法拟合得到了X80管道穿越断层时的设计应变回归公式。经过与西气东输二线30 种实际工况参数的有限元结果对比验证了公式的准确性。 1计算模型与参数范围 1.1有限元模型描述 管道穿越活动断层时可以简化为图1所示,断层造成地表错动从而导致管道发生大变形。在图1中以管道轴向为x方向, 管道的垂向为y方向,这样地表在断层作用下的位移可以分解为一个管道轴向分量△X和管道垂向分量△】,。两者可由断层错 动量瓯和管道穿越角∥求得。在本文中只考虑了穿越角小于等于90度的情况。 .4。 \ 管道切始位置 锚蜀点 § ’ ● 左侧土场地 k …一:’T 断层1…“ 图1 管道穿越断层的示意图 在管道穿越断层的有限元模型中,管道可以用梁单元、管单元或壳单元来模拟。管单元可以得到较好的计算结果,同时计 算时间远小于壳单元,所以本文选择管单元模拟管道。为了消除边界对管道应变的影响,本文对2000m的管道进行计算,断层 来得到更准确的结果。 1.2管土相互作用 土壤对管道的作用可以用一系列离散的弹塑性土弹簧来表示,包括管道轴向,侧向,垂向的土弹簧,如图2所示。本模型 采用ABAQuS软件提供的PSI单元模拟土弹簧,通过将断层位移施加在断层右侧的PsI单元的土壤节点上来模拟断层的作用。 土弹簧的力学性能可以用极限抗力与屈服位移两个量来描述。t矿nq。和q。代表了三个方向的极限抗力,x—y矿z。和z。代表了三 个方向的屈服位移,如图3所示。他们的具体数值可根据ALA埋地钢制管道设计规范求得。 夕7/一一_’哆翁一; 耵、j、:瓮彩/聋 -t“~{m1 ’pH^{m) 。qn^{m) p。 ,u 一虬 吼 一屯 m 气 yu yf 一:aI|气

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