活动断层对大口径埋地管道影响分析

(整期优先)网络出版时间:2023-12-01
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活动断层对大口径埋地管道影响分析

缪文振 肖甫 常可可

中石化中原石油工程设计有限公司 河南省郑州市,450000

摘要1422mm大口径、高压输送方案已成为我国超大天然气输量输送的首选方案,并已在中俄东线管段投入应用。针对1422mm大口径埋地管道在活动断层下应力应变响应,利用非线性有限元建模对1422mm埋地管道在活动断层下不同断层位错量、内压、壁厚、埋深等4个敏感性因素进行分析研究。结果表明:管道产生的应变量与管道运行时的内压、埋深、断层位错量呈正相关,随管道壁厚的增加而减小。建议在新建大口径管道选择合适的埋深与穿越场地,增加壁厚降低管道的运行风险,确保跨断层埋地管道的安全运行。

关键词断层1422mm应力应变有限元

为满足我国超大输量天然气输送要求,特别是从俄罗斯、伊朗、中亚等地区进口天然气输量的不断增加,管道天然气设计输量将远超过西二线和西三线的设计输量。目前对于天然气超大输量的管道设计主要有两种思路:一是采用X90/X100超高强度钢或采用增加壁厚的X80管线钢进行加压输送;二是通过在现有钢级的基础上通过增大管径输送[1]。但因现阶段X100钢管技术尚有不足及提高设计压力带来生产施工难度,同时已经论证通过增大管径至1422mm方案的可行性[2],并在我国中俄东线黑河-长岭段进行了1422mm管道的敷设,现阶段主要采用第二种输送方案进行天然气超大输量输送。新建管道将不可避免的途径活动断层附近,当活动断层由于地震活动移动时,断层两侧土壤的错动将使管道产生拉裂、壳式屈曲、梁式屈曲等破坏,严重威胁埋地管线的安全。因此研究新建超高输量1422mm输气管道在活动断层的应力应变响应具有重要的意义。本文采用三维有限元方法对1422mm大口径管线跨断层进行应力应变进行分析,研究不同工况下活动断层对大口径输气管道的影响,为跨断层埋地输气管道的安全运行提供参考。

1有限元模型

1.1模型参数

本文分析的管道材料为X80HD2型大变形钢管,采用Ramberg-Osgood方程进行钢材应力应变参数进行拟合,土体采用Mohr-coulomb模型,土体参数如下表1所示。

表1 土壤参数

弹性模量

E/MPa

泊松比

ν

内摩擦角

ψ/°

剪切角

ψ/°

粘聚力

c/kPa

密度

ρ/kg·m-3

摩擦系数

20

0.4

20

10

50

1900

0.25

1.2模型建立及网格划分

本模型包括一个管道模型和两个长方体土体模型,管道与土体模型分别采用S4R单元、C3D8R单元模拟。土体与管道接触部分加密网格划分,并以施加边界位移的方式来模拟断层运动。模型结构见下图1。

图1 60°倾角管土有限元模型图

2数据分析与讨论

本部分研究同工况下埋地管道的应力应变及其分布,确定活动断层对1422mm大口径输气管道的影响。

2.11422mm管道在不同壁厚、内压与断层位的影响

本小节分析1422mm跨断层管道在不同壁厚、管内压及活动断层位错量下的应力应变。图2为断层位错量为2m,不同壁厚、内压下的应力应变曲线图;图3为在内压12MPa下,不同壁厚、不同断层位错下的应力应变变化曲线图。从图2可知,管道的应力及应变随管道壁厚的增加呈下降趋势,随管道内压的增大呈正相关增长;而从应力应变增长趋势可以看出,管道应力应变随壁厚的减小而增长的更快,可知增加管道壁厚可有效降低管道破坏的风险。从图3可知,管道应力应变随断层位错的增加而增加的增加,增长幅度随管道壁厚的增加而减小;当在小断层位错(小于0.5m时)工况下,管道受到的轴向应变基本不变甚至有所下降。根据《油气输送管道线路工程抗震技术规范》(GB/T 50470-2017)[3]计算可知在管道内压为12MPa,该大口径管径在21.4mm、25.7mm、30.8mm三种壁厚下轴向容许拉伸应变分别为0.897%、1.051%和1.223%。由此可知在管道正常工况下壁厚为21.4mm的管道不再满足工况要求,而25.7mm和30.8mm壁厚管道可满足断层位错小于2m的工况要求。由此建议在跨断层埋地管道设计中,根据该地区地质资料选择合适的管道壁厚。

图2 1422管道在不同内压下的应力应变曲线图   图3 1422管道在不同断层位移下的应力应变曲线图

2.2不同埋深管道的影响

本小节分析管径为1422mm、壁厚为25.7mm的大口径埋地管道在走滑断层作用下不同埋深应力应变情况。图4为走滑断层倾角为90°,管道内压为12MPa,断层位错量为2m工况下1422mm大口径埋地管道轴向应力应变随管道埋深变化曲线图。从图4中可以看出,管道的轴向应力应变随感到埋深的增加大致呈线性增加的趋势,建议在跨断层设计时采用浅埋的方式以减小管道的应变,达到抗震和便于施工的目的。

图4 1422管道在不同埋深下的应力应变曲线图

3结论

本文通过建立1422mm大口径埋地输气管道跨断层三维有限元模型,研究不同壁厚、内压、埋深及断层位错量下埋地管道的应力应变变化。通过分析得出以下结论:

(1)管道壁厚对断层产生的应变有较大的影响。经过三种不同壁厚在不同内压及断层位错的分析,建议根据管道敷设地质选择合适的管道壁厚。

(2)管道产生的应变量随管道埋深的增大而增大。建议在管道敷设时选择合适的穿越位置,并采用浅埋的方式进行敷设,以增大管道的抗断层破坏风险。

参考文献

[1] 赵俊,高永刚,王国丽,赵连增.直径1422mm、压力12MPa管道工艺特性及经济性分析[J].石油规划设计,2014,25(04):1-5+50.

[2]王国丽,赵乐晋,管伟,赵俊.直径1422mm、压力12MPa、钢级X80管道输气方案可行性[J].油气储运,2014,33(08):799-806.

[3] 中国石油天然气公司集团.油气输送管道线路工程抗震技术规范: GB/T 50470-2017[S].北京: 中国计划出版社,2017.