本發(fā)明涉及油氣管道
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體而言，涉及一種埋地管道通過活動逆斷層的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
：隨著油氣管道工程的建設(shè)，越來越多的管道項目需要穿越地震活動斷層，在預(yù)期的管道壽命周期內(nèi)，活動斷層可能發(fā)生錯動對運營管道造成破壞，這要求管道設(shè)計中要對管道穿越活動斷層做充分的分析并采取適當?shù)姆笤O(shè)措施，以保證穿越活動斷層管道在運營期間的安全，而管道如何穿越地震活動斷層能夠保證管道的安全，采取何種敷設(shè)措施更加經(jīng)濟合理，需要有一套科學合理的分析方法和計算工具。近年來，國內(nèi)外對管道如何穿越地震活動斷層問題進行了大量的研究，對于管道穿越活動斷層，目前已經(jīng)形成了一套較為成熟的分析模型和設(shè)計方法。目前管道穿越斷層的設(shè)計方法大致可分為兩類，一類是公式法，一類是數(shù)值分析法，無論是公式法還是數(shù)值分析法采用的基本上都是基于應(yīng)變的校核準則。其中，公式法難以反映管道在斷層位錯下材料的塑性和結(jié)構(gòu)的幾何非線性，對于重要的管道工程這類方法顯得過于粗略；數(shù)值分析方法中又分為管單元方法、殼單元方法、實體單元方法及混合單元方法，但無論哪種數(shù)值分析方法，目前的數(shù)值分析模型還是以直管段穿越斷層模型為主，直管穿越斷層模型仍為現(xiàn)行國標GB50470《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》中采用方法，如圖1所示。通過以往大量的工程實踐，總結(jié)了很多管道穿越活動斷層的敷設(shè)措施，包括采用變形適應(yīng)能力更強的大應(yīng)變鋼管、調(diào)整管道穿越斷層角度、降低土體對管道約束等。但是上述直管穿越斷層模型在實際工程應(yīng)用中仍存在一些問題，一種情況是在復(fù)雜地形約束條件下，管道在穿越斷層附近可能必須要設(shè)置管道轉(zhuǎn)角，另一種情況是由于逆斷層位錯量非常大，無論采取何種已知的敷設(shè)措施，直管敷設(shè)穿越斷層也不能滿足校核要求。對于上述兩種直管模型難以解決的工程實際問題，目前國內(nèi)外已經(jīng)有一些文獻提出采用補償?shù)慕鉀Q思路，國外傾向于采用地上補償結(jié)構(gòu)方式解決，而國內(nèi)更傾向于采用地下補償結(jié)構(gòu)方式解決，但無論是地上補償結(jié)構(gòu)方式還是地下補償結(jié)構(gòu)方式，均未對具體如何設(shè)置補償結(jié)構(gòu)進行描述。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺點：(1)現(xiàn)有技術(shù)的分析模型中不能考慮彎管補償結(jié)構(gòu)措施，該彎管補償結(jié)構(gòu)用于吸收斷層位錯施加到管道上的作用，在這種情況下，對于必須設(shè)置彎管轉(zhuǎn)角的工程應(yīng)用中，現(xiàn)有技術(shù)難以做出評價；(2)對于管道穿越位錯值較大的活動逆斷層時，現(xiàn)有技術(shù)通常是采取各種常規(guī)敷設(shè)措施后，仍不能通過校核。技術(shù)實現(xiàn)要素：為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種埋地管道通過活動逆斷層的設(shè)計方法，為管道穿越活動逆斷層工程問題提供了一種技術(shù)方法，使得在穿越活動斷層管道敷設(shè)中可以定量分析彎管補償結(jié)構(gòu)對穿越斷層管道的影響，從而使得管道能夠穿越位錯值較大的活動逆斷層。本發(fā)明提供了一種埋地管道通過活動逆斷層的設(shè)計方法，該方法包括：步驟1，獲取油氣管道參數(shù)、地震斷層參數(shù)、管道敷設(shè)參數(shù)和管道布置參數(shù)；步驟2，根據(jù)步驟1中的各個參數(shù)，采用有限元法建立包含補償彎管的通過活動斷層管道數(shù)值模型，兩個補償彎管分別位于斷層兩側(cè)；步驟3，采用步驟2中建立的通過活動斷層管道數(shù)值模型計算管道在斷層作用下的最大軸向應(yīng)變；步驟4，判斷步驟3中計算的最大軸向應(yīng)變是否滿足允許軸向應(yīng)變要求，如果不滿足要求則進行步驟5，如果滿足要求則進行步驟6；步驟5，調(diào)整油氣管道參數(shù)、管道敷設(shè)參數(shù)和管道布置參數(shù)，并重新進行步驟2-4直至最大軸向應(yīng)變滿足允許軸向應(yīng)變要求；步驟6，根據(jù)滿足允許應(yīng)變要求的通過活動斷層管道數(shù)值模型，規(guī)定具體的敷設(shè)措施要求，包括對應(yīng)的鋼管參數(shù)、管道敷設(shè)參數(shù)和管道布置參數(shù)。作為本發(fā)明進一步的改進，步驟1中，管道參數(shù)包括管道外徑、管道壁厚、彎管壁厚、設(shè)計壓力、鋼管材質(zhì)和管材的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，地震斷層參數(shù)包括斷層性質(zhì)、斷層傾角、預(yù)測垂直位錯和預(yù)測水平位錯，管道敷設(shè)參數(shù)包括管頂埋深、回填土性質(zhì)、管與土摩擦系數(shù)、土壤有效重度、土壤內(nèi)摩擦角和土壤粘聚力，管道布置參數(shù)包括管道與斷層夾角、補償彎管角度、補償彎管位置和彎管曲率半徑。作為本發(fā)明進一步的改進，管道與斷層夾角為30°-90°，補償彎管角度為30°-90°，兩個補償彎管分別位于斷裂帶穿越點兩側(cè)。作為本發(fā)明進一步的改進，步驟2，所述活動斷層數(shù)值模型中，管道采用管單元或者殼單元模擬，土壤對管道作用采用三組相互正交的非線性彈簧模擬，三組彈簧方向分別平行于所處節(jié)點位置的管道軸向、水平橫向和垂直縱向。作為本發(fā)明進一步的改進，步驟3中，分別針對無壓工況和有壓工況進行加載，斷層位移按照任意點位置三組彈簧方向分解并加載，設(shè)定考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性特性對活動斷層數(shù)值模型求解，得到斷層作用下管道軸向上產(chǎn)生的最大軸向拉伸應(yīng)變和最大軸向壓縮應(yīng)變。作為本發(fā)明進一步的改進，管道水平布置，斷層位移在任意點位置三組彈簧方向的分解關(guān)系為：軸向彈簧施加位錯值為：UX＝Hx*COS(θ)-Hy*SIN(θ)；水平橫向彈簧施加位錯值為：UY＝Hx*SIN(θ)+Hy*COS(θ)；垂直縱向彈簧施加位錯值為：UZ＝V；式中，θ為任意點位置三組彈簧特定局部坐標與全局坐標系夾角；Hx為任意點位置斷層水平位錯在全局坐標系下X軸方向分量；Hy為任意點位置斷層水平位錯在全局坐標系下Y軸方向分量；V為任意點位置斷層垂直位錯在全局坐標系下Z軸方向分量。本發(fā)明的有益效果為：1、在穿越斷層管道模型中引入了補償彎管結(jié)構(gòu)，使得分析模型可以定量分析彎管補償結(jié)構(gòu)對穿越斷層埋地管道的影響，使管道可以埋地穿越位錯值較大的活動逆斷層；2、采用三組彈簧在彎管段的建模方法和位移分解加載方法，保證了任意位置管道方向與三組正交彈簧方向的對照性，以及位移加載的合理性；3、為穿越斷層管道提供了更多的管道布置措施選擇，大幅提升了穿越逆斷層管道吸收軸向壓縮位移的能力；4、提出了一種帶補償埋地管道穿越活動逆斷層的完整設(shè)計方法和流程。附圖說明圖1為現(xiàn)有技術(shù)中管道穿越斷層管道有限元模型示意圖；圖2為本發(fā)明實施例所述的一種埋地管道通過活動逆斷層的設(shè)計方法流程示意圖；圖3為正斷層(左圖)與逆斷層(右圖)位錯位移方向示意圖；圖4為本發(fā)明的帶補償彎管的穿越活動斷層有限元模型的平面示意圖；圖5為任意節(jié)點位置三組彈簧方向示意圖；圖6為三組彈簧(水平橫向彈簧、軸向彈簧、垂直縱向彈簧)的特征數(shù)據(jù)曲線示意圖。具體實施方式下面通過具體的實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細描述。如圖1所示，本發(fā)明實施例所述的一種埋地管道通過活動逆斷層的設(shè)計方法，該方法包括：步驟1，獲取油氣管道參數(shù)、地震斷層參數(shù)、管道敷設(shè)參數(shù)和管道布置參數(shù)，為下一步數(shù)值建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息。管道參數(shù)包括管道外徑、管道壁厚、彎管壁厚、設(shè)計壓力、鋼管材質(zhì)和管材的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，地震斷層參數(shù)包括斷層性質(zhì)、斷層傾角、預(yù)測垂直位錯和預(yù)測水平位錯，管道敷設(shè)參數(shù)包括管頂埋深、回填土性質(zhì)、管與土摩擦系數(shù)、土壤有效重度、土壤內(nèi)摩擦角和土壤粘聚力，管道布置參數(shù)包括管道與斷層夾角、補償彎管角度、補償彎管位置和彎管曲率半徑。本實施例中采用的各個參數(shù)如表1所示，應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)如表2所示。表1管道參數(shù)、地震斷層參數(shù)、管道敷設(shè)參數(shù)及管道布置參數(shù)表其中，預(yù)測垂直位錯和預(yù)測水平位錯方向如圖3所示。表2應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)表編號應(yīng)變(％)應(yīng)力(MPa)編號應(yīng)變(％)應(yīng)力(MPa)10.00000.090.7000548.620.2400455.8100.8000555.130.2920486.2110.9000560.740.3440503.0121.0000565.550.3960514.5132.0000594.860.4480523.1143.0000611.170.5000530.1154.0000622.580.6000540.5168.0000650.0步驟2，根據(jù)步驟1中的各個參數(shù)(即表1和表2的參數(shù))，采用有限元法建立包含補償彎管的通過活動斷層管道數(shù)值模型，為管道通過活動斷層數(shù)值模型提出針對性要求。模型中在指定位置包含指定角度的補償彎管，兩個補償彎管分別位于斷層兩側(cè)。采用ANSYS模塊建模，建立的帶補償彎管的穿越活動斷層有限元模型見圖4，其中，補償彎管位置距離斷裂帶L1＝L2＝100m，補償彎管角度a1＝a2＝60°，管道與斷層夾角β＝45°，彎管曲率半徑R＝6DN。管道采用ELBOW290單元模擬，土壤對管道作用采用三組相互正交的COMBIN39單元模擬，三組彈簧旋轉(zhuǎn)至所在節(jié)點位置的特定局部坐標系，使三組彈簧方向分別平行于所處節(jié)點位置的管道軸向、水平橫向和垂直縱向，任意節(jié)點位置三組彈簧方向示意如圖5所示。三組彈簧特征值采用《埋地管道設(shè)計指南》(July2001)附錄B推薦方法確定，結(jié)合本實施例的管道埋深及回填土參數(shù)，三組彈簧特性計算結(jié)果如圖6和表3所示。表3三組彈簧特征數(shù)據(jù)計算結(jié)果表方向極限抗力(kN/m)位移(mm)軸向彈簧273側(cè)向彈簧21489垂直向上3216垂直向下893122步驟3，采用步驟2中建立的通過活動斷層管道數(shù)值模型計算管道在斷層作用下的最大軸向應(yīng)變，對斷層位移的加載方式、模型求解設(shè)定以及結(jié)果提取做了具體規(guī)定，為下一步管道受力校核提供判斷指標。分別針對無壓工況和有壓工況進行加載，斷層位移按照任意點位置三組彈簧方向分解并加載，設(shè)定考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性特性對活動斷層數(shù)值模型求解，得到斷層作用下管道軸向上產(chǎn)生的最大軸向拉伸應(yīng)變和最大軸向壓縮應(yīng)變。本實施例中的管道水平布置，斷層位移在任意點位置三組彈簧方向的分解關(guān)系為：軸向彈簧施加位錯值為：UX＝Hx*COS(θ)-Hy*SIN(θ)；水平橫向彈簧施加位錯值為：UY＝Hx*SIN(θ)+Hy*COS(θ)；垂直縱向彈簧施加位錯值為：UZ＝V；式中，θ為任意點位置三組彈簧特定局部坐標與全局坐標系夾角；Hx為任意點位置斷層水平位錯在全局坐標系下X軸方向分量；Hy為任意點位置斷層水平位錯在全局坐標系下Y軸方向分量；V為任意點位置斷層垂直位錯在全局坐標系下Z軸方向分量。得到的斷層作用下管道軸向最大軸向壓縮應(yīng)變和最大軸向拉伸應(yīng)變?nèi)绫?所示。表4斷層作用下管道最大軸向應(yīng)變結(jié)果表步驟4，判斷步驟3中計算的最大軸向應(yīng)變是否滿足允許軸向應(yīng)變要求，如果不滿足要求則進行步驟5，如果滿足要求則進行步驟6，將該分析方案為一種可行敷設(shè)方案。最大應(yīng)變值一般按照工程項目所執(zhí)行標準規(guī)定。本實施例中規(guī)定的斷層作用下管道允許的最大軸向壓縮應(yīng)變和軸向拉伸應(yīng)變?nèi)绫?所示。表5管道在斷層位移作用下的容許最大應(yīng)變編號工況說明加載情況允許壓縮允許拉伸備注1無壓工況斷層位移-0.65％1.61％0MPa2有壓工況內(nèi)壓及斷錯-0.90％1.34％12MPa初始管道布置條件下，斷層作用下管道最大軸向應(yīng)變結(jié)果與校核如表6所示。表6斷層作用下管道最大軸向應(yīng)變結(jié)果及校核表-1編號工況說明加載情況壓縮應(yīng)變拉伸應(yīng)變允許壓縮允許拉伸校核1無壓工況斷層位移-1.02％0.60％-0.65％1.61％×2有壓工況內(nèi)壓及斷錯-1.26％0.77％-0.90％1.34％×從表6可以看出，最大軸向應(yīng)變不滿足允許軸向應(yīng)變要求，因此進行下一步驟5。步驟5，調(diào)整油氣管道參數(shù)、管道敷設(shè)參數(shù)和管道布置參數(shù)，并重新進行步驟2-4直至最大軸向應(yīng)變滿足允許軸向應(yīng)變要求，得到可行的敷設(shè)方案。具體的，將管道與斷層夾角β從之前的45°調(diào)整為90°，重新分析獲得結(jié)果并校核，結(jié)果如表7所示。表7斷層作用下管道最大軸向應(yīng)變結(jié)果及校核表-2編號工況說明加載情況壓縮應(yīng)變拉伸應(yīng)變允許壓縮允許拉伸校核1無壓工況斷層位移-0.96％0.48％-0.65％1.61％×2有壓工況內(nèi)壓及斷錯-1.32％0.62％-0.90％1.34％×從表7看出，調(diào)整管道與斷層夾角β之后，最大軸向應(yīng)變還是不滿足允許軸向應(yīng)變要求，繼續(xù)進行參數(shù)調(diào)整。進一步的，將補償彎管角度a1、a2從之前的60°調(diào)整為80°，重新分析獲得結(jié)果并校核，結(jié)果如表8所示。表8斷層作用下管道最大軸向應(yīng)變結(jié)果及校核表-3從表8看出，調(diào)整補償彎管角度之后，最大軸向應(yīng)變還是不滿足允許軸向應(yīng)變要求，繼續(xù)進行參數(shù)調(diào)整。進一步的，將補償彎管位置L1、L2從之前的100m調(diào)整為50m，重新分析獲得結(jié)果并校核，結(jié)果如表9所示。表9斷層作用下管道最大軸向應(yīng)變結(jié)果及校核表-4編號工況說明加載情況壓縮應(yīng)變拉伸應(yīng)變允許壓縮允許拉伸校核1無壓工況斷層位移-0.50％0.32％-0.65％1.61％√2有壓工況內(nèi)壓及斷錯-0.56％0.41％-0.90％1.34％√從表9可以看出，調(diào)整補償彎管位置之后，最大軸向應(yīng)變滿足要求。步驟6，根據(jù)滿足允許軸向應(yīng)變要求的通過活動斷層管道數(shù)值模型，得到具體的敷設(shè)措施要求，包括對應(yīng)的鋼管參數(shù)、管道敷設(shè)參數(shù)和管道布置參數(shù)。根據(jù)前述步驟的參數(shù)可得到本實施例的具體敷設(shè)措施要求，包括：管道以90°角度穿越該斷層，在穿越斷層兩側(cè)各50m位置設(shè)置補償彎管，補償彎管曲率半徑為6DN，彎管角度為80°，其它管道及敷設(shè)要求如表1所示。本發(fā)明采用不同的有限元模塊可同樣實現(xiàn)補償彎管結(jié)構(gòu)穿越活動逆斷層的模型建立，盡管其采用的有限元單元可能不同，但都是采用補償彎管結(jié)構(gòu)吸收斷層作用在管道軸向的壓縮作用，將土壤對管道的作用簡化為三組正交彈簧，在彎管位置依據(jù)所在位置的管道方向布置彈簧，并實施斷層位移分解加載。本發(fā)明在穿越活動斷層管道敷設(shè)中可以定量分析彎管補償結(jié)構(gòu)對穿越斷層管道的影響，使得管道可以穿越位錯值較大的活動逆斷層，為解決管道穿越活動逆斷層工程問題提供了一種方法，提高了此類工程方案的安全可靠性和經(jīng)濟合理性。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3