一种埋地管道通过活动逆断层的设计方法与流程

本发明涉及油气管道
技术领域：
，具体而言，涉及一种埋地管道通过活动逆断层的设计方法。
背景技术：
：随着油气管道工程的建设，越来越多的管道项目需要穿越地震活动断层，在预期的管道寿命周期内，活动断层可能发生错动对运营管道造成破坏，这要求管道设计中要对管道穿越活动断层做充分的分析并采取适当的敷设措施，以保证穿越活动断层管道在运营期间的安全，而管道如何穿越地震活动断层能够保证管道的安全，采取何种敷设措施更加经济合理，需要有一套科学合理的分析方法和计算工具。近年来，国内外对管道如何穿越地震活动断层问题进行了大量的研究，对于管道穿越活动断层，目前已经形成了一套较为成熟的分析模型和设计方法。目前管道穿越断层的设计方法大致可分为两类，一类是公式法，一类是数值分析法，无论是公式法还是数值分析法采用的基本上都是基于应变的校核准则。其中，公式法难以反映管道在断层位错下材料的塑性和结构的几何非线性，对于重要的管道工程这类方法显得过于粗略；数值分析方法中又分为管单元方法、壳单元方法、实体单元方法及混合单元方法，但无论哪种数值分析方法，目前的数值分析模型还是以直管段穿越断层模型为主，直管穿越断层模型仍为现行国标GB50470《油气输送管道线路工程抗震技术规范》中采用方法，如图1所示。通过以往大量的工程实践，总结了很多管道穿越活动断层的敷设措施，包括采用变形适应能力更强的大应变钢管、调整管道穿越断层角度、降低土体对管道约束等。但是上述直管穿越断层模型在实际工程应用中仍存在一些问题，一种情况是在复杂地形约束条件下，管道在穿越断层附近可能必须要设置管道转角，另一种情况是由于逆断层位错量非常大，无论采取何种已知的敷设措施，直管敷设穿越断层也不能满足校核要求。对于上述两种直管模型难以解决的工程实际问题，目前国内外已经有一些文献提出采用补偿的解决思路，国外倾向于采用地上补偿结构方式解决，而国内更倾向于采用地下补偿结构方式解决，但无论是地上补偿结构方式还是地下补偿结构方式，均未对具体如何设置补偿结构进行描述。综上所述，现有技术存在以下缺点：(1)现有技术的分析模型中不能考虑弯管补偿结构措施，该弯管补偿结构用于吸收断层位错施加到管道上的作用，在这种情况下，对于必须设置弯管转角的工程应用中，现有技术难以做出评价；(2)对于管道穿越位错值较大的活动逆断层时，现有技术通常是采取各种常规敷设措施后，仍不能通过校核。技术实现要素：为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种埋地管道通过活动逆断层的设计方法，为管道穿越活动逆断层工程问题提供了一种技术方法，使得在穿越活动断层管道敷设中可以定量分析弯管补偿结构对穿越断层管道的影响，从而使得管道能够穿越位错值较大的活动逆断层。本发明提供了一种埋地管道通过活动逆断层的设计方法，该方法包括：步骤1，获取油气管道参数、地震断层参数、管道敷设参数和管道布置参数；步骤2，根据步骤1中的各个参数，采用有限元法建立包含补偿弯管的通过活动断层管道数值模型，两个补偿弯管分别位于断层两侧；步骤3，采用步骤2中建立的通过活动断层管道数值模型计算管道在断层作用下的最大轴向应变；步骤4，判断步骤3中计算的最大轴向应变是否满足允许轴向应变要求，如果不满足要求则进行步骤5，如果满足要求则进行步骤6；步骤5，调整油气管道参数、管道敷设参数和管道布置参数，并重新进行步骤2-4直至最大轴向应变满足允许轴向应变要求；步骤6，根据满足允许应变要求的通过活动断层管道数值模型，规定具体的敷设措施要求，包括对应的钢管参数、管道敷设参数和管道布置参数。作为本发明进一步的改进，步骤1中，管道参数包括管道外径、管道壁厚、弯管壁厚、设计压力、钢管材质和管材的应力应变数据，地震断层参数包括断层性质、断层倾角、预测垂直位错和预测水平位错，管道敷设参数包括管顶埋深、回填土性质、管与土摩擦系数、土壤有效重度、土壤内摩擦角和土壤粘聚力，管道布置参数包括管道与断层夹角、补偿弯管角度、补偿弯管位置和弯管曲率半径。作为本发明进一步的改进，管道与断层夹角为30°-90°，补偿弯管角度为30°-90°，两个补偿弯管分别位于断裂带穿越点两侧。作为本发明进一步的改进，步骤2，所述活动断层数值模型中，管道采用管单元或者壳单元模拟，土壤对管道作用采用三组相互正交的非线性弹簧模拟，三组弹簧方向分别平行于所处节点位置的管道轴向、水平横向和垂直纵向。作为本发明进一步的改进，步骤3中，分别针对无压工况和有压工况进行加载，断层位移按照任意点位置三组弹簧方向分解并加载，设定考虑结构的几何非线性特性对活动断层数值模型求解，得到断层作用下管道轴向上产生的最大轴向拉伸应变和最大轴向压缩应变。作为本发明进一步的改进，管道水平布置，断层位移在任意点位置三组弹簧方向的分解关系为：轴向弹簧施加位错值为：UX＝Hx*COS(θ)-Hy*SIN(θ)；水平横向弹簧施加位错值为：UY＝Hx*SIN(θ)+Hy*COS(θ)；垂直纵向弹簧施加位错值为：UZ＝V；式中，θ为任意点位置三组弹簧特定局部坐标与全局坐标系夹角；Hx为任意点位置断层水平位错在全局坐标系下X轴方向分量；Hy为任意点位置断层水平位错在全局坐标系下Y轴方向分量；V为任意点位置断层垂直位错在全局坐标系下Z轴方向分量。本发明的有益效果为：1、在穿越断层管道模型中引入了补偿弯管结构，使得分析模型可以定量分析弯管补偿结构对穿越断层埋地管道的影响，使管道可以埋地穿越位错值较大的活动逆断层；2、采用三组弹簧在弯管段的建模方法和位移分解加载方法，保证了任意位置管道方向与三组正交弹簧方向的对照性，以及位移加载的合理性；3、为穿越断层管道提供了更多的管道布置措施选择，大幅提升了穿越逆断层管道吸收轴向压缩位移的能力；4、提出了一种带补偿埋地管道穿越活动逆断层的完整设计方法和流程。附图说明图1为现有技术中管道穿越断层管道有限元模型示意图；图2为本发明实施例所述的一种埋地管道通过活动逆断层的设计方法流程示意图；图3为正断层(左图)与逆断层(右图)位错位移方向示意图；图4为本发明的带补偿弯管的穿越活动断层有限元模型的平面示意图；图5为任意节点位置三组弹簧方向示意图；图6为三组弹簧(水平横向弹簧、轴向弹簧、垂直纵向弹簧)的特征数据曲线示意图。具体实施方式下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。如图1所示，本发明实施例所述的一种埋地管道通过活动逆断层的设计方法，该方法包括：步骤1，获取油气管道参数、地震断层参数、管道敷设参数和管道布置参数，为下一步数值建模提供基础数据和信息。管道参数包括管道外径、管道壁厚、弯管壁厚、设计压力、钢管材质和管材的应力应变数据，地震断层参数包括断层性质、断层倾角、预测垂直位错和预测水平位错，管道敷设参数包括管顶埋深、回填土性质、管与土摩擦系数、土壤有效重度、土壤内摩擦角和土壤粘聚力，管道布置参数包括管道与断层夹角、补偿弯管角度、补偿弯管位置和弯管曲率半径。本实施例中采用的各个参数如表1所示，应力应变数据如表2所示。表1管道参数、地震断层参数、管道敷设参数及管道布置参数表其中，预测垂直位错和预测水平位错方向如图3所示。表2应力应变数据表编号应变(％)应力(MPa)编号应变(％)应力(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步骤2，根据步骤1中的各个参数(即表1和表2的参数)，采用有限元法建立包含补偿弯管的通过活动断层管道数值模型，为管道通过活动断层数值模型提出针对性要求。模型中在指定位置包含指定角度的补偿弯管，两个补偿弯管分别位于断层两侧。采用ANSYS模块建模，建立的带补偿弯管的穿越活动断层有限元模型见图4，其中，补偿弯管位置距离断裂带L1＝L2＝100m，补偿弯管角度a1＝a2＝60°，管道与断层夹角β＝45°，弯管曲率半径R＝6DN。管道采用ELBOW290单元模拟，土壤对管道作用采用三组相互正交的COMBIN39单元模拟，三组弹簧旋转至所在节点位置的特定局部坐标系，使三组弹簧方向分别平行于所处节点位置的管道轴向、水平横向和垂直纵向，任意节点位置三组弹簧方向示意如图5所示。三组弹簧特征值采用《埋地管道设计指南》(July2001)附录B推荐方法确定，结合本实施例的管道埋深及回填土参数，三组弹簧特性计算结果如图6和表3所示。表3三组弹簧特征数据计算结果表方向极限抗力(kN/m)位移(mm)轴向弹簧273侧向弹簧21489垂直向上3216垂直向下893122步骤3，采用步骤2中建立的通过活动断层管道数值模型计算管道在断层作用下的最大轴向应变，对断层位移的加载方式、模型求解设定以及结果提取做了具体规定，为下一步管道受力校核提供判断指标。分别针对无压工况和有压工况进行加载，断层位移按照任意点位置三组弹簧方向分解并加载，设定考虑结构的几何非线性特性对活动断层数值模型求解，得到断层作用下管道轴向上产生的最大轴向拉伸应变和最大轴向压缩应变。本实施例中的管道水平布置，断层位移在任意点位置三组弹簧方向的分解关系为：轴向弹簧施加位错值为：UX＝Hx*COS(θ)-Hy*SIN(θ)；水平横向弹簧施加位错值为：UY＝Hx*SIN(θ)+Hy*COS(θ)；垂直纵向弹簧施加位错值为：UZ＝V；式中，θ为任意点位置三组弹簧特定局部坐标与全局坐标系夹角；Hx为任意点位置断层水平位错在全局坐标系下X轴方向分量；Hy为任意点位置断层水平位错在全局坐标系下Y轴方向分量；V为任意点位置断层垂直位错在全局坐标系下Z轴方向分量。得到的断层作用下管道轴向最大轴向压缩应变和最大轴向拉伸应变如表4所示。表4断层作用下管道最大轴向应变结果表步骤4，判断步骤3中计算的最大轴向应变是否满足允许轴向应变要求，如果不满足要求则进行步骤5，如果满足要求则进行步骤6，将该分析方案为一种可行敷设方案。最大应变值一般按照工程项目所执行标准规定。本实施例中规定的断层作用下管道允许的最大轴向压缩应变和轴向拉伸应变如表5所示。表5管道在断层位移作用下的容许最大应变编号工况说明加载情况允许压缩允许拉伸备注1无压工况断层位移-0.65％1.61％0MPa2有压工况内压及断错-0.90％1.34％12MPa初始管道布置条件下，断层作用下管道最大轴向应变结果与校核如表6所示。表6断层作用下管道最大轴向应变结果及校核表-1编号工况说明加载情况压缩应变拉伸应变允许压缩允许拉伸校核1无压工况断层位移-1.02％0.60％-0.65％1.61％×2有压工况内压及断错-1.26％0.77％-0.90％1.34％×从表6可以看出，最大轴向应变不满足允许轴向应变要求，因此进行下一步骤5。步骤5，调整油气管道参数、管道敷设参数和管道布置参数，并重新进行步骤2-4直至最大轴向应变满足允许轴向应变要求，得到可行的敷设方案。具体的，将管道与断层夹角β从之前的45°调整为90°，重新分析获得结果并校核，结果如表7所示。表7断层作用下管道最大轴向应变结果及校核表-2编号工况说明加载情况压缩应变拉伸应变允许压缩允许拉伸校核1无压工况断层位移-0.96％0.48％-0.65％1.61％×2有压工况内压及断错-1.32％0.62％-0.90％1.34％×从表7看出，调整管道与断层夹角β之后，最大轴向应变还是不满足允许轴向应变要求，继续进行参数调整。进一步的，将补偿弯管角度a1、a2从之前的60°调整为80°，重新分析获得结果并校核，结果如表8所示。表8断层作用下管道最大轴向应变结果及校核表-3从表8看出，调整补偿弯管角度之后，最大轴向应变还是不满足允许轴向应变要求，继续进行参数调整。进一步的，将补偿弯管位置L1、L2从之前的100m调整为50m，重新分析获得结果并校核，结果如表9所示。表9断层作用下管道最大轴向应变结果及校核表-4编号工况说明加载情况压缩应变拉伸应变允许压缩允许拉伸校核1无压工况断层位移-0.50％0.32％-0.65％1.61％√2有压工况内压及断错-0.56％0.41％-0.90％1.34％√从表9可以看出，调整补偿弯管位置之后，最大轴向应变满足要求。步骤6，根据满足允许轴向应变要求的通过活动断层管道数值模型，得到具体的敷设措施要求，包括对应的钢管参数、管道敷设参数和管道布置参数。根据前述步骤的参数可得到本实施例的具体敷设措施要求，包括：管道以90°角度穿越该断层，在穿越断层两侧各50m位置设置补偿弯管，补偿弯管曲率半径为6DN，弯管角度为80°，其它管道及敷设要求如表1所示。本发明采用不同的有限元模块可同样实现补偿弯管结构穿越活动逆断层的模型建立，尽管其采用的有限元单元可能不同，但都是采用补偿弯管结构吸收断层作用在管道轴向的压缩作用，将土壤对管道的作用简化为三组正交弹簧，在弯管位置依据所在位置的管道方向布置弹簧，并实施断层位移分解加载。本发明在穿越活动断层管道敷设中可以定量分析弯管补偿结构对穿越断层管道的影响，使得管道可以穿越位错值较大的活动逆断层，为解决管道穿越活动逆断层工程问题提供了一种方法，提高了此类工程方案的安全可靠性和经济合理性。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3