本发明涉及油气管道穿跨越
技术领域：
，特别涉及一种管道穿越走滑断层的设计方法。
背景技术：
：石油与天然气作为国家战略能源，在过去几十年间需求量不断增加。作为生命线工程之一的埋地管道担负着油气资源的主要输送任务，为我国生产建设、经济发展和社会稳定提供重要的能源保障。长输油气管道在建设和运行过程中，因自然环境变化可能遭受各种不良地质条件侵害，给管道安全运行带来了严重威胁。地震是对社会和人类危害最大的突发性自然灾害，我国作为世界上地震活动较强烈的国家地震灾害是我国最严重的自然灾害之一。根据大量震害统计资料，管道的破坏主要来自两个方面：一个方面是由于波动影响而产生的管道破坏，另一个方面是由于大变形产生的管道破坏，而管道通过断裂带的破坏是典型的大变形破坏实例。当长输埋地管道跨越断层时，由于断层区地面发生较大错动，埋地管道会随着土体的变形而变形，并且受到来自管道横向和轴向的土反力作用。当管道受拉时，若拉伸应变超过极限值，管道就会破坏；当管道受压时，会由于薄壳失稳而造成屈曲破坏。理论上，减小埋深、提高管材的延性、改变断层平面与管轴之间的夹角、选择管道穿越断层的位置、增加管道的壁厚、调整锚固点及固定墩的位置等措施可以减小地震对管道的威胁。地下管道由于受到环境荷载作用、腐蚀效应、疲劳效应和材料老化等不利因素的影响，严重的削弱了管道的抗震能力。如何避免管道发生破坏，一直是工程设计人员研究的课题。对于跨断层埋地管道，主要包括如下抗震措施：1)埋置管线时，尽量避开活断层地带。如必须通过，充分利用现有的活断层资料或地震安全性评价结果，进行抗震设防，同时正确选择管道与断层交角，使管线在断层运动时受拉，避免受压。由于断层走向的预测结果与实际情况相比有一定的误差，因此不能仅靠选择合适的管道与断层交角来达到抗震目的。2)管线应尽量浅埋，且宜埋设在松散或中等密度的非粘性土中，以利于降低发生断层运动时土壤对管线的约束力。减小管道与土壤之间接触面的摩擦角可以增大管道承受断层位移的能力，例如在与断层交会处附近管道采用环氧树脂套层。松散的砂在水平载荷时压实，在密实过程中，摩擦角增加，产生的最大管力与初始密度较高的砂的情况一致。减小管道与土壤之间的摩擦角是有利的，但其主要体现在轴向，而土壤对管道的横向抗力改变不大。3)使用抗震性能好(强度高、延性好)的管材。较大的壁厚是管道受拉时影响管道反应的最主要有利因素。在管道受压缩的情况下，直径与壁厚之比越小越有利，故实际工程中宜采用延性好的厚壁管道。厚壁管道可以大大提高管道抗震能力，但是厚度增加是有限度的，对于大的错动，可能不满足要求。4)管道适应断层的能力和管道与土体间的摩擦系数、回填土的容重成反比，应尽量选择摩擦系数和回填土的容重低的土料作为回填土。一般来说，管道经过活动断层处的回填土宜采用疏松至中等密度、无粘性的土料。5)实际锚固点即固定墩的位置应该尽量远离断层，每侧至少距离断层1.5Le(Lt)—2.0Le(Lt)。其中，Le为管道弹性部分的滑动长度，Lt为断层一侧管道的滑动长度。若管道有足够的滑动长度，即为管道提供了允许的错动位移，可以避免由于断层横向错动使管道剪断。增加非锚固长度可以增加管道对断层运动的承受力。但是，通常只在长度达到离断层大约200米时见效，长度继续增加就只会产生很小的附加能力(包括横向和轴向)。由此可见，在大的断层错动下，上述措施可能无法满足要求，即目前尚无可靠有效的抗震措施。随着社会的发展，管道功能要求越来越高，许多重要的、危险的长输管道(输送介质为有毒、有害、易燃、易爆)对管道的抗震性能提出了更高的要求，由于地震的断层的不可预见性以及管道地震反应的复杂性使得传统的抗震结构和抗震方法未必有效。当地震发生时，管道周围的土壤载荷作用在管道上，依然会使管道发生横向位移、纵向位移以及空间位移等复杂的位移形式，造成管道的失稳破坏。鉴于埋地管线在断层作用下表现出来的脆弱性，以及其破坏对社会产生的巨大危害性，我们有必要采取更可靠有效的措施来提高和保证跨断层埋地管线在断层错动下的抗震安全性。自我国颁布《规范》和《导则》以来，我国的管道抗震设计水平有所提高，但是许多新的研究成果还没有纳入规范，例如地震工程界新的研究表明，当断裂带发生突然的错动时，若地表土层具有一定的厚度，则地表破裂面的破裂角、破裂方向、位移量均与基岩不同。这个结果说明场地条件不但影响地震反应谱，而且影响地表破裂面及位移幅值，同样若对于不同的活动断层类型(例如正断层、走滑断层、逆断层等)，由于具有一定厚度土层的地面破裂面不同，管道的抗震设计方法也存在着巨大的差异。对于长输管道穿越走滑断层区，比较经典的方法是Newmark方法和kennedy方法，目前美国和我国在规范中依旧采用Newmark方法。但是其分析的结果与实际测试情况误差较大，不仅无法给予行之有效的管道抗震设计方法，而且也容易造成成本浪费，并耗费了大量的人力和物力。技术实现要素：为了解决现有长输管道穿越走滑断层的抗震设计误差大、易浪费成本等问题，本发明提供了一种管道穿越走滑断层的设计方法，包括：计算走滑断层所在地表最大位错量，并确定回填土土壤类型、管道埋深、管道与土壤接触面的类型、走滑断层与管道的夹角；获取穿越所述走滑断层的管道参数，并计算平行于管道轴向的断层位移和管道法线方向上的断层位移；建立管道穿越所述走滑断层的有限元模型，并利用获取的管道参数对所述有限元模型进行参数化处理；利用所述有限元模型模拟所述走滑断层滑移时的管道最大应变，并根据模拟结果建立管道穿越所述走滑断层的最大应变经验公式，对所述经验公式中的待定参数进行拟合，得到管道穿越走滑断层的最大应变与各个参数的具体数值关系。所述利用所述有限元模型模拟所述走滑断层滑移时的管道最大应变，并根据模拟结果建立管道穿越所述走滑断层的最大应变经验公式的步骤具体为：将不同的管材应力-应变关系曲线、管径D、壁厚t等参数引入有限元模型，得到不同工况下管道穿越走滑断层的最大应变；根据不同的最大应变，建立管道穿越走滑断层的最大应变ε经验公式，具体如下：1)当走滑断层与管道的夹角小于90度时：2)当走滑断层与管道的夹角大于90度时：其中：x1,x2,...x14为待定系数；D为管道直径，单位为m；t为管道壁厚，单位为m；f为走滑断层位移，单位为m；α为走滑断层与管道的夹角，单位为弧度；p为管道内压，单位为MPa；tu为轴向土弹簧，单位为KN/m；pu为水平方向侧向土弹簧，单位为KN/m；c为回填土的特征粘结强度；H为管道中心线的埋深；γ为土壤的有效重量；fr为与管道土层界面相关的系数；φ为土壤的内摩擦角；C0～C4为与内摩擦角有关系数取值。所述最大位错量根据走滑断层所在地表的地质资料和地震数据来计算，具体计算公式为：log(M)＝-4.8+0.69Mw，其中：log(M)是以10为底数的常用对数，Mw为地震矩震级。所述回填土土壤类型包括密砂、松砂、硬粘土和松粘土；所述管道与土壤接触面的类型包括混凝土层、煤焦油、粗糙的钢表面、光滑的钢表面和熔结环氧粉末。所述管道参数包括管材应力-应变关系曲线、管径D、壁厚t、工作压力弹性模量E和管道允许的最大拉伸应变εmax；所述管材应力-应变关系曲线通过实验测得，并用Ramberg-Osgood方程进行拟合：其中：ε为应变、σ为应力、E为工作压力弹性模量、σs为屈服应力；α和N为Ramberg-Osgood参数，N为非线性项的硬化参数，α为屈服偏移量；所述最大拉伸应变εmax为：εmax＝δ(2.36-1.58λ-0.101ξη)(1+16.1λ-4.45)(-0.157+0.239ξ-0.241η-0.315)其中：λ为屈强比，η为缺欠深度与壁厚比率，ξ为缺欠长度与壁厚比率，δ为表观断裂韧度。所述建立管道穿越所述走滑断层的有限元模型，并利用获取的管道参数对所述有限元模型进行参数化处理的步骤具体包括：利用有限元软件建立有限元模型，并在建立有限元模型过程中，根据走滑断层所在地表位错量，将距离走滑断层较远的管道采用管单元离散，将走滑断层附近的管道采用弯管单元离散；将回填土土壤类型、管道埋深、管道与土壤接触面的类型、走滑断层与管道的夹角、走滑断层的断层位移和获取的管道参数引入有限元模型，实现对有限元模型的参数化处理。本发明提供的管道穿越走滑断层的设计方法，通过建立有限元模型模拟走滑断层发生滑移后管道的实际变化情况，拟合出了适用于走滑断层中的管道设计公式，从而准确地设计出与特定条件的断层相对应的管道；各项环节紧密相扣，逻辑通顺，构思严谨，对于走滑断层中的管道设计具有很好的指导意义，完全满足了实际的技术需求。附图说明图1是本发明实施例管道穿越走滑断层的设计方法流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。本发明实施例主要应用于活动断层类型为走滑断层时，如何设计适合的管道安装到其中，以使走滑断层中的管道具有很好的抗震性能。本发明实施例提供的管道穿越走滑断层的设计方法，具体包括如下步骤：步骤S1：计算走滑断层所在地表最大位错量M，并确定回填土土壤类型、管道埋深、管道与土壤接触面的类型、走滑断层与管道的夹角。最大位错量M需要根据走滑断层所在地表的地质资料和地震数据来计算，计算公式为：log(M)＝-4.8+0.69Mw(log(M)是以10为底数的常用对数，Mw为地震矩震级)。回填土土壤类型包括密砂、松砂、硬粘土和松粘土。管道与土壤接触面的类型包括混凝土层、煤焦油、粗糙的钢表面、光滑的钢表面和熔结环氧粉末。在实际应用中，需要根据现场实际的土壤情况来确定回填土的土壤类型、管道与土壤接触面的类型，并根据现场施工设计要求确定管道埋深、走滑断层与管道的夹角。步骤S2：获取穿越该走滑断层的管道参数。管道参数包括管材应力-应变关系曲线、管径D、壁厚t、工作压力弹性模量E和管道允许的最大拉伸应变εmax等。管材应力-应变关系曲线可以通过实验测得，用Ramberg-Osgood方程进行拟合：其中：ε为应变、σ为应力、E为工作压力弹性模量、σs为屈服应力；α和N为Ramberg-Osgood参数，N为非线性项的硬化参数，α为屈服偏移量。最大拉伸应变εmax＝δ(2.36-1.58λ-0.101ξη)(1+16.1λ-4.45)(-0.157+0.239ξ-0.241η-0.315)，其中：λ为屈强比，η为缺欠深度与壁厚比率，ξ为缺欠长度与壁厚比率，δ为表观断裂韧度，mm。步骤S3：计算平行于管道轴向的断层位移ΔX和管道法线方向上的断层位移ΔY。ΔX＝Mcosθ，ΔY＝Msinθ；其中：M为步骤S1计算的最大位错量，θ为走滑断层与管道的夹角。步骤S4：建立管道穿越走滑断层的有限元模型，并利用获取的管道参数对有限元模型进行参数化处理。利用有限元软件(例如ABAQUS)建立有限元模型。在建立有限元模型过程中，根据走滑断层所在地表位错量，将距离走滑断层较远(左右各1000米)的管道采用管单元PIPI31离散，管道单元的长度取1米；将走滑断层附近(左右各100米)的管道采用弯管单元ELBOW31离散，管道单元的长度取0.1米。将回填土土壤类型、管道埋深、管道与土壤接触面的类型、走滑断层与管道的夹角、走滑断层的断层位移和获取的管道参数引入有限元模型，实现对有限元模型的参数化处理。步骤S5：利用有限元模型模拟走滑断层滑移时的管道最大应变，并根据模拟结果建立管道穿越走滑断层的最大应变经验公式。将不同的管材应力-应变关系曲线、管径D、壁厚t等参数引入有限元模型，得到不同工况下管道穿越走滑断层的最大应变；根据不同的最大应变，建立管道穿越走滑断层的最大应变ε经验公式，具体如下：1)当走滑断层与管道的夹角小于90度时：2)当走滑断层与管道的夹角大于90度时：其中：x1,x2,...x14为待定系数；D为管道直径，单位为m；t为管道壁厚，单位为m；f为走滑断层位移，单位为m；α为走滑断层与管道的夹角，单位为弧度；p为管道内压，单位为MPa；tu为轴向土弹簧，单位为KN/m；pu为水平方向侧向土弹簧，单位为KN/m；c为回填土的特征粘结强度；H为管道中心线的埋深；γ为土壤的有效重量；fr为与管道土层界面相关的系数；φ为土壤的内摩擦角；C0～C4为与内摩擦角有关系数取值，与摩擦角有关。步骤S6：使用MATLAB中的非线性拟合工具箱对经验公式中的待定参数(x1,x2,...x14)进行拟合，得到管道穿越走滑断层的最大应变与各个参数的具体数值关系。在具体设计中，将走滑断层的最大断层位移、管道与走滑断层的夹角、管沟回填土性质等客观条件作为限制条件，同时将不同的管道参数代入最大应变经验公式中，得到管道在走滑断层下的最大应变。将该最大应变与许用应变进行比较，如果最大应变大于许用应变，则说明设计的管道参数不符合技术要求，需要重新设计管道参数；如果最大应变小于等于许用应变，则说明设计的管道参数符合技术要求，此时再结合经济因素选择最合适的管材，达到最完美的设计方案。为了便于理解本发明实施例的技术方案，也为了体现本发明实施例在管道设计方面的准确性，下面以X90钢制管道穿越走滑断层的公式拟合过程为例，来阐述本发明的实施过程，选取管道和断层参数如下：地表位错量M：0-5m；走滑断层与管道夹角：0-π(为了能够更准确的描述管道的变化以直角为界分别拟合成两个公式)；管道埋深：0-2.5m；回填土类型：松砂；管道与土壤接触面的类型：熔结环氧粉末；管径D：1219mm、1422mm；壁厚：19.1mm、23.8mm、26.4mm、33.0mm；工作压力：4MPa、8MPa、12MPa；土壤类型：回填土为中密砂土；土壤容重γ：18kN/m3；摩擦角φ：35°；侧向土压系数K0：0.5。由土壤参数得到土弹簧参数如下表1：表1序号土弹簧方向极限抗力(kN/m)屈服位移(m)1轴向47.1800.0032侧向570.8010.1223竖直向上89.4890.0254竖直向下2424.2750.122将以上参数一一组合，模拟出管道穿越该走滑断层的所有工况；将得到的所有工况数据进行拟合得到如下公式：1)当走滑断层与管道的夹角小于90度时：x1＝95.4972，x2＝-0.1977，x3＝-0.8451，x4＝0.0195，x5＝0.8515，x6＝0.0900，x7＝0.6008，x8＝1.7538×10-4，x9＝4.7833×10-5，x10＝2.5214×10-4，x11＝0.0503，x12＝-5.2163×10-8，x13＝1.0288×10-7，x14＝1.3131×10-7。2)当走滑断层与管道的夹角大于90度时：x1＝1.5453×10-9，x2＝-0.4233，x3＝-0.7434，x4＝0.8645，x5＝0.4135，x6＝0.2708，x7＝1.3674，x8＝0.0372，x9＝1，x10＝-18.3886，x11＝356.8678，x12＝1，x13＝-1.6799，x14＝0.0796。3)将公式中的已知数据代入，然后改变管材和管道参数得到管道在该断层下的最大应变，并与许用应变进行比较，若最大应变大于许用应变，则需要变换参数直到最大应变小于许用应变，同时考虑经济因素选择最合适的管材，已达到最完美的设计方案。本发明实施例提供的管道穿越走滑断层的设计方法，具有如下优点：1)设计人员针对走滑断层的特性，通过建立有限元模型模拟走滑断层发生滑移后管道的实际变化情况，大量的数据搜集、数据分析、回归统计、研究和计算，拟合出了适用于走滑断层中的管道设计公式，从而准确地设计出与特定条件的断层相对应的管道；各项环节紧密相扣，逻辑通顺，构思严谨，对于走滑断层中的管道设计具有很好的指导意义，完全满足了实际的技术需求。2)本发明实施例针对管道穿越走滑断层进行了研究，因而其拟合出来的公式特别适合于穿越走滑断层的管道设计，其实用性较其他地面位移形式高。本发明实施例还对管道与土壤接触面类型、回填土的种类性质、回填深度等影响因数进行了考虑，很好地弥补了现有走滑断层区域穿越管道设计存在的不足。3)本发明具有很强的通用性和适用性，无论是初涉地震管道设计工程研究工作的技术人员，还是经验丰富的技术专家，均可针对不同类型的走滑断层，按照本发明实施例提供的方法设计出合适的管道。对于经验少的技术人员可能需要多次选取管道，并一一进行计算后方能设计出合适的管道。对于经验丰富的技术人员则可以根据自己对地震区域特性和管道自身特点的了解，来减少管道选取的次数并设计出合适的管道。4)本发明实施例先用有限元软件模拟管道变化情况，然后对大量的模拟数据进行整合，准确性高，与实际情况之间误差小，实用性强，以计算机为辅助手段符合科技发展潮流，其有效的管道抗震设计大幅节约了成本。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、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 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