一种油气管道穿越地震断层的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及油气管道穿跨越设计技术领域，特别涉及一种油气管道穿越地震断层 的设计方法。
【背景技术】
[0002] 在油气长输管道的建设及规划中，管道不可避免地需要在某些地区穿越地震断层 等高风险区域，对管道破坏最为严重的是正地震断层和逆地震断层。为了保证管道的安全 运行，在设计时需要根据发生断层时管道的应力和（或）应变状态，制定出合理的设计方 案。
[0003] 在进行管道穿越地震断层的设计时，通常采用有限元法（例如：基于有限元法的 ANSYS、ABAQUS软件等）计算出管道在正、逆地震断层作用下的应变量。采用有限元法计算， 需要将具体工程问题抽象为力学模型，在有限元软件中建立力学模型并求解计算。但是，这 种有限元法具有很强的针对性，需要具体问题具体分析，模型较难通用，设计周期较长，并 且有限元计算需要具备扎实的力学知识，普通设计人员难以在较短的设计周期内掌握充分 的力学知识并完成复杂的有限元建模和计算；此外，由于有限元方法及软件的自身特点，难 以批处理形成可统计的结果，因此无法将基于可靠性的设计方法应用于管道穿越地震断层 的设计中，这是管道穿越地震断层设计亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有采用有限元方法计算管道在地震断层作用下的应变量的过程中存 在的建模计算过程复杂、设计周期长等问题，本发明提供了一种油气管道穿越地震断层的 设计方法，包括：
[0005] 建立油气管道在地震断层作用下的最大应变量计算数学模型；
[0006] 根据油气管道参数和地震断层参数，选取相应的计算数学模型，计算出管道在地 震断层作用下的最大应变量；
[0007] 将所述最大应变量与标准规范中的允许应变量进行对比，校核管道应变量。
[0008] 所述建立油气管道在地震断层作用下的最大应变量计算数学模型的步骤具体包 括：
[0009] 根据管道参数和管道穿越地震断层的工程参数，建立管道穿越地震断层的有限元 丰旲型；
[0010] 通过有限元计算，分析管道参数和管道穿越地震断层的工程参数对管道最大应变 量的影响规律，建立描述管道最大应变量的经验公式；
[0011] 使用非线性拟合工具对所述经验公式中的待定参数进行拟合，得出油气管道在地 震断层作用下的最大应变量计算数学模型。
[0012] 管道在正断层作用下的最大应变量计算数学模型为：
[0013]
[0014] 其中：B为模型偏差；D为管道直径，m ;t为管道壁厚，m ;f为断层位移，m;a为断 层倾角，rad ;p为管道内压，MPa ;T为管道运行与安装温差，°C %，x2, . . . x15以及m、n为待 定系数；tu为轴向土弹簧，kN/m ;
[0016] qu为竖直向上土弹簧，kN/m，
[0017] qu= 2cH+(<i)/44) y H2；
[0018] qd为竖直向下土弹簧，kN/m，
[0020] c为回填土的特征粘结强度，kPa ;
[0021] H为管道中心线的埋深，m ; y为土壤的有效重量，kN/m3; <i>为土壤的内摩擦角，° ; f；为管道与土壤的摩擦系数。
[0022] X65钢级管道在正断层作用下的最大应变量计算数学模型为：
[0024] 其中：Xl=-l. 0547XKrlcl，x2=-0. 9715，x3=-l. 3248，x4= 0. 5005，x5= 0. 6694， x6= 0. 1681，x 7= -〇. 3464，x 8= 1. 4788，x 9= 0. 3686，x 1C)= 1. 0000，x n= -1. 2797，x 12 =-1. 2140, x13= 1. 0000, x 14= 33. 7230, x 15= 1. 3857X 10 3;m = -2Xl(T6，n = -0? 0034 ; B的均值y = 0? 98~1. 04、标准差〇 = 0? 08~0? 10。
[0025] X70钢级管道在正断层作用下的最大应变量计算数学模型为：
[0027] 其中：Xl=-l. 8520XKTn，x2=-L 0353，x3=-l. 3698，x4= 0. 5500，x5= 0. 7222， x6= 0? 2685，x 7= -〇? 5402，x 8= 1. 5314，x 9= 0? 4010，x 10= 1. 0000，x n= -1. 3700， x12= -0.9481，X13= 1.0000,X14= 122.3149,X15= 4.4060X 10 3;m=-1.0X10_5,n =-3. 7X 1(T3;B 的均值 y = 0? 99 ~1. 06、标准差 〇 = 0? 08 ~0? 14。
[0028] X80钢级管道在正断层作用下的最大应变量计算数学模型为：
[0030]其中：Xl=-6. 10X1(T13，x2=-L1743，x3=-1. 5239，x4= 1. 3854，x5= 0. 5222，x6 =0? 7391，x7= -1. 3647, x 8= 1. 8505, x 9= 0? 4669, x 10= 1. 0000, x n= -1. 7510, x 12 =-0? 5440,x13=1. 0000,X14= 13. 7700,X15= 397. 7900 ;m=3. OX l(T5，n=-4. 2X KT3; B的均值y = 0? 98~1. 02、标准差〇= 0? 10~0? 15。
[0031] 管道在逆断层作用下的最大应变量计算数学模型为：
[0033] 其中：B为模型偏差；D为管道直径，m ;t为管道壁厚，m ;f为断层位移，m;a为断 层倾角，rad ;p为管道内压，MPa ;T为管道运行与安装温差，°C %，x2, . . . x15以及m、n为待 定系数；tu为轴向土弹簧，kN/m ;
[0035] qu为竖直向上土弹簧，kN/m，
[0036] qu= 2cH+(<i)/44) y H2；
[0037] qd为竖直向下土弹簧，kN/m，
[0039] c为回填土的特征粘结强度，kPa;
[0040] H为管道中心线的埋深，m ; y为土壤的有效重量，kN/m3; <i>为土壤的内摩擦角，° ; f；为管道与土壤的摩擦系数。
[0041] X65钢级管道在逆断层作用下的最大应变量计算数学模型为：
[0043]其中 ％= 1. 3553X 1CT7, x2= -2. 0276, x3= -〇? 9635, x4= 0? 1406, x5= 1. 1783, x6 =-1. 2883, x7= 2. 7800, x 8= 0? 7763, x 9= 0? 4847, x 10= 1. 0000, x n= -1. 6844, x 12 = 0? 1586, x13= 1. 0000,X14= 1. 2164,X15= 93. 2065 ;m = 9. OX 1(T5, n = 0? 0045 ;B 的均值 y = 0? 88 ~0? 94、标准差 〇 = 0? 21 ~0? 25。
[0044] X70钢级管道在逆断层作用下的最大应变量计算数学模型为：
[0046] 其中：Xl= 4. 5610X 1(T7, x2= -1. 9170, x3= -0? 8521，x4= 0? 0988, x5= 1. 0751，x6 =-〇? 8988, x7= 1. 6759, x 8= 1. 3129, x 9= 0? 4586, x 10= 1. 0000, x n= -1. 6524, x 12 = 0? 0201，x13=1. 0000,X14= -2. 1780,X15= 56. 9818 ;m=1. OX 1(T3, n=1. 15X lO'B 的 均值 y = 〇? 90 ~0? 94、标准差 〇 = 0? 21 ~0? 24。
[0047] X80钢级管道在逆断层作用下的最大应变量计算数学模型为：
[0049] 其中：Xl= -1.5633X 10 -1(|，x2= -2. 4248, x 3= -1. 9470, x 4= 0.8551，x 5 =-〇? 1846, x6= -9. 0065, x 7= 15. 1521，x 8= -1. 5886, x 9= 0? 7243, x 10= 1. 0000, x n =-2. 1588, x12= 1. 2519, x 13= 1. 0000, x 14= -12. 9800, x 15= 9. 37X 10 2；m = 9. OX 10^5, n = 4. 5X 1(T3;B 的均值 y = 0? 88 ~0? 93、标准差 〇 = 0? 23 ~0? 27。
[0050] 本发明提供的油气管道穿越地震断层的设计方法，通过建立简单的计算数学模 型，使管道设计人员根据管道和地震断层等相关参数，便可容易地计算出管道穿越地震断 层的应变量，提高了工作效率，缩短了设计周期。本发明提供的计算数学模型，具有通用性 强、计算快捷、使用方便、效率高等优点，易被广大管道设计人员掌握，且可得出一系列可统 计性的结果，易结合基于可靠性的设计方法应用于管道穿越地震断层的设计中。
【附图说明】
[0051] 图1是本实施例油气管道穿越地震断层的设计方法流程图。
【具体实施方式】
[0052] 下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。
[0053] 参见图1，本发明