地震带穿越河流管道应力分析研究

1、第 14 卷 第 22 期 2021 年 8 月1671 1815( 2021) 22-0017-06科学技术与工程Science Technology and EngineeringVol. 14 No. 22 Aug 2021 2021 Sci. Tech. Engrg.石油技术地震带穿越河流管道应力分析研究李佳骏1初飞雪1唐道林2( 中国民航大学1 ，天津 300300，中国石油大学( 华东) 2 ，青岛 266580)摘 要 近年来，国内外地震灾害频发，作为能源大动脉的长距离输油气管道面临前所未有的平安隐患。鉴于地震带穿越河 流管道遭受荷载情况的复杂性，根据地震带穿越河流油气管道的特点

2、，分析了应力分析时应该考虑的荷载类型和目前地震荷 载主要分析技术方法，提出了建立应力分析模型及边界条件的简化处理方法，利用 CASEAII 对实际工程进行应力分析研究， 得到应力分布状况评价，供技术人员参考。关键词 地震带穿越管应力分析中图法分类号 TE88;文献标志码 A国内外目前还没有专门开展对地震带穿越河流 管道的应力分析研究，但已有模拟地震对管道作用 的方法及穿越管道的设计标准。模拟方法主要有静 态荷载等效法和响应谱分析法。1943 年 Courant 等人提出了有限元思想并应用 于力学分析。随着计算机技术的开展，以有限元法 为根底的管道应力分析软件在管道应力分析中得到 普遍应用。国内

3、外专业管道应力分析软件主要有 CAESAII、AUTOPIPE、AUTOPSA、ASIP 等，其 中CAESAII、AUTOPIPE 软件在国内各大设计院得到 广泛的应用，都可以用于模拟地震对管道的作用，与 国外软件相比拟，国内管道应力分析软件在软件功 能、开发完善、标准标准、技术支特等方面，还存在较 大差距。但我国管道应力分析的根本原理、分析方 法、平安评定条件与国外无本质区别，我国现有国家 标准 GB 50316?工业金属管道设计标准?1及其他 涉及管道应力分析内容的其它标准根本上都参考了 美国 ASME B31 系列2，3标准。在穿越河流管道设计方面，主要采用沟埋敷设。 GB 50423

4、2007?油 气 输 送管道穿越工程设计规 范 ?4 对穿越管道的设计作了具体要 求，GB 504702021?油气输送管道线路工程抗震技术规 范?5提出了穿越管道的抗震设计方法。但标准只 从理论上对抗震设计进行了计算推导，设计方法单 一，缺少地震荷载对穿越管道作用情况的实际模拟。2021 年 3 月 20 日收到第一作者简介: 李佳骏( 1990) ，男，陕西西安人，硕士。研究方向:1应力分析方法和技术地震带穿越河流管道主要面临永久荷载和偶然 荷载，应力分析关键技术可以概括为: 一是地震对管 道作用的模拟; 二是多种荷载对管道综合作用的简 化和模拟。目前国外先进的应力分析软件已具有模拟地震

5、对管道作用的实力，但对于油气管道并不完全适用。 穿越河流油气输送管道属于埋地管道，建立应力分 析模型首先要考虑土壤对管道的作用，目前都以双 线性约束弹簧6进行模拟。当管段较长时，埋地管 段将会具有很多双线性约束弹簧，弹簧数量越多，会 影响动态地震荷载的添加以及地震荷载的作用; 另 外，地震对管道作用一般采用静态荷载等效法或响 应谱分析法进行模拟，但响应谱方法分析地震荷载 作用时，常需要指定特定响应谱，对于具体的管道的 设计没有适用价值，管道设计时用静态荷载等效法 更为适当。该类管道面临荷载条件复杂，应力分析时，要将 每一种可能的荷载添加到应力分析模型中，特别是 土壤作用、水的静压作用以及地震对

6、管道的作用。 由于穿越河流管道设计时要考虑汛期洪水的冲刷、 洪水的水位高度对管道的影响; 并且具体河流的河 滩、河床情况以及土壤地质条件并不一样，因而在荷 载处理方面，应该根据具体的工程进行具体的分析。 当被分析管道所面临的荷载条件得到正确处理后， 应力分析软件可对多种荷载 共同作用进行模拟 分析。1. 1地震荷载分析方法7油气管道储运技术。E-mail425039972 qq. com。地震荷载是由于地面的运动( 加速度、速度18科 学 技 术 与 工 程14 卷表 1 地震荷载分析方法表Table 1 Methods of seismic analysis方法名称主要特点优势劣势结构刚度抽

7、象为无限大，地震 反响静态荷载等效法将地震荷载等效为静力，地震对结构的影响主要归结为地面最大加速度应用广泛，防止响应谱分析的盲从性与结构自振特性相脱离，分析 结果 与实际存在差异采用现有的响应谱对结构进行分析， 考虑地面最大加速对结构的影响，并计只能采用同类地震响应谱对管道结响应谱分析法时程分析法各方向响应通过用户指定方式进行组 合，总相应通过 SSS 法组合 地震特征参数包含最大加速度和地震 持续时 间，考 虑 震 级与距震中远近 有关入了结构动力特性对反响的影响，较准 确描述物体结构对地震做出的反响真实描述结构对地震的反映，计算值非 常接近实测值构进行分析，分析结果与实际 存在 差异分析复

8、杂，对计算装置要求很高，运 行速度慢，对管道震害分析缺乏和位移) 产生的，符合惯性荷载特性，属动荷载。目 前模拟分析方法主要有: 静态荷载等效法、响应谱分 析方法和时程分析方法。其中静态荷载等效法在管 道设计时应用最为广泛，响应谱方法可对具体的地 震波响应进行较准确模拟，而时程分析法过程繁琐 且技术不够成熟，目前几乎没有应用。1. 2 温度、压力等计算条件确实定方法管道应力计算所采用的温度和压力，称为计算 温度和计算压力。穿越河流管道应力分析计算条件 的规定如下:( 1) 计算温度: 按穿越河流管道工作时可能遇 到的最高温度选取;( 2) 计算压力: 按穿越河流管道工作时可能遇 到的最高压力选

9、取，管道及其每个组件的计算压力， 不应小于运行中遇到的内压或外压与温度相偶合时 最严重条件下的压力，如果管道处于设计阶段，按照 其设计压力进行计算;( 3) 环境温度: 在没有特殊要求情况下，取 为 20 。如果需要具体分析管道所受温度荷载 的影 响，应分别考虑穿越管道所面临的最高环境温度和 最低环境温度。2应力分析模型的建立及边界条件的 处理2. 1 应力分析总体技术路线图 1 应力分析技术线路框图Fig. 1 Circuit diagram of stress analysis从图 1 看出，地震带穿越河流管道的应力分析 过程可以分为静态分析、静态地震分析和动态地震分析三局部。其中静态分析

10、主要是对穿越管道在持 续荷载作用下的一次应力、温度荷载作用下的二次 应力以及操作条件下的应力进行分析和校核，以判 断管道在安装、工作条件下的平安性。静态地震分 析和动态地震分析是指对穿越河流的油气输送管道 进行地震荷载分析，判断管道在特定地震荷载作用 下的平安性能分析。2. 2 模型的建立方法模型建立主要包括两步: 一是管道实体模型的 建立; 二是边界条件的处理。其中第一步管道实体 建模比拟简单。首先，对具体的穿越河流输气管道 进行分析，分析其两端模型模拟的截止处，一般在穿 越管道两侧与外部管道相连处模型截止; 其次，任选 管道一端起始，在 CAESAII 软件中按照管道走向 依次添加直管、弯

11、头等根本管件及其对应参数，注意 参数大小和软件中显示的单位，务必保持参数正确 性及管道整体模型与实际相符合 。建模时，除了需要输入各个管件的参数以外，还 需要输入管道输送介质的密度、保温层密度、保温层 厚度、计算压力、计算温度等参数。其中输送介质的 密度的输入时，无论管输介质是气体还是液体，只需 要输入其密度，软件在进行应力计算时将会根据输 入的密度考虑管输介质对管道应力的影响; 保温层 密度和厚度，根据穿越管道采取的保温层材料的实 际情况进行设置，应力分析计算时也会自动对此参 数进行考虑。2. 3 边界条件的处理地震带穿越河流油气输送管道进行应力分析时 的边界条件主要是指力边界条件，在运用

12、CAESA- II 软件建立应力分析模型时边界条件的处理主要 包括如下三个方面: 静水压力的处理、土壤荷载的处 理、地震荷载的处理。2. 3. 1 静水压力的处理管道处于河流水位线以下的管段局部，分析时 需要对其添加静水压力的作用，在 CAESAII 中，静22 期李佳骏，等: 地震带穿越河流管道应力分析研究19水压力按均布荷载方法进行添加，均布荷载的大小 按照式( 1) 进行计算。Fw = gDH( 1)式中，Fw 为单位长度管段所受静水压力( N / m) ; 为水密度( kg / m3 ) ; g 为重力加速度( m / s2 ) ; D 为管 道外径( m) ; H 为管道上方的水深(

13、 m) 。穿越河流管道可能处于水面高度不一的漫滩、 河床等不同位置，静水压力大小也不一，应合理对管 道进行区域划分，无统一的方法。2. 3. 2 土壤荷载的处理CASEAII 对土壤荷载的模拟算法是用具有初 始刚度、极限载荷和屈服刚度8的双线性弹簧来模 拟。通常屈服刚度设为接近于零的数，即一旦到达 作用在土壤中的极限载荷，那么即使位移不断增加极 限载荷也不会进一步增加。分析埋地管道需计算轴 向和横向极限载荷，而后管道四周刚度可通过极限 载荷除以屈服位移而得到。其中在 CAESAII 中建 立埋地管道模型涉及的计算公式如下所述( 1) 轴向极限载荷( Fax ) 。 F = WXg( 7)式中，

14、F 为作用于单位长度管道上的地震荷载; W 为 单位长度管道的重量; X 为地震加速度系数，一般设 计时取 0. 1; g 为重力加速度。( 2) 响应谱分析方法。用户对于除地震荷载以 外边界条件都处理完毕的穿越管道进行动态分析， 进入动态分析界面，然后在动态分析中选定地震荷 载的响应谱分析方法，然后用户选定 CAESAII 软 件提供的地震频谱或者自己定义地震频谱，再指定 地震荷载作用工况，最后进行参数设置并运行分析。 2. 3. 4其余边界的处理其余边界条件主要指穿越河流管道施工时混凝 土稳管对管道的作用。假设稳管为马鞍形状，其与管 道不接触或者为点接触，那么可以将其对管道的作用用 Y 方

15、向以及管道侧向的约束进行处理; 假设稳管与管道非点接触，可将其视为作用于管道的附加力 或附加重量进行处理。3 工程实例3. 1 工程概况介绍Fax = D(2s H + p +4 f )( 2)某输气穿越管道采用 D406. 4 × 7. 1 L360 mm 直式中， 为管道与土壤间的摩擦系数，淤泥取 0. 3， 细沙取 0. 4，沙砾取 0. 5，黏土取 0. 6 2. 4; D 为管道直径; s 为土壤密度; p 为管道材料密度; f 为管 内介质密度。( 2) 横向极限载荷( Ftr ) 。缝埋弧焊钢管，设计压力 4. 0 MPa，设计输量 250 × 104 m3

16、/ d。工程采用开挖沟埋方式穿越，穿越管道 总长度为 186 m; 工区地形属平原漫滩，主河道宽约 77 m，高差 3. 34 m; 全年最热月 7 月，均温 26 ，最 冷月 1 月，均温 5. 6 ; 河流勘察期最大水深1. 0 m，Ftr = 0. 5s ( H + D)2 tan2 (45 + × 压缩系数)2( 3)枯水期最大水深 0. 5 m，平水期最大水深 1. 0 m，丰水期最大水深 2. 5 3. 0 m; 工程区属于非中强地震 震中区，既无发生中强地震的背景，历史上也未发生式中，H 为土壤外表到管道顶部的深度; 为土壤内摩擦角( 沙土取 27° 45&#

17、176;，淤泥取 26° 35°，黏土 取 0°) 。( 3) 屈服位移( yd ) 。yd = 屈服位移系数 × ( H + D)( 4)式中，屈服位移系数默认为 0. 015。( 4) 单位长度管道上的轴向刚度( Kax ) 。Kax = Fax / yd( 5)( 5) 单位长度管道上的横向刚度( Ktr ) 。Ktr = Ftr / yd( 6)以上的计算可由软件自动完成，用户只需指定 土壤参数9，并且对不同土壤性质、不同埋深的管 段进行划分，软件将会以双线性弹簧模拟土壤对管 道的作用，弹簧的刚度与上面计算的结果一致。 2. 3. 3地震荷载的处

18、理( 1) 静态荷载等效法。静力荷载通过 CAESA- II 软件的均布荷载功能作用于管道。过中强地震，只受邻近地区中强地震影响; 据?建筑抗震设计标准?，该区抗震设防烈度为 7 度，设计基 本地震加速度值为 0. 10g ( g 为重力加速度) ，设计 特征周期 0. 40 s。鉴于 CASEAII 在埋地管段处理上的明显优 势，工程采用 CAESAII 软件进行地震带穿越河流 输气管道的应力分析，实体模型见图 2，其中不含任 何边界条件的设置，图中白色的为管道，红色为相应 管点的编号( 用黑色注明) ，编号依次为: 10、20、30、 70、80、90、100、110、120、130。其中

19、 10 和 130 分别 为穿越管道的起点和终点; 20、30、110、120 为穿越 段的弯头，其余管点将在下述分析中表达。3. 2 边界条件处理3. 2. 1 静水压力处理区域 1 和区域 5 的静水压力为 3 982. 72 N / m，区域 2 和区域 4 的静水压力为 11 151. 616 N / m，区域 3 的静水压力为 13 541. 248 N / m。20科 学 技 术 与 工 程14 卷图 2 该穿越管道实体模型Fig. 2 The model of pipeline图 3 河流静水压力分析区域划分图 Fig. 3 The regional division of th

20、e river hydrostatic pressure analysis3. 2. 2土壤荷载的处理表 2 土壤类型及参数表Table 2 The types and parameters of soil土壤类型2345管道埋深 / m364. 23. 6摩擦系数0. 3土壤密度 / ( kg·m 3 )5 000土壤内摩擦角 / ( °)15无排水抗剪强度 / kPa未指定土壤压缩系数8屈服位移系数0. 015热膨胀系数11. 214 安装温度和操作温度之差 / 21 软件根据每一中土壤的参数计算土壤的性质， 并采用具有相同刚度的双线性约束弹簧模拟土壤对 管道的作用。3

21、. 2. 3 地震荷载的处理据?建筑抗震设计标准 ?( GB 500112001 )2021 版，工区抗震设防烈度为 7 度，设计根本地震 加速度值为 0. 10g ( g 为重力加速度) ，设计特征周 期 0. 40 s。因此对此穿越管道应力分析主要按照地 震加速度峰值为 0. 1g 的静态等效法进行模拟，根据式( 3) 式( 7) ，可以计算作用于单位管道长度的地 震荷载为22穿越管道模型段划分为 7 个区域( 图 4 ) ，共分为 4 种土壤类型( 表 2) ，其不同点主要表达在管道 埋深上，其余参数根本一致。区域 1、7 属于未处于 河道内的穿越管道( 2 号土壤) ; 区域 2、6

22、为处于漫 滩的穿越管道( 3 号土壤) ; 区域 3、5 为处于河床内与 漫滩交接处的局部穿越管道( 4 号土壤) ; 区域 4 为处 于河床中心受洪水冲刷最为严重的局部穿越管道( 5 号土壤) ，根据每种土壤类型，软件将采用具有相同刚 度的双线性约束弹簧模拟土壤对管道的作用。图 4 土壤荷载时管段区域划分图Fig. 4 The regional division of soil loading7 830 × 0. 406 4 0. 392 2 × 3. 14 × 0. 1 × 9. 8 =468. 343 2 N / m。计算完单位长度所受地震荷载后，

23、按均布荷载 添加方式将静态地震荷载作用于 + X、+ Y、+ Z 三 个方向，大小均采用 0. 1g 加速度峰值的静态等效荷载。3. 2. 4混凝土稳管的处理该管道稳管为马鞍形，最低埋深 3. 6 m，将稳管 对管道的作用用作用于 Y 方向的约束以及管道侧 向的导向支撑进行模拟，即除轴向的运动不进行限制外，其余方向均有限制。3. 3结果评价由于管道较长，分析结果较多，再此只给出局部 节点应力情况。表 3 持续荷载作用下的局部静态分析结果Table 3 The partial results of static analysis under sustained load轴向应力/ kPa弯曲应力

24、/ kPa环向应力/ kPa标准应力/ kPa许用应力/ kPa比值/%32 277. 01 204. 1114 478. 9102 536. 6322 674. 63232 491. 2897. 2114 478. 9102 404. 8322 674. 63232 508. 035. 7114 478. 9102 188. 4322 674. 63232 768. 577 772. 2114 478. 9159 482. 6322 674. 649管点管点说明28弯头附近30弯头33弯头附近36直管段22 期李佳骏，等: 地震带穿越河流管道应力分析研究21表 4 操作条件下的局部静态分析结

25、果轴向应力/ kPa弯曲应力/ kPa环向应力/ kPa标准应力/ kPa许用应力/ kPa比值/%56 209. 55 153. 9114 478. 999 334. 3322 674. 63152 813. 175 797. 2114 478. 9137 463. 1322 674. 64352 312. 716 782. 3114 478. 9101 490. 6322 674. 63147395. 412 751. 2114 478. 9101 683. 8322 674. 632Table 4 The partial results of static analysis under

26、operating condition管点管点说明165直管段105弯头附近109弯头附近110弯头持续荷载作用下一次应力分布结果: 管点 36 标 准应力最大，为 159 555. 1 kPa; 编号 36 的管点弯曲应力最大，为 77 772. 2 kPa; 管点 20 轴向应力最大，为 35 922. 73 kPa。操作条件下应力分布结果: 管点 105 标准应力 最大，为 137 463. 1 kPa; 编号 36 的管点弯曲应力最 大，为 77 726. 39 kPa; 管 点 165 轴 向 应 力 最 大， 为56 209. 53 kPa。温度荷载作用下二次应力分布结果: 管点

27、109标准应力最大，为 5 753 025 kPa; 管点 121 弯曲应力最大，为 43 297. 57 kPa; 管点 165 轴向应力最大，为23 389. 36 kPa。表 5 温度荷载作用下的局部静态分析结果Table 5 The partial results of static analysis under temperature load 轴向应力弯曲应力环向应力标准应力许用应力/ kPa/ kPa/ kPa/ kPa/ kPa23 389. 40. 00. 023 389. 416521 634. 263. 20. 021 697. 5105管点管点说明165直管段105 弯

28、头附近 109 弯头附近 19 923. 2 14 922. 1 0. 034 845. 3109 表 6 静态地震荷载下的局部一次应力分析结果Table 6 The partial results of analysis under the static seismic load轴向应力/ kPa弯曲应力/ kPa环向应力/ kPa标准应力/ kPa许用应力/ kPa比值/%33 085. 92 422. 0114 478. 9102 641. 7322 674. 63232 927. 489 072. 1114 478. 9170 623. 6322 674. 65335 498. 01

29、367. 0114 478. 9101 799. 1322 674. 63235 959. 2771. 0114 478. 9101 564. 4322 674. 631管点管点说明33弯头附近36直管段119弯头附近120弯头静态地震荷载作用下一次应力分布结果: 管点36 标准应力最大，为 171 128. 8 kPa; 管点 36 弯曲应力最大，为 89 072. 09 kPa; 管点 120 轴向应力最大，为 35 959. 21 kPa。从应力分布结果可看出，该工程穿越管道静态 分析的应力结果全部满足 ASMEB31. 8 的要求。当 地震加速度峰值为 0. 1 g 的地震荷载作用于管

30、道 时，管道的应力提高了 7. 25% 左右，仍然满足 ASME B31. 8 的要求，管道依然能正常工作。注明: 持续荷载工况包括管道及其附件重量、介 质重量、压力荷载、静水压力、土壤荷载的作用; 操作 条件指持续荷载和温度荷载的组合; 温度荷载作用 指温度荷载的单独作用，不含其余荷载的作用; 静态 地震荷载作用为地震荷载与持续荷载的共同作用。参 考 文 献1 国家建设部 . GB 503162000，工业金属管道设计标准 北京: 中 国方案出版社，2000The national Ministry of construction. GB 503162000，Code for de- sig

31、n of industrial metallic piping Beijing: China Planning Press，20002 The American Society of Mechanical Engineers. ASME B31. 42021 pipeline transportation systems for liquid hydrocarbons and other liq- uids New York: ASME，20213 The American Society of Mechanical Engineers. ASME B31. 82021 gas transpo

32、rtation and distribution piping systems New York: ASME，20214 国家建设部 . GB 504232007，油气输送管道穿越工程设计规 范 北京: 中国方案出版社，2007The National Ministry of Construction. GB 504232007，Code for design of oil and gas transportation pipeline crossing engineering Bei- jing: China Planning Press，20075 国家建设部 . GB 504702021

33、，油气输送管道线路工程抗震技术 标准 北京: 中国方案出版社，2021The National Ministry of Construction. GB 504702021，Oil and gas pipeline route engineering technical specification Beijing: China Planning Press，20216 唐永进 . 压力管道分析( 第二版) 北京: 中国石化出版社，2021 Tang Yongjin. Analysis of pressure pipeline ( the second edition) Beijing: Sin

34、opec Press，20217 大崎顺彦 . 地震动的谱分析入门 北京: 地震出版社，2021 Nobuhiko O. Spectral analysis of earthquake ground motion Beijing: Seismological Press，20218 刘鸿文 . 材料力学( 第二版) 北京: 高等教育出版社，1982Liu Hongwen. Mechanics of materials( the second edition) Beijing: Higher Education Press，198222科 学 技 术 与 工 程14 卷9 刘仕鳌，蒲红宇，刘书文

35、，等 . 埋地管道应力分析方法 油气储运，2021; 31( 4) : 274278，327，328Liu Shiao，Pu Hongyu，Liu Shuwen，et al Stress analysis of buriedpipeline Oil and Gas Storage and Transportation，2021; 3( 4) : 274278Stress Analysis of iver-crossing Pipeline in Seismic BeltLI Jia-jun1 ，CHU Fei-xue1 ，TANG Dao-lin2( Civil Aviation Univer

36、sity of China1 ，Tianjin 300300，P China; China University of Petroleum ( Hua Dong) 2 ，Qingdao 266580，P China)Abstract In recent years，earthquake disasters take place frequently at home and abroad，as an energy source arteries，long distance oil and gas pipeline is faced with an unprecedented security h

37、idden danger. According to the complexity of the river crossing pipelinesloading conditions in the seismic belt，this paper analyzes the load type which should be considered in the stress analysis and the main analysis method of seismic load，the stress analysis model and the simplified method of boun

38、dary conditions is presented. In order to get the stress distribution，stress analysis was studied for the practical project with using CASEAII，refers to it for the technical personnelKey words seismic belt crossing pipe stress analysis檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸( 上接第 16 页)mining pressure firstly Ground Pressure and Strata Control，2005;2: 17183 董洪生 . 山体赋存煤层原岩应力分布规律 能源技术与管理，2021; 10( 6) : 1416Dong H S. The original rock stress distribution law in subsequent oc- currence of coal seam Energy Technology and Man