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穿越活动断层埋地管道的应变分析

文章来源：本站收集上传时间：2018-7-20 浏览量：2074

　　现在，国内的油气运送管道工作正处于高速开展的阶段，西气东输工程横跨多个地震活动区域，经过100多个断层，其地震安全性是管道工程建造需要考虑的个关键问题。因而，穿越活动断层埋地管道研讨具有重要的工程运用价值。

　　1穿越活动断层埋地管道研讨的现状1.1国内外研讨办法泛论研讨埋地管道在断层效果下的反响至今已有30余年的前史，学者们经过不断地改善，提出了多种核算办法，这些核算办法可分为理论解析办法、数值有限元办法和。

　　穿越断层埋地管道理论剖析模型最早由美国闻名地震工程学家Newmark和他的学生Hall提出，他们于1975年提出了一种高度简化的核算办法，该办法将管道简化成接连刚性管，假定疏忽惯性力要素，假定管道完全由轴向变形来吸收断层位移，疏忽管道的曲折变形和土的横向效果力，只考虑轴向变形与应变，管材的应力-应变曲线选用三折线模型00.该办法尽管简略有用，可是因为疏忽了土的横向效果力和管道内的曲折变形，得到的效果偏于不安全。

　　表1 3种研讨办法的比较研讨办法首要特点长处缺点代表办法理论解析法将管道这种薄壳概念简略、计结构用索或梁模算便利，易于型简化后进行理运用到工程核算效果的牢靠性还需进一步核实数值有限元法根据有限元建模，选用数值剖析能够模仿相对杂乱的工程问题，其效果也较抱负核算量大梁单元模型法壳单元模型法试验法合理挑选管道模型及断层体模型，莫拟实践工程中管道在断层位错运动效果下形象直观的受力状况，并观测管道模型的应变及位移反响状况与实践状况相差较大，试验效果的准确性和牢靠性无法确保，难进行较深化的剖析研讨高田至郎的土沉陷时管道力学功能试验；冯启民的土箱试验法是由KennedyR.P.等于1977年提出的，该办法考虑了土体对管道的横向效果以及曲折段的曲率和曲折应力、被动土压力等要素。管材的应力-应变曲线运用的不是三折线模型，而是Ramberg-Osgood应力-应变模型2.Kennedy办法尽管考虑了土对管道的侧向压力和管道的曲折曲率及与之相对应的曲折应变，可是因为其疏忽了管道的曲折刚度，大都状况下得到的效果偏于保存。

　　和他的学生Yaw-hueiYeh在上述办法的根底上做了改善，提出一种比Kennedy办法更为精密的剖析办法。该办法考虑了管道的曲折应变及刚度，假定管道在断层邻近的变形为一圆弧，但离断层较远的管道变形状况，则选用弹性地基梁的反响来模仿2.1998年，LeonR.L.Wang和Luo-iaWang对Wang-Yeh剖析模型做了进一步改善，提出一种更杂乱的办法，该办法的核算模型也是将断层一侧的管道分红2部分（弹性地基梁部分和断层邻近的过渡区部分），不同的是将过渡区内管道的变形假定为一个带有绷簧铰支座悬臂梁的变形0.上述几种理论解析剖析办法均有着以下一起的局限性：只能剖析管道受拉伸荷载的状况，而关于逆断层，理论解析办法不适用；难以剖析管截面中的大变形状况，管道其实为薄壁壳结构，管内的轴向应变与曲折应变相互影响，不能简略叠加轴向应变和曲折应变得到管道的总应变。另外，在管道跨断层的实践状况中，管道还会呈现应力剩余和应力集中等现象，这些现象最好用有限元办法进行剖析。

　　因而，进入20世纪90年代后，因为核算机的遍及运用以及核算速度的敏捷进步，研讨者们又提出了多种根据有限元模型的数值剖析办法。有限元办法大致分为两类：将管道划分为梁单元；将管道划分为壳单元。在梁或壳的有限元办法中，管土之间的相互效果由土绷簧来模仿。与梁单元模型相比，壳模型更接近于管道的实在结构，因而它能够更好地剖析像管道委曲这样的大变形状况，可是壳有限元模型需要的核算量比梁有限元模型要大许多。

　　前面介绍的各种办法均是学者经过理论抽象，树立适宜的模型来进行剖析核算，并不能最实在地反映管土的相互效果，土体的弹塑性改变并不能准确地被理论所表述。因而，有学者测验经过试验来模仿实在的相互效果，日本学者高田至郎H和国内学者冯启民和郭恩栋等4均进行了相关试验。

　　1.2埋地管道抗震办法泛论现在，国内外在抗震规划中常用的办法有根据应力的抗震规划、根据应变的抗震规划及根据功能的抗震规划3秫油气运送管道线路工程抗震技能标准中的抗震核算是根据应变的抗震规划。现在，油气管道埋地经过活动断层的常用抗震办法有：挑选断层位移和开裂宽度较小的地段经过；管道穿越断层的交角应挑选合宜的视点，标准中引荐30~70.，不能超过90°，防止管道在开裂带处错动时产生压屈破坏；在断层区管道覆盖层的厚度最好不要超过1m；固定墩应设置在管道滑动长度之外；应选用较宽松的管沟和疏松的回填土1.2穿越活动断层埋地管道应变剖析2.1算例1某埋地管道以30.的交角穿越活动断层，断层为走滑断层，断层水平位移2m，笔直位移为0.5m，管道用X70管线钢制成，管径为529mm，壁厚6mm，管道埋深1m，回填土密度为1 800kg/m3，内摩擦角为28.，关于X70钢，其在弹性阶段区的容许拉伸应变为0.0024，容许拉伸应力为503MPa，弹性区弹性模量为2.1x105MPa，弹塑性区弹性模量为2文中选用常用的两种理论解析法Newmark-Hall法0和Kennedy法65-7分别对该算例进行核算，并比较两者的效果。选用Newmark-Hall法，求得管道应变为1.31%，选用Kennedy法，求得应变为1.74%，由此能够比较出Newmark-Hall法比Kennedy法更为保存，算出的管道应变偏小。

　　2.2管道应变影响要素剖析以算例1所给的参数为根底，分别对管道穿越断层视点、管道埋深、回填土密度、回填土内摩擦角以及管道壁厚进行调整，经过核算，得出这些参数对管道应变的影响状况。

　　是管道穿越断层视点不一起，管道应变的改变状况，能够看出跟着穿越视点的添加，管道的应变呈逐步变小趋势。由可知，管道穿越该断层的抱负视点为50.~80°。

　　是管道埋深不一起，管道应变的改变状况，跟着埋深的添加，管道的拉应变逐步变大。由可知，管道埋深在1m以内较适宜。

　　是回填土密度不一起，管道应变的改变状况。

　　由可知，跟着回填土密度的增大，管道的应变越来穿越断层角/（°>管道穿越断层视点对管道应变的影响管道埋深对管道应变的影响越大，因而为了减小管道的破坏程度，应运用轻质（密度小）的回填土。

　　回填土密度对管道应变的影响是回填土内摩擦角对管道应变的影响状况。

　　由可知，应运用内摩擦角较小的回填土，这样可使管道在断层效果下的应变较小。

　　比较了2种办法下管道壁厚对应变的影响。

　　从中能够看到，当管道处于活动断层效果下时，管道壁厚越大（超过8mm）关于管道的抗震功能有显著经过对算例1的影响要素剖析，能够得出一些有关埋地管道抗震规划的办法：穿越视点为50.~80.比较适宜；管道埋深不宜过大，最好不超过1m，浅埋为宜；运用密度小、疏松的回填土能够减小管道应变；恰当增大管道壁厚，以增强埋地管道的抗震性。

　　2.3算例2经过以上核算和剖析，优化各个影响参数，现取穿越视点为60.，埋深0.7m，回填土密度取1600kg/m3，内摩擦角为22.，管道壁厚改为9mm，从头核算，选用Newmark-Hall法，求得管道应变为0.14%，比优化前降低了89.31%，选用Kennedy法，求得最大应变为0.44%，比优化前降低了3结束语埋地管道的剖析模型由开始的线弹性梁模型到可求解非线性的有限元薄壳模型，研讨手法由开始的半理论、半经历剖析办法过渡到理论、试验以及数值模仿相结合的办法，使得关于穿越活动断层埋地管道的研讨办法体系日趋完善。

　　总结现状，穿越活动断层埋地管道的研讨仍需继续开展，各种办法的正确性仍有待验证，因而，关于穿越活动断层埋地管道的研讨有一下几点观点：到现在为止，对穿越活动断层埋地管道的受力反响已树立了多种剖析模型，并取得了不少研讨效果，但这些效果能否和实在地震断层的破坏相符合，仍需经过对实践地壳活动中的反响实例、统计数据加以剖析来验证；归纳理论办法、数值模仿办法以及试验办法，一起模仿出最适合穿越断层油气管道受破坏的景象，各种办法间还需增强联络和反应；（下转第17页）漏点的定位精确度和走漏判别准确度首要取决于负压波在管道中传播速度的测定误差H.综上所述，根据负压波相关剖析的软丈量在管道走漏检测与定位中已得到很好的运用，它是种优秀的管道走漏外部检测法，是现在管道走漏检测和定位的主攻方向之。

　　2.3根据小波剖析技能的软丈量在气液两相流检测中的运用在油气的运送进程中，对气液两相流的检测研讨是迫切需要处理的范畴。实时有效地检测多相流体系的各种信息对体系的计量、操控和牢靠运转具有重要意义。软丈量技能作为一种新型的进程参数检测技能，为处理多相流这一多变非线性杂乱体系的参数检测供给了一条新的思路和途径，近年来受到广泛重视。

　　根据小波剖析技能的软丈量就是使用易测辅佐变量，选用小波剖析信息处理技能，经过对已获得的信息进行剖析处理，提取出信号特征量，从而完成对某一参数的在线检测或进程的状况辨识。在多相流体系中，差压动摇信号含有丰厚的信息，检测便利牢靠。因而，将两相流的差压动摇信号作为易测辅佐变量。主导变量就是气液两相流中重要参数一流型。

　　规划试验进程4如下：将气相（空气）和液相（水）分别由空压机和离心泵经混相器混合后，流入内径分别为20mm、25mm和40mm的有机玻璃管测验管段。距离15mm提取差压信号，采样频率为200Hz.差压信号经滤涉及12位A/D转换后送入PC机存储和进行数据剖析处理。选用离散小波变换对每种流型下的数据进行剖析，可获得不同流型下丈量数据的时频域特征。归纳考虑小波阶数和滤波器的长度，在确保精度的前提下，选用Sym5小波滤波器。经过试验剖析验证，所选用的小波函数根本满意试验要求。

　　由此，使用根据小波剖析技能软丈量模型，完成了对气液两相流的流型判别。

　　3结束语近年来，为处理进程操控中难测变量的问题，软丈量技能得到了很大的开展。软丈量以数学理论、信号处理理论、现代操控理论为根底，以软件为中心完成手法，中心问题是建模。现在，软丈量技能在油气储运范畴得到了必定的运用，跟着国内原油储备库的建造和输油输气管网的不断投产6，软丈量技能在油气储运工程中的运用将越来越广泛。

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