地质灾害作用下油气管道设计应变计算模型

根据基于应变与基于可靠性的两种管道设计新方法的工程需要,对我国油气管道面临的断层、采空、冻土、滑坡等常见地质灾害类型及其土壤位移模式进行了分类总结。以断层作用下管道设计应变计算的有限元分析力学模型及设计应变经验公式为基础,将其推广到采空、冻土、滑坡等其他地质灾害类型的研究中,提出简化的管道地质灾害综合位移模型及管道设计应变计算模型,模型将地质灾害位移类比为水平面和垂直面内的断层位移形式,从而衍生出其他地质灾害形式管道应变计算方法。该方法计算精度高、效率高、适用性广,特别是满足了多种地质灾害作用下油气管道可靠性的设计需要。     

基于BP-MC方法的断层区管道可靠性分析

走滑断层是埋地管道常见的地质灾害。断层引发的地面位移往往使管道变形过大而失效,开展断层区管道可靠性分析对管道的安全评估具有重要意义。为此,基于非线性有限元软件ABAQUS建立穿越走滑断层的X80钢管道有限元模型,计算管道几何尺寸、地表位移、内压以及土壤类型等多因素影响下管道的设计应变,形成工程中管道设计应变的有限元数据,基于该数据库创建了BP双隐层神经网络的设计应变预测模型,建立了基于应变准则的极限状态方程,结合MC(Monte Carlo)法,开展了走滑断层区X80管道的可靠性计算,并进行了管道可靠性的影响因素分析。BP-MC方法计算结果准确,运行时间成本低,适用于断层作用下管道的可靠性分析。(图6,表3,参28)     

连续地表位移作用下埋地管道应变计算模型

油气长输管道途经多种复杂地质环境,经常面临地质灾害的威胁。针对现有地质灾害段管道地表位移监测数据离散型的特征,提出了一种基于三次样条插值的地表位移三维重构方法,实现了地表位移的连续表示。在此基础上,采用非线性有限元方法,依据非线性土弹簧单元描述管土相互作用,利用Ramberg-Osgood本构模型描述管材力学特性,使用INP参数化编程语言建立了参数化的连续地表位移作用下埋地管道应变计算模型。新建模型能够考虑温度、外压等工作载荷与管道实际路由对管道初始应力的影响,实现管道应变的准确计算。采用C#编程语言,编制了基于C/S架构的管道设计应变智能计算与评估软件。研究结果可为智慧管道数字孪生的建设与地质灾害地段管道的完整性评估提供技术支撑。(图7,表3,参25)     

基于壳单元的连续型采空区埋地管道应变分析

采空沉陷区管道在地表变形的作用下会产生较大的应变,导致管道拉裂或屈曲失效,因而建立了三维连续型位移采空区管道应变数值计算模型,该模型使用非线性壳单元模拟管道,非线性弹簧模拟管土间相互作用。基于有限元模型,分析了管道应变空间分布特征及其随主要影响因素的变化规律。结果表明:连续型采空沉陷作用下管道会产生与地表一致的垂向位移,管道内弯曲应变远小于轴向应变;采空沉陷区管道的轴向应变随着覆岩岩性硬度的增强而增加,随着走向长度、开采深度的增加而增加,而煤层采厚对轴向应变几乎没有影响;管道内压、管道埋深、管土间摩擦折减因数的增加均会导致管道轴向应变的增大,增加管道壁厚能够有效减小管道的轴向应变。     

冻土区坡体蠕滑作用下管道应力数值计算

长输油气管道在一般地段埋地敷设,当经过季节性斜坡冻土区时,由于冻融引起的坡体蠕滑作用导致管道产生附加应力。通过安装管道轴向应变传感器可监测坡体蠕滑作用导致的管道轴向应力变化,但开展管道强度评价时,需要明确管道应变监测初始应力,由于应力检测技术多在实验室环境下使用,工程上并不成熟,目前行业内一般通过有限元建模计算方法获取管道应变监测初始应力。以涩宁兰一线某穿越斜坡季节性冻土地貌埋地管道为例,介绍了位于季节性冻土区的管道当前面临的主要风险、土体位移分布形式与位移的确定,以及季节性冻土区斜坡体位移作用下管道的受力和变形情况。采用向量式有限元方法,利用空间梁单元和非线性土弹簧模型对灾害点管道进行了数值模拟,并得到管道现状应力分布,为确定管道本体应变监测截面位置、估计管道现状应力分布及管道安全评价提供依据。     

断层作用下海底管道应变的改进解析分析方法

活动断层是海底管道的主要地质灾害威胁之一,断层作用下管道会产生过量的轴向变形而失效。提出一种改进的走滑断层作用下海底管道应变解析分析方法:根据线性强化模型考虑了管材的非线性本构关系,通过理想弹塑性本构的非线性土弹簧模型准确计算土壤非线性约束对管道结构响应的影响,由管道受力微分控制方程推导得到管道内轴向应变的解析结果,并给出管道伸长量的显示表达式。最终基于平衡方程和迭代计算,可以精确计算管道应力应变。对比有限元计算结果,改进后的管道应变解析分析方法较现有的推荐方法(Newmark法)计算精度更高。     

基于SBAS-InSAR与有限元的滑坡段管道应力计算方法

【目的】滑坡是目前造成管道失效事故的主要地质灾害类型之一,滑坡区管道运行状态监测是亟需解决的难题。【方法】提出了一种基于SBAS-In SAR遥感技术的管道上方地表位移测量方法,实现了公里级范围管道地表位移毫米级高精度监测。基于管道中心线空间坐标数据以及管道几何特征数据,结合三次样条插值算法,提出了管道三维空间路由的重构方法。考虑管道真实路由与温度、压力等工艺载荷条件,采用空间管单元与非线性管土单元建立管道应力分析有限元模型,以遥感感知滑坡位移为准确边界条件,提出了滑坡段管道应力状态计算方法。【结果】通过陕京三线良乡—西沙屯某高风险滑坡区管段2021—2022年的应用实践表明,该计算方法得到的管道应力结果与分布式应变片监测结果最大相对误差不超过16%,经评估,该段管道目前处于安全状态。【结论】该方法结合了SBAS-In SAR技术与有限元分析方法,能够准确计算滑坡段管道的应力分布情况,可以有效实现滑坡段管道应力状态的空间重构与安全评价,对于提高滑坡段管道的安全性和可靠性具有指导意义,对于其他类似工程的监测和设计也具有参考价值,同时为未来地质灾害段管道安全状态的数字孪生体构建提供了技术基...     

走滑断层作用下管道应变解析计算方法的适用性

管道在断层错动作用下容易产生较大的位移,从而导致管道因较大的应变而失效,因此研究断层作用下管道的应变计算方法对穿越断层长输管道的设计与安全评估具有重要意义。理论解析计算方法计算简单、效率高,因而在长输管道的初步设计中应用广泛。简要介绍了Newmark-Hall方法、Kennedy方法及Karamitros方法 3种应用较为广泛的管道应变理论解析计算方法,并与有限元结果进行对比分析,从管道穿越角、管道埋深、土壤类型及管材类型4个方面讨论了3种理论解析方法在走滑断层情况下的适用性。结果表明:Newmark-Hall方法、Kennedy方法适用于分析管道穿越角β45°且断层位错量较大时的断层错动影响;Karamitros方法在各种工况下均具有较好的适用性,尤其是当穿越角β≥45°时,前两种方法的适用性极其有限,应该选择模型相对复杂的Karamitros方法进行计算。     

典型地质灾害下埋地管道的应力计算

地质灾害是导致埋地油气管道破坏失效的主要原因之一,特别是管道沿线的山体滑坡、地层沉降及地面塌陷等严重威胁着管道的安全运行。基于已有研究,介绍了几种分析管土耦合作用的常用模型,总结了地质灾害作用下埋地管道应力计算方法。采用实验模拟与数值模拟相结合的手段,开展了塌陷、沉降以及滑坡地质灾害下管土相互作用实验以及FLAC 3D数值模拟,分别得到了3种地质灾害下的管道应力分布情况,通过比较实验结果、数值模拟结果以及管道理论模型计算结果可得:采用有限差分软件FLAC 3D开展管土相互作用模拟是可行的;仅考虑管道、输送介质以及土体重力载荷得到的理论计算结果与实验及数值模拟的结果相差很大,需要考虑土体摩擦力以及黏聚力等参数的影响,对管道应力计算方法进行改进。     

走滑断层作用下管道应变解析计算方法的适用性北大核心

管道在断层错动作用下容易产生较大的位移,从而导致管道因较大的应变而失效,因此研究断层作用下管道的应变计算方法对穿越断层长输管道的设计与安全评估具有重要意义。理论解析计算方法计算简单、效率高,因而在长输管道的初步设计中应用广泛。简要介绍了Newmark-Hall方法、Kennedy方法及Karamitros方法 3种应用较为广泛的管道应变理论解析计算方法,并与有限元结果进行对比分析,从管道穿越角、管道埋深、土壤类型及管材类型4个方面讨论了3种理论解析方法在走滑断层情况下的适用性。结果表明:Newmark-Hall方法、Kennedy方法适用于分析管道穿越角β<45°且断层位错量较大时的断层错动影响;Karamitros方法在各种工况下均具有较好的适用性,尤其是当穿越角β≥45°时,前两种方法的适用性极其有限,应该选择模型相对复杂的Karamitros方法进行计算。     

基于梁-壳混合教学单元的输气管道穿越地震断层模型

梁-壳单元通常被联合用来模拟输气管道,然而梁-壳单元的分布及其连接处的耦合问题一直是一个研究难点。为此,根据地震断层作用下输气管道变形特点,建立了基于梁-壳混合教学单元的输气管道穿越地震断层有限元模型,并考虑管道变形的计算效率和计算精度兼顾的要求,合理配置了梁、壳单元的分布。利用该模型,讨论了管道埋深、穿越角度、位错量、裂缝宽度对输气管道力学行为的影响规律。结果表明:管道埋深、穿越角度及位错量对管道位移及应变的影响较大,裂缝宽度影响较小;管道浅埋可以有效降低输气管道最大轴向应变;随着输气管道穿越角度的增大,最大轴向位移和最大轴向压缩应变明显减小;在断层两侧,应变及位移较大,远离断层,应变及位移迅速下降。研究成果为输气管道穿越地震断层的安全评价提供了理论依据。     

油气管道典型地质灾害危险性评价

为了准确、快速地评价典型地质灾害对油气管道的危险性大小,基于典型地质灾害对油气管道的危害形式的分析,对崩塌、滑坡、泥石流3种地质灾害危险性影响因素进行辨识、分类整理,计算各影响因素的相对权重,以此建立了油气管道典型地质灾害危险性评价指标体系。详细论述了各因素的影响程度分级标准、评分标准以及危险性评价标准,综合考虑地质灾害的易发性、管道易损性,选取简单、易于操作的指标体系法进行危险性评价,最后将评价方法成功应用于某管道工程的地灾案例中,结果表明:油气管道典型地质灾害危险性评价技术具有较强的操作实用性。该研究成果在指导地质灾害发育点的管道施工风险控制方面有非常重要的参考价值。     

冻土区管道弯曲应变及位移监测方法

针对冻土区管道易受融沉、冻胀等地质灾害的影响而发生管道位移、形变的问题,开发了一种高精度的惯性导航系统对管道实施内检测,从而获得检测器的位置、姿态信息,并在此基础上,提出了管道弯曲应变及位移的计算方法。在计算位移时,针对管道计算轨迹发散的问题,提出了使用外部特征点修正误差的方法;在计算管道位移或弯曲应变的变化量时,针对重复检测中存在里程差的问题,提出了将固定长度管道数据对齐后再做对比的方法。通过现场实际应用验证了该系统及方法的可行性及检测精度,为管道事故的预防和合理维护提供了科学依据,对保证冻土区长输油气管道的安全运行具有现实意义。     

湿陷性黄土地区管道基于应变的设计方法

湿陷性黄土在一定条件下发生自重湿陷,将对沿途管道的安全运行产生一定影响。针对我国典型地区黄土湿陷位移计算方法,建立了湿陷性黄土地区基于管土相互作用原理的管道设计应变计算有限元模型,并提出了管道许用应变的确定方法。以新粤浙管道工程中湿陷性黄土地区埋地管道建设为例对基于应变的设计方法进行分析,得出管道应变分布与位移之间关系,为湿陷性黄土地区管道的设计与安全评价提供了依据。     

中缅管道途经典型地质灾害影响区域的设计与建设

中缅油气管道是第一条敷设于滇西横断山脉地区的大口径、高压力长输油气管道,首次遭遇滇西复杂地形、复杂地质条件下的地灾群。介绍了该管道在地质灾害多发地段通过选用大变形钢管来提高管道本体抗应变破坏能力的做法,选取典型案例阐述了该管道在途经泥石流、滑坡、不稳定斜坡、危岩崩塌等各类典型地质灾害条件下时的敷设情形、地质灾害勘察结论、应对措施的选用和治理效果。以上设计建设方法与实践经验,对复杂地形和地质条件下的长输管道工程设计建设具有指导意义。（图4,参7）     

基于应变准则的采空暗悬管道的安全性评价

管道穿越采空区时可能形成暗悬,长距离的暗悬会使管道产生较大的应力应变,严重时会造成管道拉断失效。基于非线性有限元法,建立了三维暗悬管道力学计算数值模型,采用基于应变的设计准则对采空暗悬管道进行安全性评价。模型考虑了管材、管土相互作用及几何大变形多重非线性因素,采用非线性土弹簧单元模拟管土作用,采用壳单元描述管道变形。分析了暗悬管道在不同工况下的应力应变响应,对比了采用基于应力与基于应变失效准则判断暗悬管道极限状态的差异。分析结果表明:基于应力的准则偏于保守;基于应变的准则能够更多地利用管材的塑性性能。研究成果可为管道的完整性管理与安全评价提供理论参考。     

逆断层作用下X80埋地管道的非线性屈曲分析北大核心

埋地高强钢管道是油气长距离输送的主要方式,而地震造成的断层位移错动严重威胁管道的安全运行。建立了埋地X80高强钢管道在逆断层作用下的有限元模型,采用弯管与管单元模拟管道,非线性土弹簧模拟管土相互作用。考虑了管材、管土、几何大变形造成的非线性,模型采用非线性稳定算法,保证了求解的收敛性。依据西气东输二线工程参数,详细分析了逆断层作用下管道的两种屈曲失效形式,即梁式整体屈曲失效与壳式局部失稳失效。同时,讨论了断层倾角、管道壁厚及埋深对管道屈曲失效形式的影响。研究成果对穿越断层管道的设计与安全评价有一定的指导意义。     

基于应变的管道强度设计方法的适用性

对比分析了基于应力和基于应变两种管道强度设计方法的实质内容、设计理念和适用性:来源于传统的材料强度理论的基于应力的管道强度设计方法是一种适用于在内压、温差等以力为控制参量的载荷作用下的弹性设计;来源于极限设计理念的基于应变的设计方法则是一种塑性设计,适用于一旦发生重大地质灾害,作用于管道上的载荷以位移作为控制参量。后者是在前者难以满足管道强度要求时采用的,是对前者的补充。提出了基于应变设计方法的适用条件及其需要注意的问题,对于我国今后在管道设计中采用该方法具有一定的指导作用。     

逆断层作用下X80埋地管道的非线性屈曲分析

埋地高强钢管道是油气长距离输送的主要方式,而地震造成的断层位移错动严重威胁管道的安全运行。建立了埋地X80高强钢管道在逆断层作用下的有限元模型,采用弯管与管单元模拟管道,非线性土弹簧模拟管土相互作用。考虑了管材、管土、几何大变形造成的非线性,模型采用非线性稳定算法,保证了求解的收敛性。依据西气东输二线工程参数,详细分析了逆断层作用下管道的两种屈曲失效形式,即梁式整体屈曲失效与壳式局部失稳失效。同时,讨论了断层倾角、管道壁厚及埋深对管道屈曲失效形式的影响。研究成果对穿越断层管道的设计与安全评价有一定的指导意义。     

融沉位移作用下X65管道的应变响应

冻胀融沉引起的土壤位移会对埋地管道的结构安全造成重大威胁。基于非线性有限元程序ABAQUS，采用INP编程语言建立融沉位移作用下管道应力应变响应的参数化数值求解模型，并试验验证了模型的准确性。通过影响因素分析，探究了管道的应变分布特性。结果表明：对于穿越多冰冻土区的X65管道，在融沉区宽度较小的情况下，管道内最大轴向应变位于融沉区中心，管道拉应变大于压应变，整体受拉；当融沉宽度大于60 m时，管道随地表一同融沉，管道最大应变体现为弯曲应变，最大应变位于融沉区边缘，融沉区宽度增加不会对管道应变产生明显影响。因此，在冻土融沉区地灾监测中应重点识别融沉区范围，对于小范围融沉，需要对融沉区中心和边缘应变状态加以监控；对于60 m以上融沉区，则需要对融沉区边缘加以监控。（图9，参23）