許 晨，王怡瑋，李 明

1中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國石油集團工程股份有限公司，北京

3中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

斷層是地震對埋地管道作用的重要方面，斷層兩側的土體在地震過程中發(fā)生相對位移滑動從而對管道產(chǎn)生較強的破壞作用。根據(jù)斷層的移動方向，可以將斷層分為走滑斷層、正斷層和逆斷層，走滑斷層主要在水平方向發(fā)生相對位移，可以導致管道拉伸和壓縮；正斷層和逆斷層在豎直方向發(fā)生相對位移，正斷層一般使管道承受拉伸變形，而逆斷層一般使管道承受壓縮變形；逆沖走滑斷層同時具有走滑斷層和逆沖斷層的特點。斷層分布一般較長，油氣長輸管道也具有點多線長的特點，特殊情況下將不可避免穿越斷層，而逆沖走滑斷層對管道的破壞作用也較大。大口徑高鋼級管道穿越活動斷層時抵抗相對位移載荷的能力較強，而小口徑管道一般鋼級較低，同時壁厚也較薄，穿越斷層時對位移載荷抵抗能力較差，因此小口徑低鋼級管道穿越逆沖走滑斷層難度較大，有必要通過工程研究采取相應的措施降低逆沖走滑斷層對小口徑低鋼級管道的影響，保障油氣管道安全運營。

通過對管道穿越逆沖走滑斷層的模型設計，利用多個應力補償裝置并改善管溝的敷設條件，可以提高管道的抗剪切和壓縮能力，緩解因斷層發(fā)生位移對管道產(chǎn)生的破壞作用；同時，在穿越斷層附近管道設置應力監(jiān)測裝置[1]，對斷層作用下的管道進行實時監(jiān)測，為管道運行安全監(jiān)控提供一手資料，可根據(jù)管道應力狀態(tài)適時采取相應的措施。總結小口徑低鋼級管道穿越逆沖走滑斷層的設計方法，對同類工程具有一定的借鑒意義。

2. 建立模型

管道與滑坡體相互作用需要確定管材的本構模型，土壤的本構模型和兩者之間相互作用的方式。目前有限元分析中管單元主要選擇的類型有管單元、彎管單元和殼單元三類[2] [3]，其中管單元是以梁單元為基礎是一類軸向拉、壓、彎、扭的空間單元，每個節(jié)點都有6 個自由度，包含了用于處理管的對稱性和標準管幾何尺寸的專用特性，彎管單元與管單元具有類似的特點，當結構的總體厚度相對于典型長度很小時可使用殼單元。土壤的本構一般選用彈簧單元，彈簧單元是一類專門模擬彈簧行為的單元，當用于一般彈簧時比較簡單，此類型單元可以用于模擬鉸鏈和扭簧等行為，沒有面載荷和體載荷。

2.1. 管材的本構模型

由于滑坡作用下管道受力屬于大位移非線性有限元分析問題，一般采用管單元就可以滿足該類問題計算的需求，同時采用管單元還具有計算效率高的特點，因為這里油氣管道選用管PIPE20 單元進行模擬，PIPE20 不但是具有拉壓、彎曲的單元，還具有扭轉性能的單軸單元，每個節(jié)點都有6 個自由度，該單元還有塑形、蠕變和膨脹功能。有限元模型如圖1 所示。

Figure 1. Finite model of pipe element圖1. 管單元有限元模型

計算管道應力時，考慮材料的非線性，根據(jù)《油氣輸送管道線路工程抗震技術規(guī)范》(GB/T 50470-2017)，管材應力應變曲線采用Ramberg-Osgood 方程擬合[4]，如下式所示。

式中：

ε——應變；σ——應力，MPa；E——管材彈性模量，取2.1 × 105MPa；σ0——管材的屈服強度；α——屈服偏移量，取1.699；n1——強化指數(shù)，取14.14。

2.2. 土彈簧模型

埋地管道的土壤約束一般都是簡化為離散的非線性彈簧[4] [5] [6]，從簡化后的模型看，管道的約束被簡化為三個方向的非線性彈簧：(a) 管軸方向；(b) 水平橫向；(c) 豎直方向。三個方向的土的非線性如下圖所示，如圖2 所示。

Figure 2. Soil spring in three directions and pipe-soil interaction model圖2. 三軸土彈簧即管土相互作用模型

管周土體采用ANSYS 軟件中的COMBIN 39 單元模擬，COMBIN 39 是一種非線性的彈簧單元，具有廣義力-變形(即F-D)曲線的單向單元。在一維、二維和三維模型中，該單元均具有軸向變形與扭轉功能。軸向彈簧在每個節(jié)點的自由度有3 個，具有單軸拉壓的特點，無彎曲或扭轉能力；扭轉彈簧在每個節(jié)點也是只有3 個自由度，只有純扭轉行為，無彎曲和軸向拉壓能力。

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2.3. 管道應力分析準則

綜合對比國內(nèi)外輸氣管道標準規(guī)范，埋地管道應力校核主要包括軸向應力和等效應力的校核。彎管的軸向應力和等效應力參照相同的直管段標準進行計算和校核。

當管道發(fā)生位移時，軸向應力也會發(fā)生變化，需要校核軸向應力，也需要對等效應力進行校核。

1) 軸向應力校核?！禛as Transmission and Distribution Piping Systems》(ASME B31.8)規(guī)定，埋地管道直管段軸向應力不超過0.9 倍最小屈服強度[5]，如下列公式所示：

式中：

σL為軸向應力，MPa；σP為內(nèi)壓引起的軸向應力，MPa；σT為溫差引起的軸向應力，MPa；σX為軸向載荷引起的軸向應力，MPa；σB為管道彎曲引起的軸向應力，MPa；μ為泊松比；E為鋼材的彈性模量，MPa；α為鋼材的線膨脹系數(shù)，℃-1；t1為管道下溝回填時的溫度，℃；t2為管道的工作溫度，℃；R為軸向載荷，MN；A為管道橫截面積，m2；M為管道截面彎矩，MN?m；W為彎曲截面系數(shù)，m3。

2) 當量應力校核

發(fā)生沉降位移管道的當量應力按照《輸氣管道工程設計規(guī)范》中的要求進行校核計算[6]，如下式所示：

σe為當量應力，MPa；hσ′為內(nèi)壓產(chǎn)生的管道環(huán)向應力，MPa。

2.4. 幾何模型

本工程管道穿越逆沖走滑斷層附近，地廣人稀且地勢較為平坦，因為考慮在斷裂帶中心兩側分別設置多處彎管補償；根據(jù)逆沖走滑斷層水平位移和豎向位移的大小進行優(yōu)化計算，選擇對管道影響最小的穿越角度；活動斷裂帶兩側管溝開挖時降低兩側坡度，并采用松散沙土回填，管頂埋深在合理范圍內(nèi)越淺越好，管道走向布置幾何模型如圖3 所示。

Figure 3. Pipeline plan plot at fault crossing location圖3. 穿越斷層管道平面走向布置

3. 管道穿越某逆沖走滑斷層

3.1. 土壤參數(shù)

對某小口徑管道穿越逆沖走滑斷層進行計算，分析管道在逆沖斷層作用下的應力狀態(tài)，同時分析采用上述設置多個補償裝置穿越逆沖斷層的方法是否滿足穿越要求。穿越斷層管道的基本參數(shù)如表1 所示。

Table 1. Basic information of pipeline at crossing fault location表1. 穿越管道基本信息參數(shù)

3.2. 土壤參數(shù)

管道穿越該逆沖斷層附近，管道斷裂帶影響范圍區(qū)域外按照密實粘土回填計算，斷裂帶兩側按照松散沙土回填計算，土彈簧的計算可以參考GB/T 50470《油氣輸送管道線路工程抗震技術規(guī)范》中的計算公式進行計算，本案例中土壤參數(shù)和土彈簧計算參數(shù)分別如表2 和表3 所示。

Table 2. The loose sand parameters表2. 松散沙土土壤參數(shù)

Table 3. The soil spring calculation parameters in three directions表3. 三軸土彈簧計算參數(shù)

3.3. 斷裂帶校核計算

斷層兩側設置的彎管補償可以產(chǎn)生較大的位移；距離斷層最近的彎管補償產(chǎn)生的位移最大，距離斷層越遠彎管補償產(chǎn)生的位移越??；多個彎管補償產(chǎn)生的位移疊加可以有效緩解斷層處管道所承受的應力。管道最大當量應力處于距離斷層最近的熱煨彎管處，該彎管補償產(chǎn)生的位移和熱煨彎管的應力分布情況如圖4 所示。彎管補償產(chǎn)生的位移和最大當量應力如圖4 所示。

Figure 4. The displacement change and stress nephogram of hot bend圖4. 彎管位移變化及應力分布云圖

在本案例所建立的管道穿越逆沖斷層敷設方案條件下，分別按照設計壓力9.0 MPa、溫差為10℃和內(nèi)壓為0 兩種工況進行校核，所得計算結果如表4 和表5 所示。

Table 4. The pipeline longitudinal stress check result表4. 管道軸向應力校核結果

Table 5. The pipeline equivalent stress check result表5. 管道當量應力校核結果

根據(jù)計算結果可知，采用多個管道應力補償裝置穿越逆沖斷層的敷設方式，其應力校核能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

3.4. 小口徑低鋼級管道穿越逆沖走滑斷層敷設措施

1) 小口徑低鋼級管道穿越逆沖斷層，可以采用斷裂帶兩側分別設置多個補充裝置的方式通過，多個補充裝置可以有效的緩解斷裂位移對管道的作用。實際工程中，還需要根據(jù)地震評價報告，取得評價報告相關幾何、運行參數(shù)后再進行校核計算，并根據(jù)計算結果采取必要的工程抗震措施。

2) 小口徑低鋼級管道穿越逆沖斷層，還可以采用其它防護措施保障管道運營安全，例如通過計算合理選取管道與斷裂帶交叉角度；合理選取管道下溝回填時溫度，降低管道運行時溫度與下溝回填時溫度差，從而降低熱應力的影響；穿越斷層管道根據(jù)管長實際生產(chǎn)能力盡量選取壁厚較大、鋼級較高的管道；穿越斷裂帶的管道焊縫進行100%射線照相和100%的超聲波探傷檢驗等。

3) 小口徑低鋼級管道穿越逆沖斷層，對于管溝斷面坡度盡量小，減少管道在斷層位移載荷作用下的側向約束；斷層兩側回填材料可采用松散沙土回填，在合理范圍內(nèi)盡量減小管頂埋深；管溝頂鋪設一層植生袋等柔性材料護面，防止管溝內(nèi)回填土流失；管道穿過截水墻或水工保護構筑物基礎時，管道周邊預留不小于25 mm 的空隙，并采用柔性減震材料填塞。

4) 對穿越逆沖斷層段的管道進行應變監(jiān)測?？紤]斷層活動可能會對管線造成的影響，為實時采集、監(jiān)控斷層活動情況下管道所處應力應變狀態(tài)，為管道運行決策提供數(shù)據(jù)支撐，本工程對通過該斷裂帶段的管道進行應變監(jiān)測。管道本體變形采用振弦式應變傳感器技術測量，由變形測量系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成，在每個管道上分多個截面觀測，截面間距50 m 左右，每個截面配置3 個應變計，當管體附加應力超過允許附加應力的30%、60%、90%產(chǎn)生不同級別的報警信息，對應相應的預警級別采取相應的應對措施，以消減災情的發(fā)展和防止災害的發(fā)生。

4. 結論

小口徑低鋼級管道穿越逆沖走滑斷層，雖然管道本身口徑小強度低，在逆沖斷層位移載荷的作用容易發(fā)生變形或斷裂，但是通過在斷層兩側分別設置多個應力補充裝置的方式，可以有效地緩解斷裂位移對管道的作用。通過有限元分析方法可以模擬計算管道在位移載荷作用下的強度，通過調(diào)整穿越角度、穿越埋深等參數(shù)，可以降低管道受位移載荷的影響，為管道穿越逆沖走滑斷層時強度是否滿足校核要求提供依據(jù)。實際工程中，通過斷層附近管道設置傳感器，可以適時檢測管道在位移載荷影響下的應力變化情況，從而采取對應的應急管理措施。