埋地天然气管道地震反应数值模拟分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com石油天然气学报2012年3月第34卷第3期JournalofOilandGasTechnologyMar．2012Vo1．34No．3埋地天然气管道地震反应数值模拟分析杜国锋，宋鑫(长江大学城市建设学院，湖北荆州434023)[摘要]油气管道是国家工业生产、人民生活的重要能源设施，一旦遭遇地震破坏将造成重大危害与损失，如何提高油气管道的抗震能力尤为重要。利用大型通用有限元软件ANSYS10．0模拟分析天然气管道在仅有内压情况下的地震动力反应。结果表明：不同埋土条件对管道地震反应影响很大，管道内压、管径等对其影响较小。研究成果

2、为埋地天然气管道的抗震研究提供依据。[关键词]天然气管道；地震作用；数值分析[中图分类号]TE973[文献标识码]A[文章编号]1000—9752(2012)03—0157—04自从1986年我国第一条跨地区输气管道“中一沧”(河南濮阳至河北沧川)管道建成投产以来，我国先后投资建设了“陕一京”一线、“陕一京”二线、“西气东输”一线、“西气东输”二线、“川气东输”、“忠一武”(重庆忠县至武汉)管道、“陕一京”三线(陕西榆林至北京昌平区西沙屯末站)、“冀一宁”(河北安平至江苏青山)管道等一大批跨地区输气管道。截止2008年底，我国已建油气管道的总长度约为6．4×1

3、04km，其中天然气管道3。2×10kmL1]。“十二五期间，我国将重点进行中一哈原油二期、中一亚天然气、中一俄天然气、中一缅油气“四大油气资源战略通道”、联络线及配套支线建设。预计全国将新建油气管道约5×10km；到2015年，全国油气管道的总里程将达到约12×10kmL2]。我国是一个地震频发的国家，地震中许多燃气管道发生了不同程度的破坏，严重影响了人们的生产和生活，并引起了严重次生灾害[33。因此，研究和提高天然气管道的抗震性能是人们一直关注的问题。未来油气管道将朝着大口径、高压力等趋势发展，对管道抗震性能研究提出了更高的要求。为此，笔者利用大型通用有限

4、元软件ANSYS10．0建立了埋地天然气管道的土弹簧分析模型，考虑了管道的管径、内压、土弹簧刚度等因素对其抗震性能的影响。1有限元模型的建立目前，关于埋地管道的常用理论模型有2种，一种是假设管道埋于无限空间中，土介质为线弹性介质，管道与土之间的相互作用采用半无限空间中土一管道相互作用刚度来考虑，建立土一管联动方程；另一种是采用弹性地基上的连续梁进行分析，土体对管道的作用以分布的弹簧来模拟，土体和管道可以相对运动[4]。该次研究采用第二种理论模型进行分析。在利用有限元分析方法进行埋地管道研究中，主要有2种分析方法，一种为梁单元法，另一种为壳单元法[5]。无论是梁

5、单元法还是壳单元法，土与管体之间的相互作用是连接在管单元节点上的轴向和横向土弹簧(包括水平向土弹簧和垂直向土弹簧)来考虑，如图1所示。这些弹簧分别用来模拟管轴方向的土摩擦力，水平方向和垂直方向的土压力。在该次研究中，为了简化计算，忽略了轴向土的摩擦力，只考虑土体竖向和侧向的压力。管和土的相互作用采用COMBIN14弹簧单元模拟。钢管采用梁单元模拟，网格划分如图2所示。17"2^水平方向弹簧系数根据《日本石油管道抗震设计指南》确定：K：G～3G(硬土一软土)，G=生。[收稿日期]2011—12—2O[基金项目]中圈石油科技中青年创新基金项目(2001D-5006

6、—0605)；中国博士后科学基金项目(20110491155)。[作者简介]杜图锋(1975一)，男，1998年江汉石油学院毕业，博士副教授，现主要从事油气田工程防灾减灾等研究工作。学兔兔www.xuetutu.com·158·石油天然气学报石油机械工程2012年3月其中，G为土的剪切模量，N／ram；以为局部场地土的容重，N／m。；为土的剪切波速，m／s；g为重力加速度，m／s2。垂直方向弹簧系数由美国规计算：Kv一。．6s×(嚣4)1(r)，其中，E为土体弹性模量，N／ram；D为管道直径，m；E为管材弹性模量，N／ram；为管截面惯性矩，m；为土体的泊松

7、比。K为管轴方向弹簧系数；KH为水平方向弹簧系数；为垂直方向弹簧系数图I模拟埋地管道-弹簧模型图2管道模型网格划分2算例及计算结果分析该次研究的算例采用的管道内直径分别为440、640、840、1040、1440mm，壁厚均20ram，管道长度均9m，弹性模量210GPa，泊松比0．3；管道埋地深度均3m，管道内部施加压力分别0．1、0．2、0．5MPa；场地土剪切波速500m／s，泊松比0．333；边界条件采用固端边界模型，输入一组人工地震波。分析表明，在轴向地震作用下，管道横向的位移响应幅值很小，管道轴向位移响应要远远大于横向位移响应。图3给出了管径为44

8、0mm，内压为0．1MPa管道上525