1、第 14 卷 第 22 期 2014 年 8 月1671 1815( 2014) 22-0017-06科學技術與工程Science Technology and EngineeringVol. 14 No. 22 Aug 2014 2014 Sci. Tech. Engrg.石油技術地震帶穿越河流管道應力分析研究李佳駿1初飛雪1唐道林2( 中國民航大學1 ，天津 300300，中國石油大學( 華東) 2 ，青島 266580)摘 要 近年來，國內外地震災害頻發，作為能源大動脈的長距離輸油氣管道面臨前所未有的安全隱患。鑒于地震帶穿越河 流管道遭受荷載情況的復雜性，根據地震帶穿越河流油氣管道的特點

2、，分析了應力分析時應該考慮的荷載類型和目前地震荷 載主要分析技術方法，提出了建立應力分析模型及邊界條件的簡化處理方法，利用 CASEAII 對實際工程進行應力分析研究， 得到應力分布狀況評價，供技術人員參考。關鍵詞 地震帶穿越管應力分析中圖法分類號 TE88;文獻標志碼 A國內外目前還沒有專門開展對地震帶穿越河流 管道的應力分析研究，但已有模擬地震對管道作用 的方法及穿越管道的設計規范。模擬方法主要有靜 態荷載等效法和響應譜分析法。1943 年 Courant 等人提出了有限元思想并應用 于力學分析。隨著計算機技術的發展，以有限元法 為基礎的管道應力分析軟件在管道應力分析中得到 普遍應用。國內

3、外專業管道應力分析軟件主要有 CAESAII、AUTOPIPE、AUTOPSA、ASIP 等，其 中CAESAII、AUTOPIPE 軟件在國內各大設計院得到 廣泛的應用，都可以用于模擬地震對管道的作用，與 國外軟件相比較，國內管道應力分析軟件在軟件功 能、開發完善、標準規范、技術支特等方面，還存在較 大差距。但我國管道應力分析的基本原理、分析方 法、安全評定條件與國外無本質區別，我國現有國家 標準 GB 50316工業金屬管道設計規范1及其他 涉及管道應力分析內容的其它標準基本上都參考了 美國 ASME B31 系列2，3標準。在穿越河流管道設計方面，主要采用溝埋敷設。 GB 5042320

4、07油 氣 輸 送管道穿越工程設計規 范 4 對穿越管道的設計作了具體要 求，GB 504702008油氣輸送管道線路工程抗震技術規 范5提出了穿越管道的抗震設計方法。但規范只 從理論上對抗震設計進行了計算推導，設計方法單 一，缺少地震荷載對穿越管道作用情況的實際模擬。2014 年 3 月 20 日收到第一作者簡介: 李佳駿( 1990) ，男，陜西西安人，碩士。研究方向:1應力分析方法和技術地震帶穿越河流管道主要面臨永久荷載和偶然 荷載，應力分析關鍵技術可以概括為: 一是地震對管 道作用的模擬; 二是多種荷載對管道綜合作用的簡 化和模擬。目前國外先進的應力分析軟件已具有模擬地震 對管道作用的

5、實力，但對于油氣管道并不完全適用。 穿越河流油氣輸送管道屬于埋地管道，建立應力分 析模型首先要考慮土壤對管道的作用，目前都以雙 線性約束彈簧6進行模擬。當管段較長時，埋地管 段將會具有很多雙線性約束彈簧，彈簧數量越多，會 影響動態地震荷載的添加以及地震荷載的作用; 另 外，地震對管道作用一般采用靜態荷載等效法或響 應譜分析法進行模擬，但響應譜方法分析地震荷載 作用時，常需要指定特定響應譜，對于具體的管道的 設計沒有適用價值，管道設計時用靜態荷載等效法 更為適當。該類管道面臨荷載條件復雜，應力分析時，要將 每一種可能的荷載添加到應力分析模型中，特別是 土壤作用、水的靜壓作用以及地震對管道的作用。

6、 由于穿越河流管道設計時要考慮汛期洪水的沖刷、 洪水的水位高度對管道的影響; 并且具體河流的河 灘、河床情況以及土壤地質條件并不一樣，因而在荷 載處理方面，應該根據具體的工程進行具體的分析。 當被分析管道所面臨的荷載條件得到正確處理后， 應力分析軟件可對多種荷載 共同作用進行模擬 分析。1. 1地震荷載分析方法7油氣管道儲運技術。E-mail425039972 qq. com。地震荷載是由于地面的運動( 加速度、速度18科 學 技 術 與 工 程14 卷表 1 地震荷載分析方法表Table 1 Methods of seismic analysis方法名稱主要特點優勢劣勢結構剛度抽象為無限大，

7、地震 反應靜態荷載等效法將地震荷載等效為靜力，地震對結構的影響主要歸結為地面最大加速度應用廣泛，避免響應譜分析的盲從性與結構自振特性相脫離，分析 結果 與實際存在差異采用現有的響應譜對結構進行分析， 考慮地面最大加速對結構的影響，并計只能采用同類地震響應譜對管道結響應譜分析法時程分析法各方向響應通過用戶指定方式進行組 合，總相應通過 SSS 法組合 地震特征參數包含最大加速度和地震 持續時 間，考 慮 震 級與距震中遠近 有關入了結構動力特性對反應的影響，較準 確描述物體結構對地震做出的反應真實描述結構對地震的反映，計算值非 常接近實測值構進行分析，分析結果與實際 存在 差異分析復雜，對計算裝

8、置要求很高，運 行速度慢，對管道震害分析不足和位移) 產生的，符合慣性荷載特性，屬動荷載。目 前模擬分析方法主要有: 靜態荷載等效法、響應譜分 析方法和時程分析方法。其中靜態荷載等效法在管 道設計時應用最為廣泛，響應譜方法可對具體的地 震波響應進行較準確模擬，而時程分析法過程繁瑣 且技術不夠成熟，目前幾乎沒有應用。1. 2 溫度、壓力等計算條件的確定方法管道應力計算所采用的溫度和壓力，稱為計算 溫度和計算壓力。穿越河流管道應力分析計算條件 的規定如下:( 1) 計算溫度: 按穿越河流管道工作時可能遇 到的最高溫度選取;( 2) 計算壓力: 按穿越河流管道工作時可能遇 到的最高壓力選取，管道及其

9、每個組件的計算壓力， 不應小于運行中遇到的內壓或外壓與溫度相偶合時 最嚴重條件下的壓力，如果管道處于設計階段，按照 其設計壓力進行計算;( 3) 環境溫度: 在沒有特殊要求情況下，取 為 20 。如果需要具體分析管道所受溫度荷載 的影 響，應分別考慮穿越管道所面臨的最高環境溫度和 最低環境溫度。2應力分析模型的建立及邊界條件的 處理2. 1 應力分析總體技術路線圖 1 應力分析技術線路框圖Fig. 1 Circuit diagram of stress analysis從圖 1 看出，地震帶穿越河流管道的應力分析 過程可以分為靜態分析、靜態地震分析和動態地震分析三部分。其中靜態分析主要是對穿越

10、管道在持 續荷載作用下的一次應力、溫度荷載作用下的二次 應力以及操作條件下的應力進行分析和校核，以判 斷管道在安裝、工作條件下的安全性。靜態地震分 析和動態地震分析是指對穿越河流的油氣輸送管道 進行地震荷載分析，判斷管道在特定地震荷載作用 下的安全性能分析。2. 2 模型的建立方法模型建立主要包括兩步: 一是管道實體模型的 建立; 二是邊界條件的處理。其中第一步管道實體 建模比較簡單。首先，對具體的穿越河流輸氣管道 進行分析，分析其兩端模型模擬的截止處，一般在穿 越管道兩側與外部管道相連處模型截止; 其次，任選 管道一端起始，在 CAESAII 軟件中按照管道走向 依次添加直管、彎頭等基本管件

11、及其對應參數，注意 參數大小和軟件中顯示的單位，務必保持參數正確 性及管道整體模型與實際相符合 。建模時，除了需要輸入各個管件的參數以外，還 需要輸入管道輸送介質的密度、保溫層密度、保溫層 厚度、計算壓力、計算溫度等參數。其中輸送介質的 密度的輸入時，無論管輸介質是氣體還是液體，只需 要輸入其密度，軟件在進行應力計算時將會根據輸 入的密度考慮管輸介質對管道應力的影響; 保溫層 密度和厚度，根據穿越管道采取的保溫層材料的實 際情況進行設置，應力分析計算時也會自動對此參 數進行考慮。2. 3 邊界條件的處理地震帶穿越河流油氣輸送管道進行應力分析時 的邊界條件主要是指力邊界條件，在運用 CAESA-

12、 II 軟件建立應力分析模型時邊界條件的處理主要 包括如下三個方面: 靜水壓力的處理、土壤荷載的處 理、地震荷載的處理。2. 3. 1 靜水壓力的處理管道處于河流水位線以下的管段部分，分析時 需要對其添加靜水壓力的作用，在 CAESAII 中，靜22 期李佳駿，等: 地震帶穿越河流管道應力分析研究19水壓力按均布荷載方法進行添加，均布荷載的大小 按照式( 1) 進行計算。Fw = gDH( 1)式中，Fw 為單位長度管段所受靜水壓力( N / m) ; 為水密度( kg / m3 ) ; g 為重力加速度( m / s2 ) ; D 為管 道外徑( m) ; H 為管道上方的水深( m) 。穿

13、越河流管道可能處于水面高度不一的漫灘、 河床等不同位置，靜水壓力大小也不一，應合理對管 道進行區域劃分，無統一的方法。2. 3. 2 土壤荷載的處理CASEAII 對土壤荷載的模擬算法是用具有初 始剛度、極限載荷和屈服剛度8的雙線性彈簧來模 擬。通常屈服剛度設為接近于零的數，即一旦達到 作用在土壤中的極限載荷，則即使位移不斷增加極 限載荷也不會進一步增加。分析埋地管道需計算軸 向和橫向極限載荷，而后管道四周剛度可通過極限 載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計算公式如下所述( 1) 軸向極限載荷( Fax ) 。 F = WXg( 7)式中，F 為作用于單

14、位長度管道上的地震荷載; W 為 單位長度管道的重量; X 為地震加速度系數，一般設 計時取 0. 1; g 為重力加速度。( 2) 響應譜分析方法。用戶對于除地震荷載以 外邊界條件都處理完畢的穿越管道進行動態分析， 進入動態分析界面，然后在動態分析中選定地震荷 載的響應譜分析方法，然后用戶選定 CAESAII 軟 件提供的地震頻譜或者自己定義地震頻譜，再指定 地震荷載作用工況，最后進行參數設置并運行分析。 2. 3. 4其余邊界的處理其余邊界條件主要指穿越河流管道施工時混凝 土穩管對管道的作用。若穩管為馬鞍形狀，其與管 道不接觸或者為點接觸，那么可以將其對管道的作用用 Y 方向以及管道側向的

15、約束進行處理; 若穩管與管道非點接觸，可將其視為作用于管道的附加力 或附加重量進行處理。3 工程實例3. 1 工程概況介紹Fax = D(2s H + p +4 f )( 2)某輸氣穿越管道采用 D406. 4 7. 1 L360 mm 直式中， 為管道與土壤間的摩擦系數，淤泥取 0. 3， 細沙取 0. 4，沙礫取 0. 5，黏土取 0. 6 2. 4; D 為管道直徑; s 為土壤密度; p 為管道材料密度; f 為管 內介質密度。( 2) 橫向極限載荷( Ftr ) 。縫埋弧焊鋼管，設計壓力 4. 0 MPa，設計輸量 250 104 m3 / d。工程采用開挖溝埋方式穿越，穿越管道 總

16、長度為 186 m; 工區地形屬平原漫灘，主河道寬約 77 m，高差 3. 34 m; 全年最熱月 7 月，均溫 26 ，最 冷月 1 月，均溫 5. 6 ; 河流勘察期最大水深1. 0 m，Ftr = 0. 5s ( H + D)2 tan2 (45 + 壓縮系數)2( 3)枯水期最大水深 0. 5 m，平水期最大水深 1. 0 m，豐水期最大水深 2. 5 3. 0 m; 工程區屬于非中強地震 震中區，既無發生中強地震的背景，歷史上也未發生式中，H 為土壤表面到管道頂部的深度; 為土壤內摩擦角( 沙土取 27 45，淤泥取 26 35，黏土 取 0) 。( 3) 屈服位移( yd ) 。y

17、d = 屈服位移系數 ( H + D)( 4)式中，屈服位移系數默認為 0. 015。( 4) 單位長度管道上的軸向剛度( Kax ) 。Kax = Fax / yd( 5)( 5) 單位長度管道上的橫向剛度( Ktr ) 。Ktr = Ftr / yd( 6)以上的計算可由軟件自動完成，用戶只需指定 土壤參數9，并且對不同土壤性質、不同埋深的管 段進行劃分，軟件將會以雙線性彈簧模擬土壤對管 道的作用，彈簧的剛度與上面計算的結果一致。 2. 3. 3地震荷載的處理( 1) 靜態荷載等效法。靜力荷載通過 CAESA- II 軟件的均布荷載功能作用于管道。過中強地震，只受鄰近地區中強地震影響; 據

18、建筑抗震設計規范，該區抗震設防烈度為 7 度，設計基 本地震加速度值為 0. 10g ( g 為重力加速度) ，設計 特征周期 0. 40 s。鑒于 CASEAII 在埋地管段處理上的明顯優 勢，工程采用 CAESAII 軟件進行地震帶穿越河流 輸氣管道的應力分析，實體模型見圖 2，其中不含任 何邊界條件的設置，圖中白色的為管道，紅色為相應 管點的編號( 用黑色注明) ，編號依次為: 10、20、30、 70、80、90、100、110、120、130。其中 10 和 130 分別 為穿越管道的起點和終點; 20、30、110、120 為穿越 段的彎頭，其余管點將在下述分析中敘述。3. 2 邊

19、界條件處理3. 2. 1 靜水壓力處理區域 1 和區域 5 的靜水壓力為 3 982. 72 N / m，區域 2 和區域 4 的靜水壓力為 11 151. 616 N / m，區域 3 的靜水壓力為 13 541. 248 N / m。20科 學 技 術 與 工 程14 卷圖 2 該穿越管道實體模型Fig. 2 The model of pipeline圖 3 河流靜水壓力分析區域劃分圖 Fig. 3 The regional division of the river hydrostatic pressure analysis3. 2. 2土壤荷載的處理表 2 土壤類型及參數表Table

20、2 The types and parameters of soil土壤類型2345管道埋深 / m364. 23. 6摩擦系數0. 3土壤密度 / ( kgm 3 )5 000土壤內摩擦角 / ( )15無排水抗剪強度 / kPa未指定土壤壓縮系數8屈服位移系數0. 015熱膨脹系數11. 214 安裝溫度和操作溫度之差 / 21 軟件根據每一中土壤的參數計算土壤的性質， 并采用具有相同剛度的雙線性約束彈簧模擬土壤對 管道的作用。3. 2. 3 地震荷載的處理據建筑抗震設計規范 ( GB 500112001 )2008 版，工區抗震設防烈度為 7 度，設計基本地震 加速度值為 0. 10g

21、( g 為重力加速度) ，設計特征周 期 0. 40 s。因此對此穿越管道應力分析主要按照地 震加速度峰值為 0. 1g 的靜態等效法進行模擬，根據式( 3) 式( 7) ，可以計算作用于單位管道長度的地 震荷載為22穿越管道模型段劃分為 7 個區域( 圖 4 ) ，共分為 4 種土壤類型( 表 2) ，其不同點主要體現在管道 埋深上，其余參數基本一致。區域 1、7 屬于未處于 河道內的穿越管道( 2 號土壤) ; 區域 2、6 為處于漫 灘的穿越管道( 3 號土壤) ; 區域 3、5 為處于河床內與 漫灘交接處的部分穿越管道( 4 號土壤) ; 區域 4 為處 于河床中心受洪水沖刷最為嚴重的

22、部分穿越管道( 5 號土壤) ，根據每種土壤類型，軟件將采用具有相同剛 度的雙線性約束彈簧模擬土壤對管道的作用。圖 4 土壤荷載時管段區域劃分圖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。計算完單位長度所受地震荷載后，按均布荷載 添加方式將靜態地震荷載作用于 + X、+ Y、+ Z 三 個方向，大小均采用 0. 1g 加速度峰值的靜態等效荷載。3. 2. 4混凝土穩管的處理該管道穩管為馬鞍形，最低埋深 3. 6 m，將穩管 對管道的作用

23、用作用于 Y 方向的約束以及管道側 向的導向支撐進行模擬，即除軸向的運動不進行限制外，其余方向均有限制。3. 3結果評價由于管道較長，分析結果較多，再此只給出部分 節點應力情況。表 3 持續荷載作用下的部分靜態分析結果Table 3 The partial results of static analysis under sustained load軸向應力/ kPa彎曲應力/ kPa環向應力/ kPa標準應力/ kPa許用應力/ kPa比值/%32 277. 01 204. 1114 478. 9102 536. 6322 674. 63232 491. 2897. 2114 478. 91

24、02 404. 8322 674. 63232 508. 035. 7114 478. 9102 188. 4322 674. 63232 768. 577 772. 2114 478. 9159 482. 6322 674. 649管點管點說明28彎頭附近30彎頭33彎頭附近36直管段22 期李佳駿，等: 地震帶穿越河流管道應力分析研究21表 4 操作條件下的部分靜態分析結果軸向應力/ kPa彎曲應力/ kPa環向應力/ kPa標準應力/ kPa許用應力/ kPa比值/%56 209. 55 153. 9114 478. 999 334. 3322 674. 63152 813. 175 7

25、97. 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 operating condition管點管點說明165直管段105彎頭附近109彎頭附近110彎頭持續荷載作用下一次應力分布結果: 管點 36 標 準應力最大，為 159 555. 1 kPa; 編號 36 的管點彎曲應

26、力最大，為 77 772. 2 kPa; 管點 20 軸向應力最大，為 35 922. 73 kPa。操作條件下應力分布結果: 管點 105 標準應力 最大，為 137 463. 1 kPa; 編號 36 的管點彎曲應力最 大，為 77 726. 39 kPa; 管 點 165 軸 向 應 力 最 大， 為56 209. 53 kPa。溫度荷載作用下二次應力分布結果: 管點 109標準應力最大，為 5 753 025 kPa; 管點 121 彎曲應力最大，為 43 297. 57 kPa; 管點 165 軸向應力最大，為23 389. 36 kPa。表 5 溫度荷載作用下的部分靜態分析結果Ta

27、ble 5 The partial results of static analysis under temperature load 軸向應力彎曲應力環向應力標準應力許用應力/ kPa/ kPa/ kPa/ kPa/ kPa23 389. 40. 00. 023 389. 416521 634. 263. 20. 021 697. 5105管點管點說明165直管段105 彎頭附近 109 彎頭附近 19 923. 2 14 922. 1 0. 034 845. 3109 表 6 靜態地震荷載下的部分一次應力分析結果Table 6 The partial results of analysis

28、 under the static seismic load軸向應力/ kPa彎曲應力/ kPa環向應力/ kPa標準應力/ kPa許用應力/ 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. 01 367. 0114 478. 9101 799. 1322 674. 63235 959. 2771. 0114 478. 9101 564. 4322 674. 631管點管點說明33彎頭附近36直管段119彎頭附近12

29、0彎頭靜態地震荷載作用下一次應力分布結果: 管點36 標準應力最大，為 171 128. 8 kPa; 管點 36 彎曲應力最大，為 89 072. 09 kPa; 管點 120 軸向應力最大，為 35 959. 21 kPa。從應力分布結果可看出，該工程穿越管道靜態 分析的應力結果全部滿足 ASMEB31. 8 的要求。當 地震加速度峰值為 0. 1 g 的地震荷載作用于管道 時，管道的應力提高了 7. 25% 左右，仍然滿足 ASME B31. 8 的要求，管道依然能正常工作。注明: 持續荷載工況包括管道及其附件重量、介 質重量、壓力荷載、靜水壓力、土壤荷載的作用; 操作 條件指持續荷載和

30、溫度荷載的組合; 溫度荷載作用 指溫度荷載的單獨作用，不含其余荷載的作用; 靜態 地震荷載作用為地震荷載與持續荷載的共同作用。參 考 文 獻1 國家建設部 . GB 503162000，工業金屬管道設計規范 北京: 中 國計劃出版社，2000The national Ministry of construction. GB 503162000，Code for de- sign of industrial metallic piping Beijing: China Planning Press，20002 The American Society of Mechanical Engineer

31、s. ASME B31. 42009 pipeline transportation systems for liquid hydrocarbons and other liq- uids New York: ASME，20093 The American Society of Mechanical Engineers. ASME B31. 82010 gas transportation and distribution piping systems New York: ASME，20104 國家建設部 . GB 504232007，油氣輸送管道穿越工程設計規 范 北京: 中國計劃出版社，2

32、007The National Ministry of Construction. GB 504232007，Code for design of oil and gas transportation pipeline crossing engineering Bei- jing: China Planning Press，20075 國家建設部 . GB 504702008，油氣輸送管道線路工程抗震技術 規范 北京: 中國計劃出版社，2008The National Ministry of Construction. GB 504702008，Oil and gas pipeline rou

33、te engineering technical specification Beijing: China Planning Press，20086 唐永進 . 壓力管道分析( 第二版) 北京: 中國石化出版社，2010 Tang Yongjin. Analysis of pressure pipeline ( the second edition) Beijing: Sinopec Press，20107 大崎順彥 . 地震動的譜分析入門 北京: 地震出版社，2008 Nobuhiko O. Spectral analysis of earthquake ground motion Beij

34、ing: Seismological Press，20088 劉鴻文 . 材料力學( 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 學 技 術 與 工 程14 卷9 劉仕鰲，蒲紅宇，劉書文，等 . 埋地管道應力分析方法 油氣儲運，2012; 31( 4) : 274278，327，328Liu Shiao，Pu Hongyu，Liu Shuwen，et al Stress analysis of burie

35、dpipeline Oil and Gas Storage and Transportation，2012; 3( 4) : 274278Stress Analysis of iver-crossing Pipeline in Seismic BeltLI Jia-jun1 ，CHU Fei-xue1 ，TANG Dao-lin2( Civil Aviation University of China1 ，Tianjin 300300，P China; China University of Petroleum ( Hua Dong) 2 ，Qingdao 266580，P China)Abs

36、tract 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 hidden danger. According to the complexity of the river crossing pipelinesloading conditions in the seismic belt

37、，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 boundary conditions is presented. In order to get the stress distribution，stress analysis was studied for the pract

38、ical 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 頁)mining pressure firstly Ground Pressure and Strata Control，2005;2: 17183 董洪生 . 山體賦存煤層原巖應力分布規律 能源技術與管理，2010; 10( 6) : 1416Dong H S. The original rock stress distribution law in subsequent oc- currence of coal seam Energy Technology and Management，2010