地震液化區(qū)輸氣管道的應力反應分析研究

張思琦 張逸美

（中國石油集團工程設計有限責任公司 北京分公司，中國 北京100085）

土壤液化是強震區(qū)管道的主要危害之一。 一旦土壤發(fā)生液化，管道就如同漂浮在液體之中。輸氣管道由于重量較輕在液化區(qū)會發(fā)生上浮，當管道上浮位移較大時會使得管道產生較大的彎曲而失效。 本文基于非線性有限元軟件ABAQUS 建立了液化區(qū)管道的有限元分析模型，給出了液化區(qū)管道應力的計算分析方法，對強震區(qū)管道的安全運行有著重要的實際意義。

1 液化區(qū)輸氣管道的受力形式

在工程實際中，土壤對管道的約束通常使用土彈簧來描述。 而土壤液化后其對管道的約束力也就大大減弱，工程中常常將液化區(qū)土彈簧弱化為原土彈簧的1/1000～1/3000。 從而可以得到液化區(qū)輸氣管道的受力狀態(tài)如圖1 所示，管道在液化區(qū)受到液化土浮力和重力的合力的抬升作用和弱化土彈簧的約束作用，而在非液化區(qū)受到正常土彈簧的約束作用。

圖1 液化區(qū)輸氣管道示意圖

液化區(qū)管道的浮力可根據下式求得：

非液化區(qū)土彈簧的大小可以根據ALA 《Guidelines for the design of buried pipelines》中給出的方法求得。

2 有限元分析模型

2.1 有限元模型描述

采用非線性有限元軟件ABAQUS 建立有限元分析模型， 管道采用PIPE31 單元離散， 單元長度為0.5m， 對兩側非液化區(qū)管道各取500m。 土壤對管道的作用使用一系列離散土彈簧表示， 本模型采用ABAQUS 軟件提供的PSI 單元模擬土彈簧。 其中將液化區(qū)的土彈簧弱化為正常土彈簧的1/2000 來模擬液化區(qū)的影響。 對液化區(qū)管道施加均布的抬升力來模擬液化土對管道的浮力作用。

2.2 管材模型

有限元模型中采用R-O 模型來描述管材的彈塑性模型。 表達式如下：

式中：E 為管材的初始彈性模量；ε 為應變；σ 為應力；σs為管材的屈服應力；α 和N 為R-O 模型參數。

3 案例分析

3.1 案例背景

本文取某管道實際工程數據進行分析計算，案例數據如下：土壤參數：土壤容重2000kg/m3，內摩擦角35°，管道埋深：2.1m，管土摩擦系數0.6。 土壤類型為密砂。 計算得到土壤軸向土彈簧剛度48.44KN/m、屈 服 位 移3.00mm， 豎 直 向 上 土 彈 簧 剛 度77.175KN/m、 屈 服 位 移31.5mm，豎直向下土彈簧剛度2605.82KN/m、屈服位移121.90mm。 管道參數：外徑1219mm，壁厚22mm，埋深2.1m。 管材X80HD2，彈性模量207GPa，屈服強度555MPa，R-O 參數α＝15.94 和N＝15.95。 液化區(qū)參數：液化區(qū)長度60m，單位長度管道的抬升力23KN/m。

3.2 案例結果分析

將抬升載荷施加到液化區(qū)管道單元上，進行有限元模型的求解分析。

在抬升力的作用下管道上浮， 液化區(qū)中心位移最大達到2.17m，管道恰好浮出土面。 圖2 給出了管道管頂、管底、管側的應力分布。 可以得到在均布抬升力的作用下，在液化區(qū)中心管道的頂部受拉，底部受壓。 在兩側非液化區(qū)正常土彈簧的約束作用下，液化區(qū)與非液化區(qū)的交界處管道的頂部受壓，底部受拉。 由于管道整體受拉伸作用所以管側應力均為拉應力。 管道的最大Mises 等效應力處出現在液化區(qū)與非液化區(qū)交界處，應力值為350MPa。

圖2 管道的應力分析結果

4 結論

本文基于非線性有限元分析軟件ABAQUS 給出了液化區(qū)輸氣管道上浮時的應力分析方法， 結合實際案例討論了應力分布的主要特點， 得出主要結論如下：ABAQUS 軟件用于管土作用下管道的應力分析計算具有建模簡單，計算速度快的優(yōu)點。 液化區(qū)輸氣管道在液化區(qū)與非液化區(qū)交界處應力較大。本文給出了一種適合工程應用的液化區(qū)管道應力計算方法，可用于管道基于應力的設計與校核。

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