穿越走滑断层埋地管道应变特性的试验研究

穿越断层的埋地管道在地震等外力作用下会发生屈曲、断裂等破坏,研究走滑断层作用下埋地管道的应变特性,对管道工程的设计和防护等具有重要意义.借助前期设计的场地变形组合试验装置,针对走滑断层的作用特点,模拟穿越此断层的埋地管道受力情况,测得随断层错动管道的应变分布及管道周边土体压力变化,分析管径变化对应变和管周土压力的影响,得出管道变形区域的范围.试验结果表明:断层面附近的管道在断层走滑错动过程中受到轴向拉力或压力的作用,其变形沿断层面与管道交点近似呈中心对称;距离断层较远的管道随土体一起运动,不会产生变形,即管道变形在断层附近的一定区域内;管径越大,受断层运动影响的管道变形区域越小;随断层错动位移量的增大,断层附近管道周围土压力和管道的轴向应变都增大,且随管道直径的增大管周土压力和轴向应变减少.     

断层上覆土层破裂对埋地管道的影响

利用ANSYS程序建立的三维管土非线性有限元模型,计算分析了断层基岩上覆土层的变形破裂形式、土层厚度及土层土质的硬度对埋地管道的影响.结果表明,埋地管线发生大变形及失效的位置由上覆土层的破裂形式决定,穿越土层发生塑性变形及破裂区域的管段是管道发生塑性变形的管段.当断层倾角发生接近于90°的错动时,随上覆土层破裂的发展,埋地管道产生两处塑性变形区段.上覆土层越厚,埋地管道发生塑性变形的长度越长,变形值减小.埋在土质较硬土层中的管道发生塑性变形的管段长度短,极限应变值大.     

跨断层聚乙烯埋地供水管线抗震反应参数分析

以供水用聚乙烯(PE)管线为研究对象,采用有限元分析软件ABAQUS建立管土非线性接触模型.采用薄壳单元模拟管线作为中空壳体结构的力学特性,采用三维实体单元模拟管线周围土体,分析逆断层作用下管线的地震反应行为.对可动盘土体施加挤压位错量来模拟逆断层运动,讨论埋地管线的跨逆断层反应行为,考察断层位错量、管线径厚比、场地条件、断层角度等因素对管线抗震性能的影响.结果表明:在断层作用下,供水用聚乙烯埋地管线的变形主要集中在断层引起的土体破裂带附近区域,且上述参数对埋地管线的抗断层反应性能均有一定的影响.     

埋地管道断层错动反应分析

跨断层埋地管道在断层错动下力学模型设计和受力分析一直是生命线工程的前沿问题.弹簧-管道-土体模型中,断层每侧沿管道方向的近断层土体采用实体建模,此范围内的土体与管道相互作用采用接触进行模拟,远离断层的管道与土体相互作用采用等效非线性弹簧模拟.采用有限元分析软件对模型进行实现,有限元模型考虑了管道与土体的材料非线性、几何非线性,管道采用四节点壳单元.分析了断层破碎带宽度、断层错距、管道埋深、直径,壁厚对管道的受力影响,得出一些有益结论.     

断层宽度对跨断层隧道错动反应特性影响的数值模拟

为了研究断层宽度对跨断层岩体隧道错动反应特性的影响,利用大型有限元软件ABAQUS,建立了断层错动三维有限元计算模型。在此基础上,以走滑断层为例,对比分析了断层宽度逐渐增大的过程中,跨断层岩体隧道的错动反应特性。计算结果表明:走滑断层错动作用下,衬砌拱腰主要承受拉/压应力,拱顶和拱底主要承受剪应力;拉/压应力峰值出现在变形最为剧烈位置处,剪应力峰值出现在错动盘和断层交界面附近。走滑断层错动对衬砌的影响范围随断层宽度的不同而有所不同:当断层宽度由0逐级增加至20、40 m时,影响范围逐渐增大;当断层宽度由40 m增加至60 m时,影响范围基本不变,说明断层错动对衬砌的影响范围存在一限值。     

埋地钢管在逆断层作用下失效模式研究

穿越逆断层的埋地管道在断层错动过程中呈现的失效样式复杂多样,根据逆断层错动管道受力特征分为压缩屈曲失效、Euler梁失稳失效两种失效模式,但对两种失效出现的工况认知不足.在管道抗震计算中通常借用管道在走滑断层错动时的反应分析方法来估算管道在逆断层中的变形状况,避免梁式失稳靠满足一定的埋深来保障.本研究利用ANSYS通用有限元程序建立了钢制埋地管道地震反应的有限元模型,以分析逆断层作用下管道的失效模式.该模型适合分析逆断层倾角≤80°的情况.计算结果显示:逆断层倾角≤45°,管道发生屈曲失效,管道失效部位在管道与断层破裂线相交处.倾角在50—70°之间,管道存在两种失效可能:当断层垂直位错量在0.7—1.0m之间时,管道出现失稳失效;当位错量大,错动速度快时,管道在与断层破裂线相交处发生屈曲失效.倾角在75—80°之间,管道屈曲失效和失稳失效可能相伴发生,屈曲失效部位出现在两处:(1)管道在与断层破裂线相交处失效;(2)失稳隆起处发生弯折.     

连续埋地管线沉陷情况下可靠度分析

场地的不均匀沉陷是埋地管线破坏的重要原因之一.运用均值一次二阶矩法和ANSYS中的蒙特卡罗法对埋地管线在地面沉陷位移、材料性能参数、内水压力等随机变量下的可靠度进行计算分析,得到考虑和不考虑管道内水压力时的可靠度系数和失效概率.结果表明,地面沉陷位移的变异性对沉陷区埋地管线的可靠度有着十分重要的影响,与不考虑管道内水压力作用的结果相比,考虑管道内水压力时的失效概率较大,可靠度系数较小;管道壁厚和直径的变异性对沉陷区埋地管线的可靠度也存在着不可忽视的影响.     

基于IMU数据的应变解析技术及其应用

长输埋地油气管线在严重的地灾作用下会引发管道变形,如果变形的管段存在缺陷,将极易导致管道失效,造成严重的环境污染和经济损失。准确地获取管道的变形情况并进行安全评价能够为保障管道安全稳定运行发挥重要的作用。基于IMU检测数据,通过小波变换降噪和油气管道设计规范进行特征识别的应变解析算法,能够有效地识别管线上的热偎弯管、冷弯管、弹性敷设段和重点关注段。该算法计算的管段弯曲拉伸应变值将结合ExxonMobil提出的拉伸应变容量预测模型对环焊缝进行基于应变的安全评价。在基于应变设计的高钢级油气管道已在国内油气运输行业得到广泛应用的背景下,可以参考该评价方法开展高钢级管道环焊缝的安全评价。     

地下管线跨越断层地震反应拟静力研究

对于跨越活动断层埋地管线地震反应问题,根据实际管线埋设情况,采用有限元实体简化模型,并在管段有效计算长度范围内设置弹性支座,对管土体系施加等效位移荷载,利用拟静力方法对断层运动引起的管线地震反应进行了计算,通过分析,考察了断层位错量,跨越角度,贯通裂缝宽度和径厚比等因素对管线地震反应结果的影响,得出了管线地震反应的一般运动规律,同时认为适当地设置弹性支座有利于管线有效抵抗断层运动造成的破坏作用.     

跨断层地下管道破坏的数值模拟

应用非线性有限元分析软件ADINA对跨断层地下管道破坏进行数值模拟．考虑管土相互作用,管道 模型划分为四结点薄壳单元(shell)结构,土体和断层模型划分为三维实体单元(3-D Solid),断层作为有厚 度的特殊材料考虑,管道采用钢管,建立了管土相互作用的有限元分析模型．计算中,分析了地下管道分别 在静载和动载作用下,考虑摩擦和不考虑摩擦下的变形情况,根据模拟结果绘出了管道变形图、应力云图 及应力矢量图等．通过比较不同情况下管道的反应特征,发现跨断层地下管道破坏分析中管土摩擦不容忽 视,并得出几点结论．     

穿越正断层埋地管线的破坏模式分析

在正断层引起的地面永久性大变形作用下,埋地管线可能会发生拉伸、剪切等形式的强度破坏,亦可能在局部受压区发生屈曲破坏。利用ABAQUS 有限元分析软件,建立穿越正断层埋地管线的空间有限元分析模型,采用非线性接触分析方法模拟正断层引起的地表永久性大变形作用下管线—土体间的相互作用,分析了不同管径、跨越角对管线破坏模式的影响。依据算例分析可知：小口径埋地管线易发生拉伸强度破坏,大口径薄壁管线易发生屈曲失效,口径0．65 m 是管线从发生强度破坏到发生屈曲破坏的临界值;当跨越角大于90°时,角度越大越易发生屈曲失效,跨越角为100°是埋地管线发生强度破坏与屈曲失效的分界点。     

逆断层作用下埋地管道局部屈曲行为研究

为研究断层作用下埋地管道的局部压溃和起皱行为,以黄土地层埋地管道为例,建立了管土耦合数值计算模型,分析了逆断层作用下埋地管道的变形及局部屈曲过程,研究了内压、径厚比及地层位错量对管道局部屈曲模式的影响规律。结果表明,随着地层位错量增大,断层面两侧管道出现应力集中,并逐渐演化为局部屈曲,埋地管道变形曲线由S形变为Z形,断层面两侧的管道变形并非呈对称或反对称分布,上盘区的管道屈曲现象较下盘区更为严重;地层位错量大于3倍管径时,管道轴向应变迅速增大;无压管道和低压管道的局部屈曲模式为压溃,而随着内压的增大,管壁屈曲模式由压溃变为起皱,且管道起皱幅度随着内压的增大而增大;上盘区管段屈曲部位与断层面之间距离受内压、径厚比影响较小,而压溃模式下下盘区屈曲部位与断层面之间的距离随着内压的增大而减小,起皱模式下二者之间的距离随着内压的增大而增大;不同地层位错量作用下,管道最大轴向应变随径厚比的变化呈现出不同变化规律。     

煤矿开采影响下浅埋输油管线变形及力学响应特性

针对输油管线穿越采动影响区时的管道变形、选型设计和安全防护等问题,以山东某煤矿3308工作面开采为背景,根据该区域地质条件、管道参数及实测数据,采用数值模拟方法分析了煤矿开采影响下管道的受力变形及区域性特征,研究了管道及土体不同物理力学参数对管道所受应力变化的影响。结果表明：受采动影响的埋地管道变形可分为无变形区段、拉压过渡区段和压缩变形区段,拉压过渡区段存在轴向应力方向变化的拐点;3308工作面开采过程中,管道中点处沉降位移最大,与模拟的管道沿线地表最大下沉值相等,管土间的变形为“管-土协同变形”,管道所受轴向应力由管道两端向中点先增大后减小再增大;不同的管道与土体物理力学参数对管道所受轴向应力的变化有着不同的影响,管线选型时需要综合考虑。研究结果可为采动影响区埋地输油管线的选型设计、施工运营和安全维护提供参考。     

不均匀场地钢制波纹接头埋地管线地震响应

震害调查表明,地震作用下埋地管线主要发生轴向接头拔出破坏,提升接头变形能力可有效地减轻埋地管线地震破坏.提出一种柔性大变形钢制波纹接头,以土弹簧模型考虑管土相互作用非线性特征,考虑两种力学性能的场地土,采用有限元方法对不均匀场地下埋地管线进行地震响应分析.分别建立有波纹管接头连接和无接头埋地管线有限元模型,数值分析了不...     

打孔管道焊接修复结构的残余应力测试

输油管道上的打孔盗油案件时有发生。对被打孔的管道，只能采用焊接方法抢修，而焊接产生的残余应力影响管道承压能力和剩余寿命。为了解管道修复中焊接残余应力对管道完整性的影响，用钻孔法分别测试了打孔管道的不同焊接修复结构的残余应力，并和管道螺旋焊缝处的残余应力进行了对比。测试结果表明，焊缝近处存在残余应力，且距焊缝越近，残余应力越大。管道修复结构中的残余应力的第一主应力多为拉应力，其最大值为管材屈服极限的70．94％；管道螺旋焊缝处的残余应力的第二主应力为压应力，其最大值约为管材屈服极限的74.66％。同时在焊接接管的根部存在较大的残余应力。     

基于裂纹尖端张开角含轴向穿透裂纹X80管道极限压力预测

准确预测含轴向穿透裂纹管道极限压力对其安全运行具有重要意义,但现有极限压力预测模型已不满足高韧性、高强度X80管道的评定需求。对含轴向穿透裂纹X80管道极限压力进行研究,建立含轴向穿透裂纹X80管道壳单元与三维实体单元数值模型,应用壳单元模型替代三维实体单元模型以简化分析过程并提高计算效率。基于含裂纹管道壳单元模型,选用临界裂纹尖端张开角作为断裂参量,分析初始裂纹长度、检测单元长度、管道壁厚等不同因素对极限压力的影响,提出极限压力预测修正模型。将基于修正模型的管道爆破压力预测结果与试验测试结果进行对比分析。结果表明,初始裂纹长度与极限压力呈负相关关系;而检测单元长度和管道壁厚与极限压力呈正相关关系,且壁厚与极限压力基本呈近线性关系;三者均对极限压力具有较为显著的影响。该模型具有更高的准确性,可用于高韧性、高强度薄壁X80管道的止裂设计。     

基于方位传感的地下管线探测系统的研制

介绍一种适于非开挖地下管道的三维形状探测系统,该系统主要由以重力加速度计、磁强计、定心机构组成的传感头、计程机构、控制电路及上位机控制系统组成.传感头在管道内拖动过程中,在每个采样点处通过传感器采集该采样点处的方向角信息,然后结合计程机构所获得的采样点间的间距,可以得到管道相应位置的三维坐标及管道轴线的空间形状.该管道探测系统在管道位置深度的重复测量精度可达到±5%.