摘 要

摘　要：地震是输气管道失效的重要原因之一，强烈的地壳运动带动土壤错动，载荷作用于输气管道上极易引起管道变形，而目前国内外对地震带输气管道的动态应力分析研究较少。为此，基于

摘　要：地震是输气管道失效的重要原因之一，强烈的地壳运动带动土壤错动，载荷作用于输气管道上极易引起管道变形，而目前国内外对地震带输气管道的动态应力分析研究较少。为此，基于地震频谱分析方法，采用CAESAR Ⅱ软件对XX地震带输气管道进行了动态应力分析，并校核了在强震作用下输气管道的位移、应力是否符合规范。结果表明：①轴向、横向、纵向及综合地震作用对输气管道的横向位移影响最大，且最大横向位移明显高于最大轴向及纵向位移；②地震作用下最大纵向位移和横向位移均产生在坡顶，设计时需重点对坡顶输气管道的位移量进行校核；③综合地震作用较任一单方向地震作用所产生的管道位移、应力更高，综合地震载荷对输气管道的破坏最大。据此提出建议：地震带输气管道设计过程中，可通过极限设计的方法提高输气管道的抗震能力且应重点对输气管道的横向位移进行监测，可通过改变管道敷设线路或减小土壤压实度的方法来控制输气管道的位移。

关键词：地震  输气管道  应力  位移  频谱分析  CAESAR Ⅱ  极限设计

Stress analysis of gas pipelines at seismic belts based on the spectrum analysis

Abstract：Crossing through seismic belts，gas pipelines are under the condition of soil rupture resulted from a strong crustal movement，which would easily cause pipe bending deformation．At present，both domestic and abroad oil and gas pipeline stress analysis is limited to static analysis，while dynamic stress analysis has not yet been touched upon．In view of this，based on the principle of seismic spectrum analysis，a pipeline dynamic stress analysis was performed by inputting spectral parameters of the pipelines crossing through the XX seismic zone into the seismic analysis module of CAESAR Ⅱ．The results indicated whether or not the pipeline displacement and stress under a violent earthquake action would conform to ASME B31.8 specification．The following findings were made．First，the radial，transverse，longitudinal and combined seismic actions has the biggest impact on the lateral displacement of gas pipelines；and the maximum lateral displacement is obviously higher than the maximum radial or transverse displacement．Second，under the seismic action，both the maximum transverse and longitudinal displacement occur on the top of sloDes。which should be highly focused on in the design．Third，the displacement and stress caused by the combined seismic actions are higher than those by any single direction seismic action and the combined seismic load has the worst damage to the pipelines．Accordingly，we put forward the following proposals．The ultimate design method should be adopted to strengthen pipelines against earthquakes；the pipe lateral displacement should be highly monitored；and such measures as changing pipeline routes or reducing soil compaction degree should be taken to minimize the earthquake impact，thereby to control the displacement of gas pipelines．

Keywords：seismic，gas pipeline，stress，displacement，spectrum analysis，CAESAR Ⅱ，ultimate design

地震是引起输气管道失效的重要原因之一。强烈的地壳运动带动土壤错动，载荷作用于管道上极易引起管道变形。根据美国联邦应急管理中心(FEMA)给出的统计数据，由地震引起的管道失效方式主要有2种：管道破裂(占事故的80％)和管道泄漏(占事故的20％)。根据欧洲输气管道事故数据组织(EGIG)的统计数据，截至2005年12月，由地震引发的输气管道断裂事故占事故总数的7.1％^[1-3]。

对于较为重要的管道，通常需进行极限设计，即在设计时输入发生概率较小(地震强度较大)的地震参数，增加管道的实际抗震能力。根据GB 50470《油气输送管道线路工程抗震技术规范》，重要区段管道应采用50a超越概率5％的地震动参数进行抗震设计，而大型跨越及埋深小于30m的大型穿越管道应按照50a超越概率2％的地震动参数进行抗震设计^[4]。

目前国内外对油气管道的应力分析研究仅局限于静力分析，且研究对象大多为隧道、山地^[5-10]，动态应力分析的研究较少。管道基于应力的设计较基于应变的设计其结果更加保守^[11-12]，在对管道进行设计时，为了减少设计缺陷，可综合考虑应力和应变这两个方面的分析结果，因此，有必要对地震带的输气管道进行应力分析研究，并根据分析结果得出产生影响位移、应力的地震作用方向，从而采取相应的工程措施，以保障管道在地震波作用下的运行安全。

1　地震频谱分析法简介

由于强地面运动产生的影响范围较大，需重点研究管道在动态载荷作用下的应力及位移分布情况。动态地震分析通常分为2种方法：时程分析法与频谱分析法。由于管道属于线弹性系统，具有固有频率，而地震管道的应力分析只需得出整个动态过程中的最大位移与应力，故选用频谱分析法较为合适。频谱分析法精度较时程分析法略低，但计算较为简便^[13]。

美国Intergraph收购并改进研发的CAESAR Ⅱ软件在管道应力分析方面占有很大的市场份额，它不仅能够实现管道的静力分析，还能进行管道动态应力分析。其中，地震频谱分析模块可以根据不同的标准输入相应的参数，经过软件的计算加载在管道模型上。

频谱分析法中频谱的设计与取值通常参照美国土木工程师学会ASCE 7—05《建筑物和其他结构的最低设计载荷规范》(Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures)^[14]，相对我国的GB 50011《建筑抗震设计规范》其取值较为保守^[]15]。图1为ASCE 7规范的设计反应谱示意图，它的周期区间分为4个，不同的区间所对应的反应谱加速度计算公式不同(图1中列出)，其中，SDS和SD1用于选择抗震设计类别和分析方法。

 

式中SDS为短周期设计反应谱加速度(阻尼系数为5％)；SD1为周期1s的设计反应谱加速度(阻尼系数为5％)；Fa、Fv为场地系数；Tp为结构固有周期；T0为反应谱特征周期，T0＝0.2SD1／SDS；Ts为反应谱特征周期，Ts＝SD1／SDS；TL为长周期的过渡期；Sa为反应谱加速度，g(g为当地重力加速度，单位为m／s²)；Ss为短周期反应谱加速度(阻尼系数为5％)；S1为周期1s的反应谱加速度(阻尼系数为5％)。

2　地震带输气管道的应力校核方法

CAESAR Ⅱ软件可根据研究对象的不同，选择不同的应力校核标准。由于研究内容为地震带的输气管道，故遵循的是美国ASME B31.8气体输送和分配管道系统(Gas Transportation and Distribution Piping Systems)的校核方法。地震带输气管道的应力校核包括静力校核和动载荷应力校核，二者的依据不尽相同^[16]。位移量的校核则根据GB 50251《输气管道工程设计规范》的要求^[17]。

2．1　静力校核

地震带输气管道的静力校核主要考虑持续载荷作用(轴向应力)，轴向应力反映的是管道自重、管内介质重量和内压对管道应力的影响。根据ASME B31.8规范中833.6条的规定：轴向应力不得超过管材规定的最小屈服强度的0.75倍，即SL≤0.75SMYS(SL为管道的轴向应力，MPa；SMYS为管道规定的最小屈服强度)。

2．2　动载荷应力校核

地震带输气管道的动载荷应力校核主要针对偶然地震载荷作用。地震作用方向通常分为3个主方向：X(平行于管道轴向)、Y(纵向)、Z(横向)，它们的校核依据相同。根据B31.8规范中833.4的规定：短时间偶然载荷产生的轴向应力不得超过材料最小屈服强度与温度系数的乘积，即SL≤SMYS×T，(T为温度系数，在温度小于121℃情况下取值为1)。

2．3　位移校核

GB 50251—2003中5.1.4条规定：钢管水平方向的最大变形量不得超过0.03倍钢管平均直径，即(Dx为钢管水平方向最大变形量，m；D为钢管平均直径，m)。

3　敞地震带输气管道动态应力分析实例

3．1　工程概况

根据XX地震带管道的设计资料，输气管道采用API X80(L555)钢管，安装温度为20℃，运行温度为50℃，运行压力为l2MPa。管道所处环境温度为20℃，埋地土壤为饱和粗砂，所处地区的地震影响等级为7级，基本地震加速度为0.30g(g为重力加速度)，该段管道西侧坡脚高程为295.66m，坡腰高程为318.95m，坡顶高程为342.33m。具体管道、土壤、地震参数如表1～3所示。

 

 

 

管道总长度约为780m，起点和终点分别设置固定墩l、2，用以截断研究对象外管道对模型的影响。西侧进土导向B前有30m长的管段，与入土处有30°的偏离；西侧水平管段长约为110m，斜管总长约为215m；东侧出土导向工后有30m长的管段，与出土处有30°的偏离；东侧水平管段长为105m，斜管长约为290m。管道均采用大开挖的敷设方式，弯管的曲率半径(R)为6D(D为管道外径)，地区等级为l级，设计系数为0.72。管道为空间结构，在X、Y、Z方向上均有长度分量，其在XOY平面上的走向如图2所示，具体空间参数如表4所示。

 

 

3．2　地震分析及载荷加载

根据XX管道给出的地震资料，可根据GB 5001l《建筑抗震设计规范》查得土地的特征周期、水平地震影响系数最大值等参数，根据SS(4％阻尼系数)和S1(4％阻尼系数)的值，分别在ASCE 7-05规范中表11.4.1和11.4.2查得场地系数Fa和Fv。在CAESARⅡ软件的频谱分析模块输入相关的地震频谱参数，软件计算后会生成频谱分析结果图。XX管道所在的地震区域频谱参数如表5所示，频谱分析结果如图3所示，工况组合情况如表6所示^[18-22]。

 

 

 

3．3　位移及应力分析结果

CAESARⅡ软件可输出管道的动态应力分析报告，包括管道的应力、位移、约束加载等详细情况。由于起点至西侧导向、终点至东侧导向段管道是为了减少模型以外管道对分析结果的影响，则在对XX地震带管道进行应力分析时应忽略这两段管道，即分析对象为35～750m的管段。

表7为管道最大位移、应力的汇总，由表7可以得知儿种动态工况下的偶然应力均没有超过管材规定的最小屈服强度555MPa(温度系数为l，即校核值为最小屈服强度)，符合强度要求。根据GB 50251规范计算得出本例中管道允许的最大横向位移量为36.57mm，而管道最大横向位移量为l9.68mm，小于36.57mm，符合位移要求。

 

图4～6为地震作用下管道轴向、横向及纵向位移沿管长的分布情况，图7为静态及地震作用下应力沿管长的分布情况，由图4～7可以得出以下结论：

 

 

 

 

1)轴向、横向、纵向及综合地震作用对管道的横向位移影响最大，且最大横向位移明显高于最大轴向及纵向位移，说明输气管道在穿越地震带时，应重点对管道的横向位移量进行监测。

2)各方向地震作用下的管道最大轴向位移均产生在东侧导向处(弯管8)，可在东侧采取“阶梯式”敷设的方式以减少轴向位移。

3)地震作用下最大纵向位移和横向位移均产生在坡顶(弯管6)，设计时需重点对坡顶的位移量进行校核，由于地震载荷是通过土壤作用于管道，可通过降低土壤压实度的方式减少地震发生时管道的破坏。

4)地震作用下管道应力分布趋势与静态作用下的管道保持一致，且地震作用下的管道应力比率值略高，最大应力均产生在西侧坡腰弯管处(弯管3)，故弯管3为XX输气管道的应力危险截面。

5)综合地震作用所产生的管道位移、应力较任一单方向地震作用高，说明综合地震载荷对管道的破坏最大。

4　结束语

根据分析结果建议：地震带管道设计过程中，可通过极限设计的方法以提高管道的抗震能力，且应重点对管道的横向位移进行监测，并且可通过改变管道敷设线路或减小土壤压实度的方法以控制管道位移。通过应力分析可清晰定位管道最大应力和位移的位置，并可确定最大应力值和最大位移量，实际工程中可根据分析结果采取相应的措施。

对地震带输气管道进行应力分析，提出了基于频谱分析的地震带输气管道应力分析的方法及工况加载方式对管道设计阶段的应力分析具有一定的借鉴意义，一定程度上填补了同内地震管道应力分析技术的空缺。

 

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本文作者：吴晓南  卢泓方  黄坤  汤晓勇  吴世娟  谌贵宇  傅贺平

作者单位：西南石油大学石油与天然气工程学院

  中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司