地震断层上海底管线的适应能力研究

地震断层上海底管线的适应能力研究 中 国 造 V01(46 46卷增刊 船 Special J?DING OF 2005年11月SH田B1 CHIN『A NOV2005 ( 文章编号:1000-4882(2005)S(0186—08 地震断层上海底管线的适应能力研究 孙政策，林钟明，陈瑞峰 (中国船级社，北京100006) 摘要 地震断裂带作用是埋地管线的主要破坏原因，海底管线的抗断裂带能力分析和计算仍然是工程设计中 的一个薄弱环节。本文在充分考虑海底管线埋设环境特点及其在地震断裂带的受力状况下，给出了海底 管线的抗断裂带错动适应能力校核公式，并结合一工程实例的计算和分析，说明海底管线的断层适应能 量要明显高于陆地管线。最后结合理论分析，给出提高海底管线断裂带上适应能力的工程建议。本文的 研究结果对加强海底管线的抗震设计能力，提高对海底管线的抗震适应能力的认识，指导海底管线工程 施工都具有重要意义。 关 键 词:海底管线;地震;断层;摩擦力 言 1引 对于输油和输气管线来说，因为要通过广大的地区，会遇到不同的地震地质条件，而且在使用期 内，很有可能遇到活断层运动的作用，造成破坏。我国1976年的唐山地震中，秦皇岛至北京的输油 管线有四处破坏，都发生在管线与活动断层相交的部位【1J，国外也有许多管线跨越活动断层破坏的实 例f21。 海底管线也存在着类似的问题，因此，对地下管线跨越活动断层的性能研究是海底管线抗震研究 的另一重要方向。另外，断层运动与土体震陷时产生的不均匀沉陷、大地构造性上升或下陷、土体的 侧向扩散等情况引起的管线变形有很多相似之处。所以，海底管线在考虑断层运动时所建立的理论分 析模型，可以为发展其它形式土体运动对海底管线的作用研究提供参考。 断层交错处可能发生巨大的突然地表错动，是地表产生永久变形的重要原因之一，它将对管线产 生严重的地震破坏效应。断层运动的重要分量包括走滑、逆滑或正滑，一些还包括断层的上下错动。 当逆滑和正滑作用包括大量的走滑时，这种运动称为斜滑。逆滑和正滑会加大埋设管线的轴向压力或 拉力，走滑也会产生压力或拉力。断层的上下错动会产生拉力，但这必须在管线是水平铺设的前提下。 Newmark和HallTM首先给出了在连续管线变形假设基础上的断层应力分析方法，这个方法也是现 今大多陆地管线抗断层设计方法的基础，有比较可靠的工程应用背景。所以，文中对海底管线抗断层 适应能力的研究，也是建立在同样的假设前提下，同时考虑海底管线的铺设环境而进行的。 Ariman 【4J、Vougioukas情1等也针对陆地管线的断层问题进行了讨论，提出了一定的建议。在他们 的分析中，都有两个重要的参数，第一个是断层错动位移量，第二个是断层与管线的夹角。这两个参数通常是难以精确给定的，,般是根据统计或经验，经判断而给出。 2海底管线抗断层能力的计算 设有一海底平铺管线，与一断层相交，如图1所示。 收稿日期:2005-08(10 孙政策等:地震断层上海底管线的适应能力研究 46卷增刊 6” 挝。 易’ 图1海底埋设管线断层作用分析 AX=AH COS? (1) sin? ?Y=AH(2) 厶，厶为断层一侧过渡段的管长，也就是锚固管段的长度，一般情况下，即断层两端土环境相同， 且没有特殊的锚固结构时，可认为厶=Lz;AX为平行于管轴方向的断层位移;?y为管线法线方 向的断层位移;函为活动断层与管轴线的夹角;?日为水平方向的断层位移;AZ为竖直方向的断层 位移，因图1为水平图，所以没有显示。AZ，4日，函应经地质工程勘察确定。 图l中箭头代表断层错动方向，分析知道，断层运动引起锚固点a、b之间管线的拉伸(或压缩)， 管线的伸长(或压缩)由管土之间的摩擦力作用得到。管线在断层错动时处于拉伸还是压缩状况与其和 断层夹角?值变化有关，在图1所示情况下，如果错动后?值变小，说明管线受断层拉伸作用，反之 则为压缩作用。 锚固点代表在断层运动作用时管土之间相对位移为零的点。以图I断层错动为例，由于摩擦力的 作用，在锚固点a、b之间，管子全段上的伸长并不均匀，而是集中在紧靠断层的区域。因此，紧靠 断层处的轴向应变为最大，单位长度上的摩擦力越大，承受管线伸长的区域就越集中。从这个分析也 可知道，管线锚固段之间，由于各截面受到的轴向作用力不同，产生的应变大小也不同，可能处于管 线应力应变曲线不同的区域。为了简化研究，首先对一实际的管材应力应变曲线进行近似简化，划分 为理想弹性区，弹塑区和完全塑性区三个部分，如图2所示。 图2 材料的应力应变曲线简化 学术论文 国 造 中 船 综合管线在地震中的安全因素及地震为几率较低的设计载荷，管材应变可进入弹塑性区，但不允 许进入完全塑性区吲。因为管线与断层交叉处是应变最大位置，工程上假设断层错动时该处应变处于 管材弹塑性区的上限，根据管土之间的摩擦力计算管线能够承受的最大错动量，即管线对断层的适应 能力。 3海底管线单位长度摩擦力的计算 海底埋设管线相对于陆地埋设管线来说，由于考虑到海水的浮力作用和饱和水土壤等因素，管土 相互作用力的计算有较大的差别，海底埋设管线的受力状况如图3所示。 ,+彤。, ——_?土壤浮力 ——一管线浮力 图3海底埋设管I线受力分析 从图中可以看出，相对于陆地管线，管土接触面上不仅受到管顶埋设土壤和管线及其输送介质本 身的重力作用，同时还受到土壤浮力及管体浮力的影响。根据受力图3，结合实际工程调查资料，管 线单位长度上的摩擦力计算如下: (3) f=p(2?丘+,一W0) 当管顶填土为均匀密度时， (4) ,=p疗DrlHg 式中p盘为回填土的均匀浮容重;厂为管轴向摩擦力;W盘为单位长度整管上埋设土壤的海底重力， 即其浮容重。根据管线路由的土壤调查资料，一般情况下，管顶填土是由不均匀密度土层组成，W丘 应为各土层浮容重之和。例如，若管线上表面由不同密度两层土壤组成时，浮容重分别是pfl"p f2， 高度分别是奶、仍，则: (5) ,=(P r1日l+P:2H2)D日g 对于没有给出土壤浮容重的管线工程，可用以下形式计算: (6)f=JLl(2w:+W名一2W(,h,17170) (7) 形=p，D日Hg 式中?为土壤与管道外表面之间的摩擦系数:形为单位长度整管上埋设土壤的重力;p，为回填土的 平均容重。 同样，当管线上由不均匀密度土层组成时，W。应为各土层单位长度重力之和。 46卷增刊 孙政策等:地震断层上海底管线的适应能力研究 (8)‰=p。D日Hg (9) DH=D。+2S。+2S。 (10) 啡=(冗Dp6pPp+gDH6。P。+zr,Dp6。P。+鲁珥JD。)g (11) Df=DP一2Sp (12)wo=(等D言p。)g 式中W?为单位长度整管上与埋设土壤等高度海水的重力;D日为整管外径，包括防腐涂层厚度，如 果有配重层，为包含配重层的直径;D。为管线直径;占。为防腐涂层厚度;6。为配重层厚度;p。为 海水密度;H为管线上表面至管沟上表面之间的距离;Wj为单位长度上管道、涂层、配重层和内部 输送介质的重力;6，为管壁厚度;D，为管线内径;p，为管材密度;P。为防腐层密度;p。为配重 层密度;P。为输送介质的密度;V,为与单位长度整管同等体积的海水重力。 摩擦系数肛与管线表面防腐层类型和土壤的种类、湿度有密切关系，应实测确定。对于海底管线， 一般进行路况调查时，给出了埋管处土壤的内摩擦角，国内的路由调查资料，普遍为20。，根据英 国北海的土壤内摩擦角宴验，结果为17。左右。 4管线受拉伸时管线适应断层运动的能力 管线受拉伸时，最大容许的拉伸长度是由两部分组成的，即弹性段产生的拉伸长度和弹塑性段产 生的拉伸长度。 对于弹性区，管壁平均应变为 仃，+O 盯， 。 2E( 2E， 管线两点之间受力的变化除以单位长度的摩擦力即为管线滑动的总长度。则弹性滑动管线长度为 ， 管线受力变化量 (13) -单位长度摩擦力 { {1 对于弹塑性区，平均应变为 。一(仃2一(50)+(仃1一(50)一仃2+仃l一20"o (14) cp一———五?一一—?r 弹塑性滑动管线长度为 管线受力变化量_(仃z—q)破6， (15)‘= 单位长度摩擦力 ， 则管线一侧的滑动长度厶为 pG2(T—reDp6 或 ‘=Le+0‘2?严 式中砩为输送管直径;万p为输送管壁厚。 最大容许的长度变化ALf，即管线适应断层运动的能力，是将平均应变乘以管线滑动的长度，即得出管线长度的变化量，有: 中 国 造 船 学术论文 (16)业=2(t,。+LP,P) 5管线受压缩时管线适应断层运动的能力 当管线受到压缩时，由于局部屈曲，管壁会起皱褶。薄壳起皱理论给出起皱时的最小应力为 仃(: (17)( )墼仃c 2——下羔=ii D。430—，12) 式中1，为泊松比，对应钢材，v=0(3，则有: (18)仃(:1(2塑 。 D。 Wilson和Newmark经实验后指出，实际圆柱体会在理论应力值的1,2到1,4时开始起皱。虽然起 皱并不一定意味着破坏，且在无严重应力集中或焊缝缺陷情况下，管线可能承受4倍到6倍由上式计 算得出的应力值，但是，皱褶发生后，进一步的应变将趋向于皱褶区域。所以，从安全的角度出发， 实际薄壁管线开始起皱的压缩应力值应为 ( a:1(2盟×一 (19)c D。 41=0(38DrE。1 同时，考虑到管材本身的屈服极限，则仃。应为o(3等和管材的屈服极限仃，的最小值，所以管 线受压缩时断层一侧管线的滑动长度Lc为 t:—:rr(D_pSpac 管线受压缩时的平均应变,(为 ,(:旦。 2E, 管线受压缩时最大容许的长度变化?厶由下式确定: (20) 必=2t,。 6实例计算和结果分析 选用工程项目WZl2—1B注水管线2的所有参数，根据调查表知埋设深度H=I(5m，管线外 D=0(2191m，土壤的内摩擦角妒=?’=200，在o,I(2m选择土壤重度为7(6，在1(2m,1(4m选径 择土壤 重度为8(0，在1(4m,I(5m选择重度为9(5。管线没有水泥配重层，因为防腐层很薄且密度小，算例中 为了计算方便也假设为零，则有整管外径等于钢管外径。表I列出了根据前面给出方法的计算过程参 数和结果。 46卷增刊 孙政策等:地震断层上海底管线的适应能力研究 表1计算参数和结果 变量 数值 整管外径(m) 钢管壁厚(m) 管 (m) 海水线内径 密度(kg,m3) 输油密度(kg,m3’ 管材密度(kg,m3’ 首层土重度(N,m3’ 首层土高度(m) 二 层土重度(N,m3’ 二 (m) 三层层土高度 土重度(N,ma’ 三层 (m) 重力加土高度 速度(m,s孙 摩擦 (rad) 摩擦系数 角 与管线同等体积的海水重力(N,m) 单位长度管线和内部液体的重力(N,m) 单位长度管顶土壤浮容重(N,m) 单位 长度管线摩擦力(N,m) 材料应力一应变简化折线中的材料变形开始点的应力(MPa) 弹性区与塑性区交点处的应力(MPa) 点(,1，吼)和点(,2，仃2)连线的延伸线与轴的交点(MPa) 一一一蚴渤砌姗他舢毗姗叭吼棚一,一一一一一一 201000 第一弹性模量(MPa) 1746(3 第二弹性模量(MPa) 平 0(0012 均弹性应变 平 0(0212 均塑性应变 管线弹性部分的滑动长度(m) 1599(10 217(66 管线弹塑性部分的滑动长度(m) 13(07 最大容许的长度变化(m) 管 482(4 (MPa) 管材屈服极限 482(4 (MPa) 管线受压缩失稳时的临界压缩应力 0(0012 线受压缩时的平均应变 1599(106 管线受压缩时断层一侧管线的滑动长度(m) 受压缩时最大容许的长度(m) 3(84 首先比较管线在断层作用下的拉伸容许长度和压缩容许长度，可以看到，拉伸容许长度13(07m 明显大于压缩容许长度3(84m。这种现象的主要原因是在管线受断层的拉伸作用时，管材可以进入弹 塑性区，而受到压缩作用时，管线所受到的应力极限是压缩失稳的临界压缩应力。这也说明管线铺设 时，在了解断层滑移方向和走向的前提下，尽量使管线受到断层作用时处在拉伸作用下;如果管线垂 穿过断层，无论断层发生什么方向的错动，都处于拉伸状态，是海底管线在地震断层上的理想铺设方 式;在抗震设计时，如果不清楚断层的走向和滑移方向，从安全的角度考虑，应假设管线处于断层的 压缩作用状态。 中 国 造 船 学术论文 分析管线在断层作用下的拉伸容许长度表达式和压缩容许长度表达式，可以知道，它们的大小都 和管线单位长度所受到的摩擦力成反比。相对于陆地管线，因为考虑到土壤浮容重和管线浮容重作用， 以及一般情况下，海底管线埋管处的土壤内摩擦角都小于陆地管线的摩擦角，所以，海底管线单位长 度上所受到的摩擦力要小于陆地管线，从而，在相同的埋设深度上，海底管线对断层的容许能力要明 显大于陆地管线的能力。 同样，为了提高管线适应断层的能力，应采取措施减小其单位长度上的摩擦力。如可把管线直接 安置在海床上，并使其能自由地作侧向、纵向滑动。从适应能力公式也可以看出，增加管线的壁厚可 以提高适应断层的能力，而增大管线直径，在壁厚不变的情况下，虽然提高了管线截面积，但同时也 提高了管线单元长度的摩擦力，所以对提高断层适应能力作用较小。 从上述公式知道，管材应力应变特性对断层的适应能力起着重要的作用。跨越断层的管线在受到拉伸作用时，良好的延性和高的极限强度能明显提高管线对断层的适应能力，但在其受到压缩作用时， 管材具有较高的屈服强度更为重要。所以，在选择管材时应该综合考虑其各种性质，等级高的管材可 能反而不太合乎需要。 7结论 综合前面的理论分析和实例计算，可以有下面结果: ? 相对于陆地管线，海底管线对断层的适应能力明显增强，工程人员在保证安全的基础上，可 考虑海底管线铺设直接穿越海底地震断层;现有 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 没有充分考虑到海底埋管环境的实际参 数，结果偏于保守; ? 管线处于拉伸状态时对地震断层的适应能力要明显强于处于压缩状态时的适应能力，管线垂 直穿越地震断层，管线一定处于拉伸状态，是断层上理想的铺设方式; ? 相比于增加管径，增加壁厚更能显著地提高管线对断层的适应能力，为了提高管线对断层的 适应能力，建议在选择管材时，应综合考虑管线的应力应变特性，主要是管线的延性、极限 强度和屈服强度。 参考文献 1 震害及长距离输油管线的抗震计算【J】(油气储运，Vol(4)，N05( 2 赵成刚，冯启民等，生命线地震工程[MI(北京:地震出版社，1994( Conference N W:Hall W to resist fault on3 Newmark JPipeline design large displacements[A](Proc(U(S(National ( Arbor,Mich(，1957:416-425(Earthquake Engineering[C](Ann of the to fault in 4Ariman andLee B Jbehavior of buried movements TTension,Bending pipelines subject earthquakes[A](Proc tenth World Conf(on Earthquake Engineering[C](V01(9，1992:5449-5452( G(Performance fault 5 and P of buried tO the TenthE A movement[A】(Proc(of Vougioukas Carydis pipelines，subjeCt World Conf(on Earthquake Engineering[C](V01(9，1992:5449-5452( 6 输油(气)埋地钢质管道抗震设计规范(SYJ4050(91)[s】( 19346卷增刊 孙政策等:地震断层上海底管线的适应能力研究 of the on offshore Study adaptive capability pipelines ‘ ? ?o l?? ? 一 the selsmlc fault ZOne aga|nst SUN Zhong—ming，CHEN Rui—Zheng—ce，LIN feng(China Classification Society,Beijing100006 ，China) Abstract offshore The seismic fault is a main reason of buried failure(Because of of displacement complexity pipelines of offshore the seismic and calculation to environment，the capability pipelines against fault are analysis displacements check ofin the the this technical of pipelines(In paper,a equation design poor is is of the offshore the seismic fault basedgiven，which adaptive capability displacements pipelines against offshore and acted of the stress state of the fault the characters the soil on surrounding pipelines pipelines by of then with is that the combined a shown the offshore displacements，and engineering project，it adaptive capability is than the land the same buried the seismic fault last，displacements stronger pipelines’at depth(At pipelines against of offshore advices are to the againstsome improve adaptive capability pipelines given to the seismicthe fault results authors have strengthen meanings displacements(The presentedby important of offshore the the fault andto design knowledge adaptive capability pipelines against capability,improve guide engineering operations( forcewords:offshore Key pipelines;earthquake;fault;frictional