王國麗* 韓景寬 趙忠德 馬偉光 杜秀菊 趙樂晉

（中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院）

基于應變設計方法在管道工程建設中的應用研究

王國麗* 韓景寬 趙忠德 馬偉光 杜秀菊 趙樂晉

（中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院）

埋地管道通過高震區(qū)和活動斷裂帶時將受到較大變形，影響管道的安全性。通過對基于應變設計方法、X80鋼管力學性能和焊接工藝的研究，建立了有內壓和無內壓斷層位移作用下管道的應變計算模型。綜合考慮材料變形能力、環(huán)焊縫變形能力、焊縫缺陷影響、低周疲勞性能、管道內壓等諸多因素確定管道極限應變和容許應變，提出了管道基于應變設計流程及相關要求。對西氣東輸二線通過強震區(qū)和活動斷層區(qū)段的埋地管道進行了應變計算及校核，確立了管道工程抗震設計方法，制定了有效降低管道應變的優(yōu)化敷設方案。

西氣東輸管道；高震區(qū)；斷裂帶；應變計算模型；容許應變；基于應變設計

我國擬建設的油氣管道幾乎經過我國現有的全部地理構造和氣象單元，地形、地貌和地質情況復雜多變，設計條件千差萬別，技術要求高，施工難度大。管道經過特殊地質地段時，既要承受管道正常運行引起的變形，還要承受由土體移動引起的附加變形?！遁敋夤艿拦こ淘O計規(guī)范》（GB 50251—2003）在對埋地管道進行強度計算時按第三強度理論計算，主要考慮內壓和溫度引起的應力，重點關注的是管體及其焊縫的橫向拉伸性能?；趹冊O計的概念是近幾年歐美國家針對日益惡劣的管道施工和服役環(huán)境，如海洋管道，極地凍土區(qū)管道，地震引起的砂土液化、滑坡等地段管道，活動斷層段管道，采空區(qū)段管道等，而提出的新的設計方法。除了限制應力外，還限制特定設計狀態(tài)下的管道應變來進行設計。目前，國內外均沒有完整、系統(tǒng)的相關標準。本文針對西氣東輸二線管道工程通過高震區(qū)和斷裂帶設計存在的問題，研究了基于應變的設計方法，提出了基于應變的設計流程、設計應變及模型、許用應變、大變形鋼管及相關措施等，并應用于該工程的抗震設計中。

1 國外采用基于應變設計的管道

國外采用基于應變設計的典型管道項目及其使用條件見表1。

2 基于應變設計準則與設計流程

基于應變設計方法是在以縱向（軸向）位移控制為主或部分以位移控制為主的狀態(tài)下，為了保證管道在塑性變形下（應變大于0.5%）能夠滿足特定目標而進行的設計?；趹冊O計準則：

式（1）中：εd——不同設計狀態(tài)下的設計應變；εcr——不同設計狀態(tài)下管道的極限應變，如極限拉伸應變、極限壓縮應變等；F——安全系數，≥1。

當管道設計應變大于容許的應變能力時，失效；而管道實際應變小于容許的應變能力時，安全。

表1 國外采用基于應變設計的管道

應變設計準則中關鍵是確定在不同狀態(tài)下，管道設計應變；在相應狀態(tài)下，管道極限應變；考慮一定安全系數后管道的容許應變。一般可以按圖 1所示的流程進行基于應變的管道設計。

圖1 基于應變設計流程

3 設計應變及計算模型

3.1 基礎數據

對于高震區(qū)，應根據管道線路走向，參照《中國地震動參數區(qū)劃圖》（GB 18306—2001）或《地震安全性評價報告》，確定線路沿線的地震動參數，如地震動峰值加速度、場地特征周期等。應進行管道沿線的工程地質勘察，確定應變計算所需的參數，如場地地層分布及其剪切波速、抗震設計分組、場地類型等。

對于活動斷層，應根據《地震安全性評價報告》確定線路沿線的活動斷層分布；活動斷層參數，如斷層產狀、破碎帶寬度、運動性質等；活動斷層預測的位移量等。應進行活動斷層處的工程地質勘察，確定應變計算所需的參數，如：斷層的覆土深度、土壤的物理力學指標、管道與斷層的交角等。

基于應變的設計應獲得鋼管的應力—應變曲線，曲線形狀應為 RH曲線，然后由曲線獲取管道的性能參數，如屈服強度、屈強比、均勻延伸率、應力比等。應力—應變曲線可以取每批次鋼管中較保守的曲線，如設計中缺少此數據，可以根據管材性能參數采用Ramberg-Osgood方程進行擬合獲得。

3.2 地震波作用下的設計應變計算模型

對位于設計地震動峰值加速度大于等于0.2g地區(qū)的管道，應進行地震波作用下的管道應變校核。一般地段取 50年超越概率 10%的地震動參數進行抗震設計，重要地段取50年超越概率5%的地震動參數進行抗震設計。

用于地震波計算的模型主要有：《油氣輸送管道線路工程抗震技術規(guī)范》（GB 50470—2008）中的計算模型；擬靜力近似分析法（前蘇聯(lián)）；反應位移法（日本）；運動—變分分析法等。經比較，國標抗震規(guī)范中的模型最為保守。因此，地震波作用下的管道應變計算采用《油氣輸送管道線路工程抗震技術規(guī)范》（GB 50470—2008）提供的方法。該方法認為，剪切波是產生埋地管道最大軸向應變的主要波，在計算中假設：土壤是線彈性、均質的；除周圍土壤之外，管道沒有任何其他外部支撐；當地震波作用時，管道相對于周圍土壤沒有滑動，即管道的軸向應變等于土壤的軸向應變。

埋地直管道在地震波作用下所產生的最大軸向應變εmax計算公式：

式（2）、式（3）中：a——設計地震動峰值加速度，m/s2；Tg——地震動反應譜特征周期，s；Vse——場地等效剪切波速，m/s；V——設計地震動峰值速度，m/s。

3.3 活動斷層設計應變及計算模型

活動斷層是指全新世地質時期內活動過的斷層。目前，用于斷層位移作用下管道應變計算的模型包括理論模型和有限元模型。在理論模型中主要有：Newmark-Hall模型［1］、Kennedy 模型［1］、王汝梁等［1］的彈性地基梁模型、劉愛文等［1］的理論模型等。這些理論模型的局限性主要是不適合管道受壓情況；不能體現管截面的抗大變形情況。針對上述理論模型的局限性，提出了采用能夠分析幾何大變形和材料非線性的有限元方法。

有限元模型主要有梁單元模型和殼單元模型。在殼單元模型中，根據邊界條件的不同又分為固定邊界、殼—梁混合單元和等效邊界3種模型。為保證斷層位移作用下管道應變計算模型的準確性，基于西氣東輸二線喀什河斷層參數，對上述4種有限元模型進行了比較。等效邊界殼單元模型具有耗時少、效率高的優(yōu)點，同時與實物比較，精度能滿足工程的要求。因此，斷層位移作用下的管道應變計算采用等效邊界殼單元有限元模型（見圖2）。管土之間的相互作用宜采用管軸方向土彈簧、水平橫向土彈簧和垂直方向土彈簧進行模擬。采用推薦模型分析以往地震中管道的破壞實例，吻合情況如圖 3所示。

4 極限應變和容許應變

綜合考慮材料變形能力、環(huán)焊縫變形能力、焊縫缺陷影響、低周疲勞性能、管道內壓等諸多因素，確定管道極限應變和安全系數。

管道的極限應變與其破壞形式直接相關。在地震波作用下管道的破壞主要是由于承受往復循環(huán)的拉伸荷載引起的疲勞以及壓縮引起的屈曲；斷層位移作用下管道的破壞形式主要是由于彎曲引起的外側拉伸和內側屈曲。所以，在確定管道破壞極限中一般要確定其拉伸極限和壓縮極限。

4.1 地震波作用下的極限拉伸應變

根據 ASME（美國機械工程師協(xié)會）鍋爐和壓力容器第Ⅲ部分規(guī)定的設計疲勞曲線，取一次地震的應變循環(huán)次數為40～50次，則管材在地震中容許應變?yōu)?.8%～1.0%。對于X80鋼材，可取0.9%。

4.2 地震波作用下的極限壓縮應變

由于埋地管道在地震波作用中所產生的應變是全截面均勻的拉伸或壓縮，故有可能當應變值小于低周疲勞容許值時，在管子的塑性區(qū)產生軸向壓縮屈曲。因此，要對管道進行屈曲校核，壓縮屈曲開始的應變：

圖2 含等效邊界殼單元有限元模型

圖3 斷層應變模擬計算與實物的吻合情況

式（4）中：n——應變硬化指數；t——管道壁厚，m；D——管道外直徑，m。

4.3 斷層位移作用下的極限拉伸應變

在資料缺乏時，可采取以下公式（偏保守）估算鋼管及組焊管段的極限拉伸應變：

表面型缺欠時，

深埋型缺欠時，

4.4 斷層位移作用下的容許壓縮應變

管道的極限壓縮應變能力，應根據有效的分析方法或物理測試，或二者同時采用，并結合內壓和外壓、管道減壓的影響、初始缺欠，殘余應力及材料的應力—應變曲線。容許壓縮應變[εc]F計算公式：

當不考慮內壓時，

4.5 安全系數的確定

4.5.1 地震波作用下的安全系數

在確定壓縮屈曲時，安全系數取 1.25。拉伸狀態(tài)下不再考慮安全系數。

4.5.2 斷層位移作用下的安全系數

根據CSA Z662—2007附錄C，拉伸安全系數＝1/0.7＝1.43，接近1.5，考慮到附錄C推薦的公式中已含了一定的安全余量，適合環(huán)向應力超過 0.4倍的屈服極限，所以在設計壓力狀態(tài)下，安全系數取1.5。但是對于環(huán)向應力小于0.4倍的屈服極限時，極限拉伸應變能力會有較大的提高，安全系數取1.25。

Wilson和Newmark［1］經試驗后指出，實際圓柱體會在理論應變的1/2～1/4時開始起皺，所以對于無壓狀態(tài)，安全系數偏保守地取 4；而對于有壓狀態(tài)，可根據CSA Z662—2007附錄C，壓縮屈曲安全系數 1/0.8 1.25。

5 在西氣東輸二線管道工程的應用

5.1 設計參數的確定

通過對西氣東輸二線管道地震安全性評價，掌握了管道東段沿線強震區(qū)和活動斷層的分布、場地參數、土壤參數、地震波參數、斷裂產狀、運動性質、預測的突發(fā)位移量等斷層參數，明確了管道與斷層的交叉位置。

5.2 大變形鋼管的性能要求

基于應變的管道設計的地段應采用直縫埋弧焊鋼管。管體焊縫的焊材選用宜按照等強匹配原則，或者較小的高匹配原則。

整理分析了大量X80鋼管性能檢測數據，包括常溫、實驗室溫度和模擬工程狀態(tài)下的性能檢測數據，以及多種溫度（190℃、200℃、230℃、250℃）、兩種保溫處理時間（5min、60min）下的性能檢測數據，明確了用于確定管道極限壓縮應變的X80管材縱向性能指標，并采用Ramberg-Osgood方程進行數據擬合，得到了應力—應變曲線，如圖4所示，在屈服點處沒有明顯的屈服平臺。在屈服點處，隨著應力的增加，應變也光滑地上升。經過反復試驗研究，確定了X80 HD1、X80 HD2兩種具有抗大變形能力的鋼管母材的縱向拉伸性能（見表2）。還規(guī)定了 200℃±5℃溫度下，保溫 5min時效后管體縱向拉伸性能。

5.3 地震波作用下管道的設計應變和容許應變

取地震峰值加速度最大的地段同心—固原段進行地震波作用下的設計應變計算。地震峰值加速度為0.3g，特征周期為 0.4g，場地土為粉質黏土，土壤容重為18kN/m3，考慮到場地土可能的不均勻性，需要調整特征周期為 0.55s；場地的剪切波速按140m/s計算；管徑1 219mm，設計壓力12MPa，壁厚22mm，埋深1.8m；采用X80 HD1的應力—應變曲線；計算內壓和溫度變化產生的管道軸向應變，由于地震波引起的管道軸向應變，由內壓、溫差和地震波作用下直管段和彎頭的軸向總應變。

圖4 X80管材應力—應變曲線

地震波引起的管道最大軸向應變εmax應與操作條件下荷載（內壓、溫差）引起的軸向應變 組合，校核公式：

式（9）中： ——由于內壓和溫度變化產生的管道軸向應變；[εt]V——埋地管道的軸向容許拉伸應變；[εc]V——埋地管道的軸向容許壓縮應變；aσ——由于內壓和溫度變化產生的管道軸向應力，MPa，按《輸氣管道工程設計規(guī)范》（GB 50251—2003）進行計算。

西氣東輸二線管道在地震波作用下的極限應變和容許應變見表3、表4。

表2 X80 HD1、X80 HD2管體母材的縱向拉伸性能

表3 西氣東輸二線管道在地震波作用下的極限應變

表4 西氣東輸二線管道在地震波作用下的容許應變

計算結果表明，在地震波作用下，直管段和彎頭的設計應變都小于X80 HD1性能鋼管的拉伸應變和容許的壓縮應變，所以選擇X80 HD1能滿足設計要求。

5.4 斷層位移作用下管道的設計應變和容許應變

采用等效邊界殼單元有限元模型對西氣東輸二線管道沿線通過的11條活動斷層共25處交叉區(qū)段，進行了管道設計應變的計算。

在斷層位移作用下的容許應變見表5。

西氣東輸二線工程活動斷層區(qū)段典型埋地管道

表5 西氣東輸二線管道在斷層位移作用下的容許應變

應變計算及設計方案詳見表6。

在上述設計方案中采用了相應的抗震措施，選擇活動斷層位移和斷裂寬度最小的地段通過；采用松散砂土回填和淺埋，以減少容重、降低管土相互作用；控制管溝的寬度，以不影響側向移動為原則，管溝坡度約為30°；優(yōu)化管道與斷層錯動方向交角，盡量使管道整體受拉、應變發(fā)布更為合理；采用抗大變形鋼管，增加管道延展性，提高鋼管的抗大變形能力；必要時也可適當加大壁厚，降低設計應變、提高容許應變；管道變形范圍內不宜設置彎頭、彎管，最大限度采用彈性敷設；管道變形范圍內不應設置固定墩、閥門、三通等管件。

5.5 抗大變形鋼管的需求量

根據基于應變設計結果，提出西氣東輸二線工程抗大變形鋼管的計算用量，管徑1 219mm、壁厚22mm、26.4mm的X80 HD1直縫鋼管約60 000t，管徑1 219mm、壁厚22mm、26.4mm的X80 HD2直縫鋼管約6 000t。

表6 西氣東輸二線工程活動斷層區(qū)段典型埋地管道應變計算及設計方案

5.6 大變形鋼管的焊接和防腐

環(huán)焊縫在焊材選用時宜按照高強匹配原則。高強匹配是指焊縫金屬的強度大于相鄰的母材金屬強度。為了實現高強匹配，要對焊接工藝的焊接接頭整體性能提出要求，篩選相應的焊材、工藝。研究提出了X80抗大變形鋼管高強匹配的焊條電弧焊和補強覆蓋自保護藥芯焊絲半自動焊兩種焊接工藝，從工程應用來看，自保護藥芯焊絲半自動焊工藝仍為我國管道焊接施工的主要工藝。環(huán)焊縫材料應該滿足管道母材的最低力學性能要求。環(huán)焊縫金屬的屈服強度應該不小于 611MPa，而且不能大于725MPa，如果應變超過2%，則不宜超過755MPa。焊縫金屬拉伸曲線應高于母材的拉伸曲線，拉伸曲線宜為RH曲線，均勻延伸率不小于5%。研究制定了相應的焊接技術規(guī)范和焊接工藝規(guī)程。

基于應變設計的管段應采用光滑、耐磨和應變能力強的涂層。涂層的涂敷溫度不宜超過 200℃。試驗研究證明，普通X80鋼管的防腐層能夠滿足基于應變設計對變形的要求。為了保證防腐性能，同時制定了管道防腐層補充技術條件，規(guī)定了西氣東輸二線管道工程鋼質管道三層聚乙烯的厚度、環(huán)氧粉末涂料和三層聚乙烯防腐層的性能指標及試驗方法、環(huán)氧粉末涂料的涂敷溫度。

6 結語

通過西氣東輸二線管道工程在高震區(qū)和斷裂帶的基于應變設計方法研究和應用，使我國管道設計達到國際先進水平。為了進一步提高國內管道設計方法的科學性，應加快研究穿越滑坡、采空區(qū)、凍土帶管道的基于應變設計方法；在管道可行性研究階段，明確通過高震區(qū)、斷裂帶、滑坡、采空區(qū)、凍土等特殊地質地段的管道應采用基于應變設計方法設計；在設計階段，落實設計方案和措施；加快國產抗大變形鋼管的研制，全面推廣基于應變設計方法在管道工程建設中的應用。

[1] 徐芝綸.彈性力學[M].4版.北京: 高等教育出版社,2006.

[2] 中國石油天然氣集團公司.GB 50470—2008 油氣輸送管道線路工程抗震技術規(guī)范[S].北京: 中國計劃出版社,2009.

[3] 中國石油天然氣股份有限公司管道建設項目經理部.Q/SY GJX 0136—2008西氣東輸二線管道工程強震區(qū)和活動斷層區(qū)段埋地管道基于應變設計導則[S].北京: 石油工業(yè)出版社,2008.

[4] 中國石油天然氣股份有限公司管道建設項目經理部.Q/SY GJX 0135—2008西氣東輸二線管道工程基于應變設計的直縫埋弧焊管補充技術條件[S].北京: 石油工業(yè)出版社,2008.

[5] Canadian Standards Association. CSA Z662—2007 Oil and Gas Pipeline Systems[S]. Rexdale,Ontario, Canada, 2007.

The buried pipeline passing through the meizoseismal area and active fault zone would induce large deformation，which affected the safety of the pipeline. The model for calculating the pipeline strain with internal pressure and without internal pressure was established by the researches on the strain design method，mechanical properties and welding process of X80 grade steel pipe. The ultimate strain and allowable strain were determined and design program and relative requirements based on the strain were proposed by considering the materials deformation abilities，girth weld distortion，welding defeat，low cycling fatigue properties，and internal pressure. The strain calculation and safety check for buried pipelines passing through the meizoseismal area and active fault zone of the second west-to-east gas pipeline project were conducted. The seismic design method of pipelines and optimized laying method for effectively decreasing the strain were also put forward.

Application of the Strain Design to the Pipeline Construction

Wang Guoli，et al.

王國麗等. 基于應變設計方法在管道工程建設中的應用研究. 石油規(guī)劃設計，2011，22（5）：1～6

TE832

A

1004-2970（2011）05-0001-06

* 王國麗，女，教授級高級工程師。1985年畢業(yè)于大慶石油學院化工機械專業(yè)，獲碩士學位。現在中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院從事規(guī)劃設計和研究工作，擔任副總工程師，中國石油天然氣集團公司高級技術專家。地址：北京市海淀區(qū)志新西路3號，100083。E-mail：wangguoli@petrochina.com.cn

該論文研究內容是中國石油天然氣集團公司重大科技專項《西氣東輸二線關鍵技術研究》的內容之一。

2011-03-16

郜婕