曹文冉，葉松濱

(1. 中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津300456；2. 中國石油天然氣集團(tuán)公司海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津300456)

海底管道抗震分析軟件的開發(fā)與應(yīng)用

曹文冉1,2，葉松濱1,2

(1. 中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津300456；2. 中國石油天然氣集團(tuán)公司海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津300456)

海底管道的建設(shè)往往需要考慮地震和斷層的影響，但是目前主要還是參考陸地管道抗震規(guī)范，其計(jì)算結(jié)果與海底管道工程實(shí)際存在較大的差距。為提高海底管道應(yīng)力(應(yīng)變)分析精度，基于管道-土體之間的相互作用建立了海底管道抗震分析方法，采用C語言和MATLAB平臺(tái)開發(fā)了海底管道抗震分析軟件，既可以進(jìn)行海底管道的地震反應(yīng)分析、穿越斷層分析和彈性時(shí)程分析，又可以繪制海底管道的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、地震波時(shí)程曲線和管道時(shí)程分析曲線，具有通用性強(qiáng)、交互方便、快速易用等特點(diǎn)，為海底管道的設(shè)計(jì)、施工提供了技術(shù)支持。

海底管道 地震 斷層 MATLAB

0 引 言

隨著海洋油氣資源的不斷開發(fā)，海底管道在我國得到了廣泛應(yīng)用，發(fā)揮著越來越重要的作用。[1]與陸上管道相比，海底管道造價(jià)昂貴、維修復(fù)雜、維護(hù)費(fèi)高，[2]加之我國是一個(gè)多地震國家，[3]蘊(yùn)藏豐富油氣資源的渤海、東海等海域又瀕臨環(huán)太平洋地震帶，[4]屬于地震高發(fā)區(qū)域。例如，海峽海底天然氣管道擬定路先后穿越濱海斷裂帶和晉江凹陷東界主斷層，地震烈度為Ⅷ～Ⅸ度，地震加速度高達(dá)0.40,g，無疑給海底管道的設(shè)計(jì)、施工帶來了諸多技術(shù)難題。因此海底管道的建設(shè)往往需要考慮地震和斷層的影響。

自1971年美國圣費(fèi)爾南多地震以來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞管道抗震開展了大量的理論分析、[5-7]數(shù)值模擬[1,2,8]和模型試驗(yàn)[9-10]研究，挪威、美國和中國等也陸續(xù)頒布了管道抗震設(shè)計(jì)指南或技術(shù)規(guī)范。[11-13]但是，國內(nèi)外一直沒有形成專門用于海底管道的抗震技術(shù)規(guī)范，專用的抗震分析軟件也是寥寥無幾，目前主要還是參考陸地管道抗震規(guī)范，其計(jì)算結(jié)果與管道的直徑、壁厚、埋設(shè)深度、土壤重度等參數(shù)幾乎沒有關(guān)系，顯然與海底管道工程的實(shí)際存在著較大的差距。近年來，該問題一直困擾著我國的工程設(shè)計(jì)人員。

鑒于此，在西氣東輸三線海峽管道預(yù)可行性研究技術(shù)成果基礎(chǔ)上，本文結(jié)合海底管道在地震和斷層作用下的受力特點(diǎn)，引入管道-土體之間的相互作用，建立海底管道抗震分析方法，并且開發(fā)海底管道抗震分析軟件，以期提高海底管道應(yīng)力(應(yīng)變)分析精度，為海底管道的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，并實(shí)現(xiàn)公司技術(shù)服務(wù)能力的再次提升。

1 抗震分析方法

為了確定海底管道抗震影響參數(shù)，本文先后完成了28組地震臺(tái)模型試驗(yàn)和17組有限元模擬分析，從中發(fā)現(xiàn)：水平橫向地震作用對(duì)管道影響顯著，但水平軸向地震作用也不宜忽略，兩者對(duì)管道的破壞主要是通過管道與土體之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)的，而且管徑、壁厚、埋深、土壤特性、土體變形等對(duì)管道應(yīng)力(應(yīng)變)都有比較顯著的影響。

1.1 地震應(yīng)力

基于上述情況，本文認(rèn)為管線表面和周圍土體之間存在著彈性約束彈簧，從而阻止土體的縱向或橫向變位，如圖1所示。

圖1 管-土間的彈性約束示意圖Fig.1 Schematic of elastic restraint between pipeline and soil

當(dāng)管線周圍土體產(chǎn)生變位時(shí)，在管-土間約束力的作用下，管線將沿軸向或法向變形。此時(shí)，微分方程可以寫成：

式中，u、uL——土體、管道沿管軸方向的絕對(duì)位移；w、wB——土體、管道沿管軸方向的絕對(duì)位移；β、λ——與管徑D、截面積A、彈性模量E和慣性矩I有關(guān)的系數(shù)。

如圖2所示，地震波是震源輻射的彈性波，通常分為體波和面波，前者主要指縱波和橫波，后者一般指勒夫波和瑞利波。如果場地內(nèi)有一個(gè)斷層，橫波往往起控制作用。對(duì)于振幅為u0、波長為L、周期為T的橫波，當(dāng)其傳播方向與管線的夾角為α?xí)r有：

將(2)式帶入(1)式求解并求導(dǎo)，得到管道軸向和管軸方向土體變位產(chǎn)生的應(yīng)力：

那么，合成應(yīng)力為：

一般認(rèn)為管線為無限長，地震的橫向彎曲應(yīng)力相對(duì)軸向應(yīng)力來說影響較小，通?？梢院雎?。假設(shè)管線變形在線彈性范圍內(nèi)，那么管線的軸向極限地震應(yīng)力為：

式中，qπp——管線單位長度上受到的土體極限約束力。

1.2 抗斷層能力

如圖3所示，當(dāng)管道與斷層相交，箭頭代表斷層錯(cuò)動(dòng)方向，當(dāng)穿越角度Φ小于90,°時(shí)管道受拉，穿越角度Φ大于90,°時(shí)管道受壓。本文定義A、B為錨固點(diǎn)，即管道位移為零的點(diǎn)。由于摩擦力作用，AB段管道的伸縮并不均勻，而是集中在緊靠斷層的區(qū)域。

圖3 海底管道斷層作用分析Fig.3 Fault-crossing analysis

基于鋼材的三折線彈塑性模型，本文假定管材應(yīng)變可以進(jìn)入彈塑性區(qū)，但不允許進(jìn)入完全塑性區(qū)。當(dāng)管道受拉時(shí)，其拉伸長度由彈性段和彈塑性段分別產(chǎn)生的拉伸長度組成；當(dāng)管道受壓時(shí)，其壓縮長度只有一部分組成。因此，管道長度的變化量ΔL為：

管道受拉時(shí)：

管道受壓時(shí)：

式中，Le、Lp——管道受拉時(shí)彈性區(qū)、彈塑性區(qū)的滑動(dòng)長度；εe、εp——管道受拉時(shí)彈性區(qū)、彈塑性區(qū)的平均應(yīng)變；Lc——管道受壓時(shí)的滑動(dòng)長度；εc——管道受壓時(shí)的平均應(yīng)變。

對(duì)于管線AB段，斷層在管道軸向、水平徑向和豎直方向分別產(chǎn)生 ΔX、ΔY和 ΔZ的錯(cuò)動(dòng)，如圖4所示。

圖4 斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)管線的應(yīng)變分析Fig.4 Pipeline strain analysis due to fault movement

式中，L——管道在斷層一側(cè)的滑動(dòng)長度，受拉時(shí)取Lt，受壓時(shí)取Lc。

2 軟件開發(fā)與應(yīng)用

2.1 程序化設(shè)計(jì)

軟件的程序化設(shè)計(jì)是工程計(jì)算不可或缺的部分，也是促進(jìn)科研成果向工程應(yīng)用快速轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于提高工程技術(shù)人員的計(jì)算分析能力有重要意義。因此，本文對(duì)地震作用下管道應(yīng)力計(jì)算流程和斷層作用下管道適應(yīng)能力計(jì)算流程進(jìn)行了程序化設(shè)計(jì)，如圖5所示。

2.2 模塊化設(shè)計(jì)

在軟件開發(fā)過程中，本文利用C語言和MATLAB平臺(tái)編寫了1,800余行代碼，涵蓋了登錄界面、參數(shù)輸入、計(jì)算分析、圖形顯示、報(bào)告生成、幫助文件等6個(gè)模塊，既可以進(jìn)行海底管道的地震反應(yīng)分析、穿越斷層分析和彈性時(shí)程分析，又可以繪制海底管道的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、地震波時(shí)程曲線和管道時(shí)程分析曲線等，具有通用性強(qiáng)、交互方便、快速易用等特點(diǎn)，能夠在Windows XP、Vista、7、8/8.1、10等系統(tǒng)上安裝使用。

首先，軟件設(shè)計(jì)有登陸界面，如圖6所示，需要管理員在軟件后臺(tái)設(shè)定用戶名和密碼才能登陸，這樣有利于保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和工程數(shù)據(jù)安全。

圖5 軟件程序化設(shè)計(jì)Fig.5 Flowchart of software programming design

圖6 軟件登錄界面Fig.6 Login interface

其次，軟件主界面架構(gòu)清晰，人機(jī)交互模塊位于頂部菜單欄，用戶可以通過菜單和對(duì)話框?qū)崿F(xiàn)參數(shù)輸入、計(jì)算分析、圖形顯示、報(bào)告生成等操作，而且計(jì)算結(jié)果和分析曲線可以實(shí)時(shí)顯示，每個(gè)工程的全部參數(shù)和圖形結(jié)果都能以數(shù)據(jù)庫的形式保存和再讀取，從而實(shí)現(xiàn)了在同一界面下方便、清晰地完成全部功能。

再次，在進(jìn)行海底管道抗震分析時(shí)，用戶可以通過“參數(shù)”菜單輸入管道、土體、地震、斷層等參數(shù)，還可以讀入地震波加速度時(shí)程。根據(jù)工程項(xiàng)目需要，還可以通過“分析”菜單進(jìn)行地震反應(yīng)分析、穿越斷層分析或彈性時(shí)程分析。為便于檢查核對(duì)，所有輸入?yún)?shù)均顯示在主界面左側(cè)區(qū)域，所有輸出結(jié)果均顯示在主界面右上區(qū)域，而時(shí)程分析結(jié)果和相關(guān)曲線則顯示在主界面右下區(qū)域或者彈出的子界面中。

最后，運(yùn)行完所有分析工況后，用戶可以通過“報(bào)告”菜單生成分析報(bào)告。該報(bào)告可以自動(dòng)命名后直接輸出至Office Word文檔，包含標(biāo)題、文字、圖形等全部計(jì)算內(nèi)容，這樣不僅有利于工程編輯，而且提高了工作效率。

2.3 算例分析

以國內(nèi)某海底管道項(xiàng)目為例，根據(jù)已有的設(shè)計(jì)資料和路由調(diào)查資料，對(duì)比分析本軟件計(jì)算結(jié)果與我國《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范(2008版)》和美國《鋼質(zhì)埋地管線抗震設(shè)計(jì)指南(2005版)》計(jì)算結(jié)果的差異，如表1、2所示。

表1 管線結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Pipe structure parameters

表2 地震分析結(jié)果Tab.2 Seismic analysis results

從表2可以看出，本軟件的計(jì)算結(jié)果與美國設(shè)計(jì)指南的計(jì)算結(jié)果相差不大，而與我國現(xiàn)行規(guī)范的計(jì)算結(jié)果相差較大，其原因在于：我國現(xiàn)行規(guī)范明確適用于陸上鋼質(zhì)油氣輸送管道線路工程的抗震設(shè)計(jì)，其計(jì)算結(jié)果幾乎完全取決于埋地管線路由區(qū)域的地震波周期和傳播速度，而與管道幾何參數(shù)、埋設(shè)深度、土壤重度等因素的關(guān)系很小，即在鋪設(shè)環(huán)境一定的條件下，海底管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)地震應(yīng)力大小幾乎沒有影響，遇到應(yīng)力過大時(shí)就無法通過改變結(jié)構(gòu)尺寸來提高管道的抗震能力。這一現(xiàn)象不僅與海底管道的工程實(shí)際不符，而且給技術(shù)人員帶來了很大困惑。由于本軟件充分考慮了管-土的相互作用，引入了管徑、壁厚、埋深、土體變形等參數(shù)，不僅提高了抗震分析精度，而且完善了現(xiàn)行計(jì)算方法。

3 計(jì)算機(jī)軟件登記

在公司和研究院科技部門的鼎力支持下，2015年9月下旬提交了《計(jì)算機(jī)軟件登記審核報(bào)告書》；同年12月上旬，中國版權(quán)保護(hù)中心根據(jù)《計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記辦法》受理了本軟件的登記申請(qǐng)；2016年1月下旬，國家版權(quán)局根據(jù)《計(jì)算機(jī)軟件保護(hù)條例》同意對(duì)本軟件予以登記，并頒發(fā)了《計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書》。

4 結(jié) 論

結(jié)合海底管道在地震和斷層作用下的受力特點(diǎn)，本文基于管道-土體相互作用建立了海底管道抗震分析方法，采用C語言和MATLAB平臺(tái)開發(fā)了海底管道抗震分析軟件，并取得了計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書。通過算例對(duì)比分析，得到了如下結(jié)論：

①采用程序化和模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅可以使軟件的主界面架構(gòu)清晰，確保了在同一人機(jī)交互界面下完成全部應(yīng)用功能，而且可以使計(jì)算結(jié)果和分析曲線實(shí)時(shí)顯示，并以數(shù)據(jù)庫的形式保存和再讀取，有利于工程技術(shù)人員快速、熟練使用軟件。②充分考慮了管-土之間的相互作用，既可以進(jìn)行海底管道的地震反應(yīng)分析、穿越斷層分析和彈性時(shí)程分析，還可以繪制海底管道的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、地震波時(shí)程曲線和管道時(shí)程分析曲線，提高了抗震分析精度，完善了現(xiàn)行計(jì)算方法。③只需要基本參數(shù)就可以完成全部分析，不僅彌補(bǔ)了專用軟件不足的局面，而且填補(bǔ)了集團(tuán)公司的技術(shù)空白。由于目前尚缺乏地震時(shí)海底管道的現(xiàn)場調(diào)查資料或試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料，有必要繼續(xù)開展相關(guān)研究以進(jìn)一步驗(yàn)證軟件的可靠性。■

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Development and Application of Submarine Pipeline Seismic Analysis Software

CAO Wenran1,2，YE Songbin1,2
(1．Research Institute of Engineering Technology of CNPC，Tianjin 300456，China；2．Key Laboratory of Offshore Engineering of CNPC，Tianjin 300456，China)

The construction of submarine pipeline can be affected inevitably by earthquake or fault movement．However，land pipeline codes are still used for seismic design of submarine pipeline and the results are obviously different from those of engineering practice．Therefore，in order to improve the analytical precision of submarine pipeline stress or strain，a seismic analysis method was established on the basis of pipe-soil interaction and the seismic analysis software was developed by C language and MATLAB software，by which seismic response analysis，fault-crossing analysis and elastic time-history analysis can be conducted as well as plots of pipe stress-strain curve，seismic time-history curve and pipe time-history curve．Due to its general use and friendly interface，the software can be easily used by engineers and technicians in the design and construction of submarine pipelines.

submarine pipeline；earthquake；fault；MATLAB

TE973

：A

：1006-8945(2016)10-0077-04

2016-09-01