断层作用下埋地管道反应分析及抗震方法研究

发布时间：2017-10-10 13:40

  本文关键词：断层作用下埋地管道反应分析及抗震方法研究

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【摘要】：我国地处环太平洋地震带与欧亚地震带之间,活动断层分布广泛,长距离埋地油气管道不可避免地穿越地震断裂带。坚固而有韧性的钢管道一般能承受住地震动的考验,却难以抵御断层作用和地面破坏所产生的较大的永久性地面位移。研究断层错动作用下埋地管线的力学响应行为和参数影响规律,对管道的抗震设计及安全性能评价具有重要意义。主要研究工作如下：(1)调研国内外穿越断层埋地管道反应研究方法及抗震措施,分析不同方法采用的力学模型,总结前人在理论解析法、数值模拟法和实验法所取得的研究成果及存在的不足,归纳了穿越断层埋地管道抗震措施。(2)对断层发生机制及错动方式进行研究,确定断层错动作用下埋地管道的破坏模式为拉伸和屈曲失效,对引起管道失效的可能震害因素进行分析,建立管道的失效判断准则。(3)以走滑断层作用下埋地管道为研究对象,考虑管道和土体的材料非线性、管道非线性几何变形及管土间接触非线性,建立管一土耦合作用下穿越断层埋地管道有限元模型,模拟管土间的分离、闭合及滑移状态。选用三折线简化模型作为管材本构方程,土体选用理想弹塑性本构模型。管道的有效计算长度为60m,断层有效计算体积为60m×10m×8m。采用MITC4 shell单元和8节点实体单元分别离散管道和断层土体,并运用ADINA有限元软件进行模型求解。通过实例计算及分析,验证了有限元模型的正确性和有效性。(4)模拟断层错动作用下埋地管道的力学响应行为,分析管道的变形状况及潜在的失效位置。研究管道尺寸和材质、断层场地土条件、管道运行条件等方面对管道力学性能的影响。依据参数影响规律,对管材、土体粘聚力、管道内压等因素无因次化,采用多元线性和非线性回归理论,拟合出穿越走滑断层埋地管道应变简化计算公式。(5)建立基于流固耦合的断层作用下埋地管道有限元模型,考虑管输介质影响。分析断层荷载和流体共同作用下埋地管道的反应行为,并对管输介质压力、流速、温度及密度等流体参数对管道力学性能的影响进行研究。(6)基于《油气输送管道线路工程抗震技术规范》(GB50407-2008)中采用2倍Newmark-Hall拉伸应变和土弹簧有限元方法进行管道抗震校核的不足,修正了断层作用下埋地管道抗震设计方法,改进抗震设计流程,提出在役管道抗震改造措施。(7)设计穿越断层埋地管道安全监测预警系统,包括监测传感子系统、数据采集与传输子系统、数据分析与处理子系统及预警子系统四部分。形成地震动加速度、断层位移、管道应变、管道泄漏等预警功能,为管道安全运行状态评估提供依据。
【关键词】：断层错动 埋地管道 数值模拟 流固耦合 抗震措施 监测 预警
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE973
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 论文研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-19
• 1.2.1 断层作用下埋地管道反应分析方法10-18
• 1.2.2 断层作用下埋地管道抗震方法及措施18-19
• 1.2.3 当前研究存在的问题19
• 1.3 论文研究内容及技术路线19-22
• 1.3.1 研究内容19-20
• 1.3.2 技术路线20-22
• 1.4 研究成果22-23
• 第2章 断层作用下埋地管道破坏模式及失效准则研究23-33
• 2.1 地震震害模式23-24
• 2.2 断裂构造24-26
• 2.2.1 节理24
• 2.2.2 断层24-26
• 2.3 埋地管道破坏模式26-27
• 2.4 管道震害因素分析27-30
• 2.4.1 断层场地条件27-29
• 2.4.2 管道本体特性29-30
• 2.5 管道失效判据30-32
• 2.5.1 基于应力失效30-31
• 2.5.2 基于应变失效31-32
• 2.5.3 失效准则的选择32
• 2.6 本章小结32-33
• 第3章 断层错动作用下埋地管道有限元分析33-77
• 3.1 数值模拟基础33-40
• 3.1.1 非线性有限元33-34
• 3.1.2 弹塑性有限元34-37
• 3.1.3 壳体理论37-40
• 3.2 断层错动作用下埋地管道有限元模型建立40-46
• 3.2.1 管道壳模型40-42
• 3.2.2 断层实体模型42-44
• 3.2.3 管土接触模型44-45
• 3.2.4 模型边界处理45-46
• 3.3 模型求解及计算手段46-48
• 3.3.1 求解方法46-47
• 3.3.2 计算手段47-48
• 3.4 实例计算及分析48-57
• 3.5 参数影响规律研究57-71
• 3.5.1 管材57-58
• 3.5.2 管径与壁厚58-61
• 3.5.3 管道埋深61-63
• 3.5.4 场地土63-65
• 3.5.5 断层破碎带宽度65-66
• 3.5.6 断层类型66-69
• 3.5.7 断层与管道交角69-71
• 3.5.8 管道内压71
• 3.6 断层错动作用下埋地管道应变简化计算公式71-76
• 3.6.1 已公开文献最大应变简化计算公式71-73
• 3.6.2 穿越走滑断层埋地管道应变计算公式73-75
• 3.6.3 本文简化公式与其他方法对比75-76
• 3.7 本章小结76-77
• 第4章 基于流固耦合的断层作用下埋地管道反应分析77-100
• 4.1 流固耦合方程77-80
• 4.1.1 流体控制方程77-78
• 4.1.2 固体控制方程78-79
• 4.1.3 流固耦合方程79-80
• 4.2 流体和管道耦合模型建立80-83
• 4.2.1 ADINA流固耦合分析81-82
• 4.2.2 结构模型建立82-83
• 4.2.3 流体模型建立83
• 4.3 实例计算及分析83-88
• 4.4 管输介质参数影响规律研究88-99
• 4.4.1 压力影响88-92
• 4.4.2 流速影响92-95
• 4.4.3 温度影响95-97
• 4.4.4 密度影响97-99
• 4.5 本章小结99-100
• 第5章 断层错动作用下埋地管线抗震方法及措施研究100-113
• 5.1 断层作用下埋地管道抗震设计方法100-103
• 5.1.1 埋地管道抗震设计流程100-102
• 5.1.2 抗震设计方法的改进102-103
• 5.2 断层作用下埋地管道抗震措施103-106
• 5.2.1 常用抗震措施104-105
• 5.2.2 抗震改造措施105-106
• 5.3 穿越断层埋地管道监测预警系统设计106-112
• 5.3.1 监测传感子系统108-110
• 5.3.2 数据采集与传输子系统110-111
• 5.3.3 数据处理与管理子系统111
• 5.3.4 预警子系统111-112
• 5.4 本章小结112-113
• 第6章 研究结论113-115
• 6.1 结论113-114
• 6.2 建议114-115
• 致谢115-116
• 参考文献116-122
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果122

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1 本报记者 张立;李s叮呵空鸱⑸，

本文编号：1006719