基于应变设计方法在管道工程建设中的应用研究

王国丽* 韩景宽 赵忠德 马伟光 杜秀菊 赵乐晋

（中国石油天然气股份有限公司规划总院）

基于应变设计方法在管道工程建设中的应用研究

王国丽* 韩景宽 赵忠德 马伟光 杜秀菊 赵乐晋

（中国石油天然气股份有限公司规划总院）

埋地管道通过高震区和活动断裂带时将受到较大变形，影响管道的安全性。通过对基于应变设计方法、X80钢管力学性能和焊接工艺的研究，建立了有内压和无内压断层位移作用下管道的应变计算模型。综合考虑材料变形能力、环焊缝变形能力、焊缝缺陷影响、低周疲劳性能、管道内压等诸多因素确定管道极限应变和容许应变，提出了管道基于应变设计流程及相关要求。对西气东输二线通过强震区和活动断层区段的埋地管道进行了应变计算及校核，确立了管道工程抗震设计方法，制定了有效降低管道应变的优化敷设方案。

西气东输管道；高震区；断裂带；应变计算模型；容许应变；基于应变设计

我国拟建设的油气管道几乎经过我国现有的全部地理构造和气象单元，地形、地貌和地质情况复杂多变，设计条件千差万别，技术要求高，施工难度大。管道经过特殊地质地段时，既要承受管道正常运行引起的变形，还要承受由土体移动引起的附加变形。《输气管道工程设计规范》（GB 50251—2003）在对埋地管道进行强度计算时按第三强度理论计算，主要考虑内压和温度引起的应力，重点关注的是管体及其焊缝的横向拉伸性能。基于应变设计的概念是近几年欧美国家针对日益恶劣的管道施工和服役环境，如海洋管道，极地冻土区管道，地震引起的砂土液化、滑坡等地段管道，活动断层段管道，采空区段管道等，而提出的新的设计方法。除了限制应力外，还限制特定设计状态下的管道应变来进行设计。目前，国内外均没有完整、系统的相关标准。本文针对西气东输二线管道工程通过高震区和断裂带设计存在的问题，研究了基于应变的设计方法，提出了基于应变的设计流程、设计应变及模型、许用应变、大变形钢管及相关措施等，并应用于该工程的抗震设计中。

1 国外采用基于应变设计的管道

国外采用基于应变设计的典型管道项目及其使用条件见表1。

2 基于应变设计准则与设计流程

基于应变设计方法是在以纵向（轴向）位移控制为主或部分以位移控制为主的状态下，为了保证管道在塑性变形下（应变大于0.5%）能够满足特定目标而进行的设计。基于应变设计准则：

式（1）中：εd——不同设计状态下的设计应变；εcr——不同设计状态下管道的极限应变，如极限拉伸应变、极限压缩应变等；F——安全系数，≥1。

当管道设计应变大于容许的应变能力时，失效；而管道实际应变小于容许的应变能力时，安全。

表1 国外采用基于应变设计的管道

应变设计准则中关键是确定在不同状态下，管道设计应变；在相应状态下，管道极限应变；考虑一定安全系数后管道的容许应变。一般可以按图 1所示的流程进行基于应变的管道设计。

图1 基于应变设计流程

3 设计应变及计算模型

3.1 基础数据

对于高震区，应根据管道线路走向，参照《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2001）或《地震安全性评价报告》，确定线路沿线的地震动参数，如地震动峰值加速度、场地特征周期等。应进行管道沿线的工程地质勘察，确定应变计算所需的参数，如场地地层分布及其剪切波速、抗震设计分组、场地类型等。

对于活动断层，应根据《地震安全性评价报告》确定线路沿线的活动断层分布；活动断层参数，如断层产状、破碎带宽度、运动性质等；活动断层预测的位移量等。应进行活动断层处的工程地质勘察，确定应变计算所需的参数，如：断层的覆土深度、土壤的物理力学指标、管道与断层的交角等。

基于应变的设计应获得钢管的应力—应变曲线，曲线形状应为 RH曲线，然后由曲线获取管道的性能参数，如屈服强度、屈强比、均匀延伸率、应力比等。应力—应变曲线可以取每批次钢管中较保守的曲线，如设计中缺少此数据，可以根据管材性能参数采用Ramberg-Osgood方程进行拟合获得。

3.2 地震波作用下的设计应变计算模型

对位于设计地震动峰值加速度大于等于0.2g地区的管道，应进行地震波作用下的管道应变校核。一般地段取 50年超越概率 10%的地震动参数进行抗震设计，重要地段取50年超越概率5%的地震动参数进行抗震设计。

用于地震波计算的模型主要有：《油气输送管道线路工程抗震技术规范》（GB 50470—2008）中的计算模型；拟静力近似分析法（前苏联）；反应位移法（日本）；运动—变分分析法等。经比较，国标抗震规范中的模型最为保守。因此，地震波作用下的管道应变计算采用《油气输送管道线路工程抗震技术规范》（GB 50470—2008）提供的方法。该方法认为，剪切波是产生埋地管道最大轴向应变的主要波，在计算中假设：土壤是线弹性、均质的；除周围土壤之外，管道没有任何其他外部支撑；当地震波作用时，管道相对于周围土壤没有滑动，即管道的轴向应变等于土壤的轴向应变。

埋地直管道在地震波作用下所产生的最大轴向应变εmax计算公式：

式（2）、式（3）中：a——设计地震动峰值加速度，m/s2；Tg——地震动反应谱特征周期，s；Vse——场地等效剪切波速，m/s；V——设计地震动峰值速度，m/s。

3.3 活动断层设计应变及计算模型

活动断层是指全新世地质时期内活动过的断层。目前，用于断层位移作用下管道应变计算的模型包括理论模型和有限元模型。在理论模型中主要有：Newmark-Hall模型［1］、Kennedy 模型［1］、王汝梁等［1］的弹性地基梁模型、刘爱文等［1］的理论模型等。这些理论模型的局限性主要是不适合管道受压情况；不能体现管截面的抗大变形情况。针对上述理论模型的局限性，提出了采用能够分析几何大变形和材料非线性的有限元方法。

有限元模型主要有梁单元模型和壳单元模型。在壳单元模型中，根据边界条件的不同又分为固定边界、壳—梁混合单元和等效边界3种模型。为保证断层位移作用下管道应变计算模型的准确性，基于西气东输二线喀什河断层参数，对上述4种有限元模型进行了比较。等效边界壳单元模型具有耗时少、效率高的优点，同时与实物比较，精度能满足工程的要求。因此，断层位移作用下的管道应变计算采用等效边界壳单元有限元模型（见图2）。管土之间的相互作用宜采用管轴方向土弹簧、水平横向土弹簧和垂直方向土弹簧进行模拟。采用推荐模型分析以往地震中管道的破坏实例，吻合情况如图 3所示。

4 极限应变和容许应变

综合考虑材料变形能力、环焊缝变形能力、焊缝缺陷影响、低周疲劳性能、管道内压等诸多因素，确定管道极限应变和安全系数。

管道的极限应变与其破坏形式直接相关。在地震波作用下管道的破坏主要是由于承受往复循环的拉伸荷载引起的疲劳以及压缩引起的屈曲；断层位移作用下管道的破坏形式主要是由于弯曲引起的外侧拉伸和内侧屈曲。所以，在确定管道破坏极限中一般要确定其拉伸极限和压缩极限。

4.1 地震波作用下的极限拉伸应变

根据 ASME（美国机械工程师协会）锅炉和压力容器第Ⅲ部分规定的设计疲劳曲线，取一次地震的应变循环次数为40～50次，则管材在地震中容许应变为0.8%～1.0%。对于X80钢材，可取0.9%。

4.2 地震波作用下的极限压缩应变

由于埋地管道在地震波作用中所产生的应变是全截面均匀的拉伸或压缩，故有可能当应变值小于低周疲劳容许值时，在管子的塑性区产生轴向压缩屈曲。因此，要对管道进行屈曲校核，压缩屈曲开始的应变：

图2 含等效边界壳单元有限元模型

图3 断层应变模拟计算与实物的吻合情况

式（4）中：n——应变硬化指数；t——管道壁厚，m；D——管道外直径，m。

4.3 断层位移作用下的极限拉伸应变

在资料缺乏时，可采取以下公式（偏保守）估算钢管及组焊管段的极限拉伸应变：

表面型缺欠时，

深埋型缺欠时，

4.4 断层位移作用下的容许压缩应变

管道的极限压缩应变能力，应根据有效的分析方法或物理测试，或二者同时采用，并结合内压和外压、管道减压的影响、初始缺欠，残余应力及材料的应力—应变曲线。容许压缩应变[εc]F计算公式：

当不考虑内压时，

4.5 安全系数的确定

4.5.1 地震波作用下的安全系数

在确定压缩屈曲时，安全系数取 1.25。拉伸状态下不再考虑安全系数。

4.5.2 断层位移作用下的安全系数

根据CSA Z662—2007附录C，拉伸安全系数＝1/0.7＝1.43，接近1.5，考虑到附录C推荐的公式中已含了一定的安全余量，适合环向应力超过 0.4倍的屈服极限，所以在设计压力状态下，安全系数取1.5。但是对于环向应力小于0.4倍的屈服极限时，极限拉伸应变能力会有较大的提高，安全系数取1.25。

Wilson和Newmark［1］经试验后指出，实际圆柱体会在理论应变的1/2～1/4时开始起皱，所以对于无压状态，安全系数偏保守地取 4；而对于有压状态，可根据CSA Z662—2007附录C，压缩屈曲安全系数 1/0.8 1.25。

5 在西气东输二线管道工程的应用

5.1 设计参数的确定

通过对西气东输二线管道地震安全性评价，掌握了管道东段沿线强震区和活动断层的分布、场地参数、土壤参数、地震波参数、断裂产状、运动性质、预测的突发位移量等断层参数，明确了管道与断层的交叉位置。

5.2 大变形钢管的性能要求

基于应变的管道设计的地段应采用直缝埋弧焊钢管。管体焊缝的焊材选用宜按照等强匹配原则，或者较小的高匹配原则。

整理分析了大量X80钢管性能检测数据，包括常温、实验室温度和模拟工程状态下的性能检测数据，以及多种温度（190℃、200℃、230℃、250℃）、两种保温处理时间（5min、60min）下的性能检测数据，明确了用于确定管道极限压缩应变的X80管材纵向性能指标，并采用Ramberg-Osgood方程进行数据拟合，得到了应力—应变曲线，如图4所示，在屈服点处没有明显的屈服平台。在屈服点处，随着应力的增加，应变也光滑地上升。经过反复试验研究，确定了X80 HD1、X80 HD2两种具有抗大变形能力的钢管母材的纵向拉伸性能（见表2）。还规定了 200℃±5℃温度下，保温 5min时效后管体纵向拉伸性能。

5.3 地震波作用下管道的设计应变和容许应变

取地震峰值加速度最大的地段同心—固原段进行地震波作用下的设计应变计算。地震峰值加速度为0.3g，特征周期为 0.4g，场地土为粉质黏土，土壤容重为18kN/m3，考虑到场地土可能的不均匀性，需要调整特征周期为 0.55s；场地的剪切波速按140m/s计算；管径1 219mm，设计压力12MPa，壁厚22mm，埋深1.8m；采用X80 HD1的应力—应变曲线；计算内压和温度变化产生的管道轴向应变，由于地震波引起的管道轴向应变，由内压、温差和地震波作用下直管段和弯头的轴向总应变。

图4 X80管材应力—应变曲线

地震波引起的管道最大轴向应变εmax应与操作条件下荷载（内压、温差）引起的轴向应变 组合，校核公式：

式（9）中： ——由于内压和温度变化产生的管道轴向应变；[εt]V——埋地管道的轴向容许拉伸应变；[εc]V——埋地管道的轴向容许压缩应变；aσ——由于内压和温度变化产生的管道轴向应力，MPa，按《输气管道工程设计规范》（GB 50251—2003）进行计算。

西气东输二线管道在地震波作用下的极限应变和容许应变见表3、表4。

表2 X80 HD1、X80 HD2管体母材的纵向拉伸性能

表3 西气东输二线管道在地震波作用下的极限应变

表4 西气东输二线管道在地震波作用下的容许应变

计算结果表明，在地震波作用下，直管段和弯头的设计应变都小于X80 HD1性能钢管的拉伸应变和容许的压缩应变，所以选择X80 HD1能满足设计要求。

5.4 断层位移作用下管道的设计应变和容许应变

采用等效边界壳单元有限元模型对西气东输二线管道沿线通过的11条活动断层共25处交叉区段，进行了管道设计应变的计算。

在断层位移作用下的容许应变见表5。

西气东输二线工程活动断层区段典型埋地管道

表5 西气东输二线管道在断层位移作用下的容许应变

应变计算及设计方案详见表6。

在上述设计方案中采用了相应的抗震措施，选择活动断层位移和断裂宽度最小的地段通过；采用松散砂土回填和浅埋，以减少容重、降低管土相互作用；控制管沟的宽度，以不影响侧向移动为原则，管沟坡度约为30°；优化管道与断层错动方向交角，尽量使管道整体受拉、应变发布更为合理；采用抗大变形钢管，增加管道延展性，提高钢管的抗大变形能力；必要时也可适当加大壁厚，降低设计应变、提高容许应变；管道变形范围内不宜设置弯头、弯管，最大限度采用弹性敷设；管道变形范围内不应设置固定墩、阀门、三通等管件。

5.5 抗大变形钢管的需求量

根据基于应变设计结果，提出西气东输二线工程抗大变形钢管的计算用量，管径1 219mm、壁厚22mm、26.4mm的X80 HD1直缝钢管约60 000t，管径1 219mm、壁厚22mm、26.4mm的X80 HD2直缝钢管约6 000t。

表6 西气东输二线工程活动断层区段典型埋地管道应变计算及设计方案

5.6 大变形钢管的焊接和防腐

环焊缝在焊材选用时宜按照高强匹配原则。高强匹配是指焊缝金属的强度大于相邻的母材金属强度。为了实现高强匹配，要对焊接工艺的焊接接头整体性能提出要求，筛选相应的焊材、工艺。研究提出了X80抗大变形钢管高强匹配的焊条电弧焊和补强覆盖自保护药芯焊丝半自动焊两种焊接工艺，从工程应用来看，自保护药芯焊丝半自动焊工艺仍为我国管道焊接施工的主要工艺。环焊缝材料应该满足管道母材的最低力学性能要求。环焊缝金属的屈服强度应该不小于 611MPa，而且不能大于725MPa，如果应变超过2%，则不宜超过755MPa。焊缝金属拉伸曲线应高于母材的拉伸曲线，拉伸曲线宜为RH曲线，均匀延伸率不小于5%。研究制定了相应的焊接技术规范和焊接工艺规程。

基于应变设计的管段应采用光滑、耐磨和应变能力强的涂层。涂层的涂敷温度不宜超过 200℃。试验研究证明，普通X80钢管的防腐层能够满足基于应变设计对变形的要求。为了保证防腐性能，同时制定了管道防腐层补充技术条件，规定了西气东输二线管道工程钢质管道三层聚乙烯的厚度、环氧粉末涂料和三层聚乙烯防腐层的性能指标及试验方法、环氧粉末涂料的涂敷温度。

6 结语

通过西气东输二线管道工程在高震区和断裂带的基于应变设计方法研究和应用，使我国管道设计达到国际先进水平。为了进一步提高国内管道设计方法的科学性，应加快研究穿越滑坡、采空区、冻土带管道的基于应变设计方法；在管道可行性研究阶段，明确通过高震区、断裂带、滑坡、采空区、冻土等特殊地质地段的管道应采用基于应变设计方法设计；在设计阶段，落实设计方案和措施；加快国产抗大变形钢管的研制，全面推广基于应变设计方法在管道工程建设中的应用。

[1] 徐芝纶.弹性力学[M].4版.北京: 高等教育出版社,2006.

[2] 中国石油天然气集团公司.GB 50470—2008 油气输送管道线路工程抗震技术规范[S].北京: 中国计划出版社,2009.

[3] 中国石油天然气股份有限公司管道建设项目经理部.Q/SY GJX 0136—2008西气东输二线管道工程强震区和活动断层区段埋地管道基于应变设计导则[S].北京: 石油工业出版社,2008.

[4] 中国石油天然气股份有限公司管道建设项目经理部.Q/SY GJX 0135—2008西气东输二线管道工程基于应变设计的直缝埋弧焊管补充技术条件[S].北京: 石油工业出版社,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.

王国丽等. 基于应变设计方法在管道工程建设中的应用研究. 石油规划设计，2011，22（5）：1～6

TE832

A

1004-2970（2011）05-0001-06

* 王国丽，女，教授级高级工程师。1985年毕业于大庆石油学院化工机械专业，获硕士学位。现在中国石油天然气股份有限公司规划总院从事规划设计和研究工作，担任副总工程师，中国石油天然气集团公司高级技术专家。地址：北京市海淀区志新西路3号，100083。E-mail：wangguoli@petrochina.com.cn

该论文研究内容是中国石油天然气集团公司重大科技专项《西气东输二线关键技术研究》的内容之一。

2011-03-16

郜婕