波动连接改善埋地燃气管道损伤性能的数值评价

摘要

石油和天然气行业面临的主要挑战之一是确保埋地金属管道不会发生断裂。本文讨论了一种保证埋地管道安全的解决方案。在本研究中，在检查了波连接对改善埋地金属管道性能的影响的不同尺寸后，通过改变波连接的几何形状（如将其加倍），管道的性能得到了极大改善。波形接头通过其局部变形在有限区域内创建旋转接头，以便管道的其他部分保持完整。本文通过使用Abacus软件2017版建模，以及选择4节点壳单元和8节点壳单元，分别对管道和土壤建模，研究了滑动方向断层位移引起的埋地管道行为。本文通过与单波形连接和双波形连接的比较，评估了由于断裂现象导致的管道性能。结果表明，通过降低塑性应变值，可以改善双接头的优良性能。除了增加管道的延性外，与单连接相比，双连接能够将应变值降低约50%。总的来说，本文表明，使用波浪连接可以显著提高埋地天然气管道的安全水平，而不会增加成本。

1.介绍

人们对断层交叉点处管道的行为进行了许多研究。纽马克及霍尔[1.]是第一个考虑索模型和板块断层在小位移作用下对管壁应力进行解析计算的。Kennedy等人[2.,3.]，在先前工作的扩展下，发展了分析模型，也考虑了土壤和管道的相互作用。王和叶[4.改进了管道弯曲刚度的计算方法。Vegiokas等人[5.]也应该发表他们的研究，使用弹性床上的梁理论，以及水平和垂直断层位移的影响。乌洛克和麦卡弗里[6.和Dismad等人[7.]以圣费尔南多地震中输气管道和输水管道的表现为基础，研究了断层对断裂管道的应变分布。王(8.]发展了弹性床上梁的理论[9，提出了一种利用钢管轴向变形和横向变形之间的关系更简便、更准确地计算断裂钢管临界应变的方法。最近，Karamitros等人[10]改进了以往的分析成果，将弹性层上的梁模型与弹性梁理论相结合，估算了走滑和正断层作用下的最大应变。Trifono和Cherini [11,12提出了一种考虑横向位移与轴向位移比值的管道应力应变分析准解析方法。

一般来说，地下管道的性能取决于许多参数，如地下水面。最近，Bouatia等人[13研究了降雨入渗条件下膨胀土中埋管的结构特性。本文对膨胀土中埋地管道横向结构特性进行了数值分析，考虑了在4 mm/d降雨持续30天的外部水力荷载作用下土体的非饱和特性。考虑到贝尼-哈龙水坝800毫米供水管道[14]，埋于Aine-Tine(阿尔及利亚米拉)2米深[15在高膨胀土中，进行了4个模拟，以演示初始吸力剖面的影响，这可能代表干旱和半干旱气候区域的不同干旱程度。研究强调，膨胀土的非饱和特性由于其体积失稳对气候条件非常敏感，并可能对埋在这些土壤中的管道产生不利影响。因此，管道的一致性设计应认真考虑气候条件对管道结构整体稳定性影响的研究。此外，还对管道在土床上的性能进行了各种数值模拟。Abbas Haghollahi等人[16]，研究了工字钢梁与h柱连接在循环荷载作用下的性能。他们发现，在顶部和底部法兰板上附加一个垂直三角形肋板，可以改善WFP连接的循环性能。

根据以往的研究结果，一般而言，管道的破坏机制可分为三种模式:拉伸损伤、剪切损伤和最重要的压缩损伤(屈曲损伤)。在这方面，我们寻求在传统的金属管道中提供一种解决方案，可以最大限度地减少上述损坏，并提高管道的使用寿命。

Joshi等人[13]采用管道建模作为梁来研究管道面对故障时的行为。Okan等人[14，并提出了一个简化的基于梁的模型，作为一个有用和有效的工具来计算管道的临界长度和形成管道失效曲线的方法。该模型亦已在共同的国际标准中实施和使用，作为一种有效和可靠的计算模型方法，包括欧洲准则8 [15阿拉巴马州],[16,第3期。Vozuras等人[17并给出了管道在面对故障现象时的精确有限元模型。在该模型中，利用土壤性质和管道从断裂角度通过的角度和管道的力学性质来表达临界屈曲应变。Zhang等人也使用了这个模型[18]和特里芬诺夫[12研究沟槽尺寸、土壤特性和断层运动模拟的影响。

钢管在压力和屈曲作用下的受力行为非常复杂。因此，研究管壁破坏的实例对于了解输电线路在面对断层位移时的实际行为是非常必要的。许多研究人员都考虑了钢管在压力作用下的受力行为。里德(19]，以及最近的Tutunsa [20.]以及布雷迪[21]和Kirikidis和Joe [22研究了钢管在面对轴向净压力和弯曲时的屈曲破坏。Caramanus和Tassoulas [23[最近也研究了以螺旋方式焊接的大直径管道的性能。此外，Jon和Kirikides研究了周边土体对埋管屈曲强度的影响[24］.

到目前为止，已经对断层引起的埋地管道行为进行了许多研究，但很少有研究提供切实可行的解决方案来保证埋地管道的安全。埋地管道对抗断层现象的挑战包括高变形、高轴向应变率、管横截面卷曲和局部屈曲。使用ve连接可以很好地解决这些问题。Packer-Wham等人最近提出的波浪连接解决方案[25，但这种方法仅适用于大轴向位移的研究。本文在考察了波连通性对改善地埋管横滑断层性能影响的不同维度后，首次改进了包括加倍波连通性在内的几何特征[26］.对于油气行业的雇主来说，这种解决方案是一种安全、实用、廉价、有吸引力的解决方案。由于断层位移后，断层带内管道截面保持不变，因此断层位移后，管道仍可继续服务[27］.

2.材料和方法

2．1．包括土的力-位移特性的屈曲模型

Turgard和Needelman研究了土的非线性力-变形细节显著影响地埋管开始屈曲这一主张的最有力的论据[28］.在简单的条件下，土壤是弹性模型，并向管道施加侧向力。这个单位长度的力相当于一个刚度恒定的弹簧k．在这种情况下，下面的方程是有效的。 在哪里E为弹性模量，我为惯性矩，y是波束响应，和是方程常数。的P参数也可以由方程(2.)。它很容易显示（例如，参考[29)的临界屈曲载荷可由下式求得。

2．2．由弯矩引起的临界屈曲应力

当应力超过材料的屈服应力时，管道就会发生屈曲。由于走滑断层，断层位移引起的弯矩使埋管发生弯曲。在不考虑内部压力的情况下，有许多近似的关系可以解释弯曲时在管道中产生的屈曲应力和弯矩。在非线性结构分析方面，这些努力的先驱之一是由Brazier [30.］.他发现，当变形的内径达到管道直径时，管道就会破裂。的弯矩的计算基于这种类型的变形基于以下。

D为管道的直径，t为管的厚度，E是弹性模量，和为泊松比。下管的最大弯曲应力屈曲力矩可表示如下。

当管道弯曲时的临界屈曲应力与均匀压力下管道的屈曲应力相似时，则其屈曲应力表示为:

然后，屈曲力矩提取如下：

季莫申科及Gear [31，表示临界屈曲弯矩的最大压应力比由式(6.）：

这些理论并非基于内部压力。基于塑性理论，Hu和Yuan得到了管道正常压力下的应力和应变分量的数值解[25］.通过公式计算得到了管件的内应力和应变分布。但他们没有调查弯曲问题。地埋管弯曲变形是一个非线性问题。弯矩沿管道轴线不均匀。土-管相互作用也是影响屈曲行为的重要因素。此外，管道为薄壳结构。当管道截面出现大变形时，叠加原理不能用于轴向应变和弯曲应变的相互作用。管道也可能存在残余应力和应力集中;因此，用解析法求解管道响应是比较困难的。 The finite element method will be more appropriate.

由于管道的屈曲由于其几何特性会发生局部屈曲，因此对其性能的分析研究将十分复杂。因此，为了对这个问题进行更详细的研究，我们采用了有限元法，并使用Abacus软件进行了仿真。如图所示1.，断层的运动取决于断层斜坡的两个角度和管道的横截角，这两个角度分别表示在垂直面和水平面上[32］.

为进一步扩大波动连接在埋地燃气管道性能方面的应用，本文将滑动方向断层运动影响下的波动连接的取值与和等于90°。这些参数分别等价于管道与断平面的夹角和管道与断方向的方向。

到目前为止，人们对地下金属管道穿越断层的行为进行了大量的研究。但是很少有人提出解决方案来保证地埋管道的安全。这些解决方案必须解决诸如增加纵向应变率、管道横截面收缩和局部屈曲等挑战。另一方面，解决方案必须是一个廉价和可靠的应用程序，以吸引油气行业的雇主的注意。波接可以为解决这些问题提供一个很好的掩护。尽管Packer Wham等人最近开发了波形连接解决方案[33，本研究仅考察大轴向位移。在本文中，在第一次评估了波形连接的性能后，通过显著改变连接的几何形状并将其转换为双连接，评估了埋管性能的显著改善。

２．３．数值分析

2.3.1。验证

Packer Wham等[34]研究了一项试验研究，以评估波动连接的轴向性能(图2.）.在本实验室研究中，通过执行器对直径为20 cm、半径为20 mm、弹性模量为217 GPa、屈服应力为309 MPa的钢管施加较大的轴向位移，通过应变片和位移记录应变数据。

为了验证数值模型的正确性，本文将实验结果与数值结果进行了对比。数字3.显示了压缩力的5步，并与实验结果进行了比较)。

结果表明，两者在质量上是一致的。为了将实验室模型结果与数值模型结果进行定量比较，对管道的轴向力值进行了比较(图)4.）.

如图所示4.，数值模型计算结果与室内试验结果吻合较好，通过与室内试验结果比较，其他数值模型计算结果可以作为可接受的评价标准。该数值模型可以模拟抗位移压缩力和抗位移轴向应变的变化趋势。

2.3.2。波动连接性能对管道性能的评价

到目前为止，基于Packer Loan实验模型对波动连接的数值模型进行了验证，其结果的准确性值得参考。管道埋深为其直径的两倍，符合管道工程方法[35以及管道长度和周围土壤的情况。根据本文得到的结果，200 m为管径的218倍为最优长度。在y和z根据Vozoras的建议[17，分别考虑直径的6倍和10倍。管径为D= 0.914 m，厚度为t= 8mm，为输气管道的常规尺寸(图5.）.

按顺序应用两个静态分析步骤。首先，重力作用于土壤和管道的内部压力，然后，横向位移作用于其中一个断块。与边界板（包括第一块的下板和侧板）相关的自由度是固定的，第二块在横向上均匀位移。根据Vozoras等人的建议[17]时，采用莫尔-库仑模型将土体的力学性质考虑为弹塑性，其中考虑了内摩擦角 ,凝聚力 ,泊松比 ,和弹性模量E= 25 MPa。在这种情况下，还考虑了合适的摩擦角系数 ．

API 5L的测试结果[36均为X65级钢管。传统上认为燃气管道钢材料的应力-应变图等于X65钢管道。屈服应力为 ,弹性模量为Gpa210，泊松比为0.3，密度为 ．此外，可靠性系数为0.72，最大工作压力已根据关系式获得了这些管道的数量[37,38),和分别为屈服应力和最大工作压力。

2.3.3。挥舞着连接性能

为了更好地理解这个问题，Figure6.用图比较了两种直管和波形管临界区域的塑性应变值。

根据图6.时，波形连接管的塑性应变值比直管高2倍。但在临界区域，压力要低得多。此外，直管最临界压缩区域的塑性应变值比波形连接管道相同区域的塑性应变值高出4倍左右。也就是说，通过消除压缩区域的局部屈曲，波动连接能够显著降低塑性应变值。

最临界点是断层每位移应变值最高的一个点，其位置如图所示7..已在坐标系中绘制了与断层位移相关的这些点处的塑性应变值，用于压缩区域中的直管和具有波形连接的管道，并在坐标系中绘制了拉伸区域，并相互比较了结果。

根据图7.(a)直管的塑性行为在25 cm断层位移作用下的压缩区和约40 cm断层位移作用下的拉伸区进入塑性区。以38cm的位移进入屈曲区，此时塑性应变值急剧增大。因此，断层位移120 cm后，拉伸区和压缩区塑性应变最大值分别为0.03和0.3。局部屈曲是压缩区塑性应变值比拉伸区高10倍的原因。另一方面，在图中7.(b)在20 cm断层位移相同的情况下，拉压临界点均进入塑性区，当然，随着断层位移的增加，其增长幅度小于直管。当位移为120 cm时，拉伸和压缩临界点的塑性应变分别达到0.06和0.04。因此，对比上述结果，波形连接在临界点处的塑性应变值较直管分别增加了0.03，压缩区和拉伸区塑性应变值分别减少了0.26。

根据图7.时，直管和波状管在临界点处的塑性应变最大值分别出现在压缩区和拉伸区。对比直管与波形连接管在最临界点处的塑性应变值可知，波形连接使应变值显著降低了87%。波形连接能够很好地降低塑性应变值，限制应力分布区域。然后，考虑相邻的两个波形连接(双连接)，对管道的性能进行评估，如图所示8.．

在关键区域，安装两个连续的波形连接。拉伸和压缩区域的塑性应变值相互比较，并与单一连接模式进行比较（图9和10）.

根据图9，可见拉伸区塑性应变值分布在两部分，而在压缩区，第二连接不进入塑性区。图中的塑性应变值9和10与单连接相比，可以更好地了解双连接的性能。

如前所述，双连接的拉伸面积分为两部分。通过对比第一个连接与单个连接，图中第一个、第二个和第三个峰值的塑性应变分别降低了10%、33%和9%。这种减少证实了在不同管道区域适当增加连接数量，可以提高其性能。

通过对比双连接和单连接压缩区域的塑性应变值，可以看出塑性应变值的降低有明显的变化。如前所述，在双连接中，第二个连接没有进入塑性区，但两个连接内部的应力分布是这样的，两个连接内部的塑性应变值急剧减小。第一个、第二个和第三个峰值的下降幅度分别为25%、50%和50%。结果表明，与单波形连接相比，双波形连接的性能有显著提高。

3.结论

本文研究了一种降低断层位移对管道性能影响的解决方案。解决方案是在管道中使用波形连接。该连接首次由Packer Loan于2017年提出，其实验室模型基于大轴向变形。由于钢管在屈服后可以承受许多应变，塑性应变被认为是本论文在拉伸和压缩临界区域的主要输出。在两种直管和波纹管连接中对其数值进行了比较。

通过对双波形管接头和单波形管接头性能的比较，将双波形管接头的拉伸面积分为两部分。通过比较其与单个连接第一次连接,第一,第二,第三图的峰值下降了10%,33%,和9%,分别在他们的塑性应变,这证实,适当的增加数量的连接不同地区的管道可以改善其性能。

通过对比双连接压缩区和单连接的塑性应变值，可以看出塑性应变值的降低有非常显著的变化。第一个、第二个和第三个峰值的下降幅度分别为25%、50%和50%。结果表明，与单波连接相比，双波连接的性能有了显著的改善。需要注意的是，这种连接方式简单，施工成本低;此外，它易于应用，根据其最佳性能，将是一个有吸引力的选择，石油和天然气公司的雇主。除了成本低和易于构建之外，这种连接也很容易实现。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求从相应作者处获得。

的利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

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