当前的世界环境

介绍

如今，人类生活中有规定和设施，被称为他们至关重要和重要作用的生命线;甚至在紧急情况下，人类始终试图维护它们，以保证他的生命。在这种救生素中，油，天然气和水管道的主要重要性，通常以埋地形式安装。埋地管道通常通过各种地理区域，因此根据通过的区域面临着多种岩土危害。地震是可能影响通过管道的严重岩土危险类别之一。关于地震安全调查，地震危害被归类为永久地变形（PGD）和地震波传播。本研究重点介绍正常浸渍防滑故障，分为永久地变形等级。故障是在两个巨大的地区之间发生微分运动的现象。虽然这种运动可以被采用准静态的方式，但不一定是地震，但它可能会严重影响管道结构完整性，并且通常导致管道的失效。图1中示出了这种事件的示意图。1。

图1：管道的原理图模式 受到正常断层 点击此处查看数字

地震后的研究意味着对管道的主要损害是由永久地变形引起的。PGD​​S影响有限的管道网络，但它们具有严重损害的巨大潜力。众多的PGD损害赔偿来自世界各地的全球，如San-Francisco（1906 - 美国），圣费尔南多（1971年 - 美国），科比（1995 - 日本），Kocaeli（1999 - 土耳其）和Chi-Chi（1999年 - 台湾）。每年的伊朗国家也面临着众多严重和弱大的地震，可能会损害通过的生命线。另一方面，它拥有广泛的管道网络，从南到北和西向东绘制。国家石油和天然气网络与伊朗潜在故障图的比较将揭示此类调查的重要性（图2）。在这种情况发生的情况下可能发生能量危机。

图2：（a）国家石油和天然气管网 伊朗，（b）伊朗的潜在故障图 点击此处查看数字

关于此类问题的重要性，已经进行了许多研究，以研究受到断层的管道响应。纽马斯和大厅（1975）是第一个开发用于防滑故障的简化分析方法之一。肯尼迪等人。（1977）通过考虑管道横向相互作用的影响，通过纽马克和大厅（1975）扩展了这项工作。之后，王和yeh（1985）修改了闭合形式的分析模型。Takada等。（2001）提出了一种简化的分析模型，确定钢水管中的最大应变。此外，近几十年来进行了许多数值研究。ARIMAN和LEE（1991）采用了数值有限元模型来研究管道直径，埋藏深度和其他参数对管道弯曲菌株的影响。Meyersohn（1991）使用UniPIP有限元软件TI调查管道菌株。 The first full-scale modeling was conducted on segmental pipes under normal faulting by Takada (1984). Liu and O'Rourke (1997) started a research sequence including analytical, numerical and physical (full-scale and geotechnical centrifuge) modelings including studies conducted by Ha et al. (2008a), Ha et al. (2008b), O'Rourke et al. (2005) and Ha et al. (2008). More recent, Rojhani et al. (2011), Rojhani et al. (2012) and Moradi et al. (2013) have done a series of centrifuge modelings of pipelines under normal and reverse faulting while the results of the latter have been implemented in current study.

绩效标准

对于埋地管道在地表大变形作用下的力学响应分析，通常采用基于应力的设计准则。这种方法采用管道材料的最小屈服强度作为极限载荷，尽管材料，钢，是延展性的，能够承受大量的非弹性变形。因此，在地表变形较大的情况下，管道的性能应考虑基于应变的极限状态，并允许管道应变大于规定的屈服应变。综上所述，对于正断层诱导的埋地管道，可以讨论以下极限状态:(a)纵向拉伸应变能力和(b)压缩应变(局部屈曲形成)(Vazouras等等。，2012）。另一方面，管道的拉伸能力由焊接区域最薄弱的区域和所谓的“热影响区”（HAZ）的焊接区域和相邻区域的拉伸能力显着控制。影响关节性能的有效因素是：（a）危险管材料的延展性较低，（b）滑块和接头中的焊接故障，（c）管道涂层腐蚀潜力。因此，建议的设计应变被认为只是材料拉伸能力的一小部分。基于标准和代码（Nyman，1984; Eurocode，1998; Asce Mop，2009），3％的保守应变限制可以被视为管道和焊接区域的正常可操作性的设计限制。另一方面，正常断层位移可能导致一些特定条件下的压缩菌株，这将导致屈曲。管道的压缩应变极限远小于拉伸值，并以管道机械和几何特性功能的形式提出。

数值模拟

在本研究中，利用Abaqus (Hibbitt)有限元方法，研究了正断层作用下管道响应的影响因素等等。, 2011)。该机构具有三维特性，因此采用三维形式进行建模。为了减少计算成本，考虑了x-y对称平面的半模型(图3)。

图3:(a)管道与土壤模型透视图， （b）土壤半导体剖面图，（c）土壤半模型 透视图 点击此处查看数字

关于参数变化困难的物理建模限制，这种模型不能涵盖各种物理，机械和几何元素属性。在这种情况下，校准的数值模型可以显着辅助。在校准过程中，通过相关测试（例如直接剪切测试）来选择模型参数，以便模型输出显示与物理模型结果相比的最小误差。在这里，Moradi等人的三种物理离心模型结果。（2013）被认为是校准的。校准是通过人工智能框架进行的（Gen和Cheng，2000; Ravindran等等。，2006;房间，1998年）这里没有讨论。在这种方法中，土壤 - 管道相互作用，土壤和管道本构法和关节性质被认为是优化参数。根据物理模型设置其他数值等数值如几何规范。已经将一个离心机测试的结果与校准的数模模型的结果进行了比较，如图4所示。根据比较，两种模型之间存在良好且令人信服的适应性，考虑到物理建模中包含的误差方法。

图4:轴向和弯曲应变分布 用于物理和数值模型 点击此处查看数字

本文采用非线性准静态分析方法，分别考虑了周边土(Firoozkouh 191标准砂)和钢管(API 5L X65)的各向同性应变软化和各向同性硬化弹塑性Mohr-Coulomb本构模型。这些力学性能如表1和表2所示。

表1:Firoozkouh-191标准砂力学性能 点击此处查看表格

表2：X65级钢管管道特性 点击此处查看表格

通过库仑摩擦系数(μ)，其值为0.44 (Yimsiri等等。, 2004)。分析分两个步骤运行。在第一步中施加了地静力荷载，在第二步中施加了破裂位移。模型参数的设计是根据工程实际中常用的数值进行的。因此，选取管径0.25 ~ 1.25 m，埋深0.6 ~ 1.2m，管径/壁厚比50 ~ 150进行参数化研究(O’rourke和Liu, 1999;API, 1999;(IPLOCA, 2013)，其中规定了管道响应的影响因素。

数学效果与讨论

在本节中，初步给出了基础(核心)模型的数值结果，并通过进行参数化研究，讨论了一些变量的影响。

核心模型结果

图5为芯体模型在管径为1.25m、管壁厚度为25mm、埋深为0.9m、断裂角度为60º时的断裂破坏演化过程。

图5：故障管道中的拉伸失效演变 变形增加 点击此处查看数字

一般的研究结果表明，与走滑断层相反，正断层的被动阻力不是沿管道长度均匀分布的。因此，受影响长度(L._E.)在正常断层中比在走滑断层中长得多。此外，管道的行为表明，纵向位移分量在变形的第一步是主导的。随着断层运动的增加，位移的横向(法向)分量会影响管道的行为，直到达到临界位移(你_CR.)，其中管道经历失效准则。研究表明，管材的轴向拉伸行为主导弯曲行为，轴向应变明显大于弯曲应变。

图6:沿管道长度的轴向应变和弯曲应变分布 点击此处查看数字

埋深的影响

为了探讨埋藏深度变化的影响，分析为0.6米和1.2M的埋藏深度，同时保持其他变量等于和固定。关于管道的主导轴向行为，轴向应变的分布在图2中示出。7。

图7：不同埋藏深度的轴向应变分布 点击此处查看数字

埋深变化表明，埋深越浅，覆盖层减小，轴向应变值越小，反之亦然。另一方面，减小埋深会增加断层的受影响长度(L._E.)的管道。这似乎在较大的断层偏移量中更为明显。

管壁厚度的影响

从25mm（d / t = 50）到8.3mm（d / t = 150）的管壁厚度降低会降低受影响的管道长度，同时保持管道直径固定（图9（a））。换句话说，由于部分惯性矩的较大值，较厚的管道将经历更长的受影响的长度。而且，具有较薄壁的管子将在较低偏移值中达到故障株（图9（b））。

图8:管壁减厚示意图 点击此处查看数字

临界断层位移

作为一种数值模拟的特权，断层偏移不局限于一个指定的值，位移将持续到管道经历拉伸破坏准则。所有研究模型的临界位移列于表3。这样的结果表明

表3：模型的关键故障位移

结果表明，埋藏深度减小将增加管道的偏移承载力。换句话说，浅埋管道可以容忍更大的故障偏移量，而埋深深度增加会降低管道的偏移承载力。而且，管壁厚度减小将使管道对位移更敏感。除了提到的参数之外，还研究了一些其他人在此处讨论。

结论

本文对正断层作用下影响油气生命线行为的因素进行了数值研究。该数值模型是在小型土工离心机试验的基础上建立、标定和扩展的。然后，进行了参数研究，研究了一些几何和物理参数对管道响应的影响。这种调查的结果如下:

• 在正常断层中，受影响的管道长度远远超过击穿故障中的相同条件。
• 管道的主导行为是轴向的，管道符合拉伸失效标准。
• 埋藏深度增加将降低受影响的管道长度，同时强化应变幅度。
• 减小管壁厚度会减小影响长度和临界破坏偏移量。
• 故障偏移的增加将导致深层埋藏和薄壁管道中的压力更大。

确认

本文提出了通过博士学位进行的零件研究。伊朗德黑兰大学土木工程学院的岩土工程论文。所有专家都受到惊讶地承认。

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