基于柔性接头的陆上埋地钢制管道抗构造断裂优化配置研究

《Soil & Environmental Health》：Optimized configuration of flexible joints for the protection of onshore buried steel pipelines against tectonic rupture

针对陆上埋地油气管道在断层错动下易发生拉伸断裂或局部屈曲的问题，研究人员开展了柔性接头优化配置研究。通过遗传算法进行尺寸与拓扑优化，确定了接头数量、间距及力学性能的最优组合，显著降低了管道应变，提升了管道抗震能力。该研究为高完整性长寿命管道的抗震设计提供了新思路。

　　

陆上埋地管道作为输送油气的“能源高速公路”，连接着生产、加工、储存设施与用户，其安全运行至关重要。然而，地震引发的永久地面位移（如断层破裂、滑坡、液化沉降和侧向扩展）会对管道造成严重威胁。尽管断层破裂事件相对罕见，但一旦发生，管道损坏可能是灾难性的，导致燃料流动中断、泄漏或断裂，甚至引发自然-技术事件（Natech事件）。历史地震（如1995年日本阪神地震、1999年土耳其科贾埃利地震、1999年中国台湾集集地震和2023年土耳其卡赫拉曼马拉什地震）后的灾难性情况屡见不鲜。因此，保障管道完整性成为减灾框架内的首要设计和维护优先事项。

管道设计者和运营商采用多种缓解措施来应对断层对埋地管道的影响，包括提高管道强度（升级钢级或使用复合材料包裹）、改善管道截面刚度（增加壁厚）、减少管道-土壤界面摩擦（采用轮胎衍生骨料TDA回填、EPS土工泡沫块或松散颗粒土回填）以及部分隔离管道与地面位移（将管道置于混凝土涵管内）等。然而，传统措施仅对小的断层偏移量有效，且应用成本高、施工困难。

近年来，一种新的管道保护和地震韧性方法被提出，即在断层附近引入柔性接头，将连续管道结构系统转变为混合分段系统。柔性接头（如波纹管型接头）的主要力学行为是接头处的旋转，其作为内部铰链，使管道变形集中在这些点，而管段几乎保持未变形和无应变状态。这种混合系统结合了连续管道和分段管道的优点，确保管道连续性（消除分离风险）的同时，通过波纹管的卷积允许接头旋转而无泄漏风险。

本研究旨在开发一种设计优化方法，用于配置埋地管道在构造破裂下的柔性接头。优化问题结合了尺寸和拓扑优化，考虑了接头数量、相邻接头间距以及接头的力学性能（轴向刚度和旋转刚度）。目标是通过影响配置的主要参数（即断层类型和管道-断层交叉几何形状）最小化保护措施的寿命周期成本。采用遗传算法解决优化问题，检查所有断层类型和管道-断层交叉几何形状，获得每种情况下的优化拓扑配置，并讨论相应的设计考虑因素。

为开展研究，研究人员建立了梁型有限元（FE）模型，用于分析带有柔性接头的埋地管道在断层作用下的行为。管道被划分为梁型有限元，周围土壤由非线性平移弹簧表示（轴向、横向水平和垂直方向）。土壤弹簧属性根据ALA指南定义。柔性接头由弹性平移和旋转弹簧表示，模拟接头的轴向和旋转运动能力。管道完整性通过比较基于规范的应变限值（应变能力）与数值分析得到的管道最大纵向应变（应变需求）来评估。优化变量包括断层痕迹一侧的接头数量（n）、两个相邻接头之间的相对距离（LJ）、接头轴向刚度（K_a）和接头旋转刚度（K_φ）。约束条件涉及管道行为（拉伸和压缩应变）和接头行为（最大允许轴向位移和旋转）。目标函数旨在最小化接头数量，从而最小化成本。

研究结果表明，对于走滑断层，所需接头数量随着交叉角（β）的增加而减少（交叉越垂直，接头数越少），当β接近90°时趋于最小。这与一般规范建议和研究结果一致，即最优交叉角接近90°。因此，更高的交叉角导致安装更少但刚度较大的接头，总体成本降低。对于正断层，管道响应受断层倾角（ψ）和交叉角（β）的组合控制。低ψ角时，总接头数随β增加而增加；当ψ≥70°时，总接头数等于允许的最小值，与β无关。因此，断层倾角对保护措施成本的影响更大。对于逆断层，接头旋转能力控制设计。在参数分析中，对于非常低的ψ和β组合，由于结构过度变形，没有找到可行解决方案。总体而言，逆断层所需总接头数等于允许的最小值。

该研究通过优化柔性接头的配置，显著降低了管道在断层错动下的应变，提升了管道的抗震性能，为高完整性长寿命管道的抗震设计提供了重要参考。研究成果对保障能源基础设施的安全运行、减少地震灾害风险具有重要意义。论文发表在《Soil》期刊上。