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原文传递断层作用下季节性冻土区埋地输气管道力学性能分析

论文题名：	断层作用下季节性冻土区埋地输气管道力学性能分析
关键词：	埋地输气管道;断层作用;力学性能;季节性冻土区;有限元;温度场
摘要：	为争取实现2060年碳中和的目标，国家近年大力推广使用清洁能源，天然气作为低碳清洁能源迎来重要发展机遇期，是从高碳社会过渡到零碳社会的能源桥梁。由于我国的油气资源分布特点，管道运输成为我国天然气运输的重要手段。我国长距离输气管道经过的环境情况复杂，诸多输气管道项目穿过或位于季节性冻土区，前人虽对埋地管道的研究较多，但尚未有针对季节性冻土区这种温度变化较大情况下埋地输气管道运行情况的研究，季节性冻土区土体随季节变化呈现出的情况与永冻土及全年不冻土完全不同，故对季节性冻土区埋地管道在不同条件下进行力学性能分析是十分有必要的，尤其是对埋地管道在断层作用这种大变形场地运动下的状态分析，对预防埋地管道泄露、增加埋地管道抵抗灾害的能力、保障灾时管道平稳运行有重要意义。本文的主要研究内容及所做工作有：　　（1）考虑断层错动过程中管道与土体之间的接触非线性，建立尺寸为20m×20m×180m的管-土非线性接触模型，为准确体现管道受到断层作用后可能出现的局部屈曲变形，使用壳单元绘制埋地管道，与规范方法及前人成果进行比较，验证模型的准确性。　　（2）确定季节性冻土区的热学边界条件，模拟季节性冻土区气温变化获得季节性冻土区土体温度场，运用顺序耦合法，将温度场导入力学分析步中实现土体冻胀，提出三维热力耦合非线性有限元模型，以走滑断层为研究对象，分析断层作用下埋地管道的变形规律，得到穿越角为90°的埋地管道在走滑断层作用下主要因局部受压屈曲失效的结论。　　（3）各影响因素中，管道壁厚对埋地管道的力学性能改善最为明显，22mm壁厚的管道断层临界位移是6mm壁厚管道临界位移的4.9倍；使用高钢级管道提升管道力学性能，X80管道相较X56管道，断层临界位移增长39%；管道口径超过800mm，管道力学性能几乎不再受管道口径影响；管道埋置越深，断层临界位移相对下降，管道埋深每增加0.2m，断层临界位移降低5%；管道内天然气温度升高造成的管道热应变使管道压应变升高，管道受压破坏几率提高；升高管道内压，管道受压破坏的风险随之升高，12MPa内压管道相较4MPa内压管道，力学性能下降50%；除以上因素以外，断层两侧不均匀冻胀会造成管道力学性能随环境温度场产生波动。　　（4）将考虑土体温度场的模型与未考虑温度场模型计算结果对比，确定土体温度场对埋地管道影响规律。若在分析过程中未考虑土体温度场造成的管土间相互作用变化，断层临界位移将出现5~10%的偏差，在管道力学性能较差的情况下偏差可达到50%，管壁越薄，埋置越浅，管道口径越大，越应关注土体冻胀对埋地管道力学性能的影响。　　通过对以上内容的研究，分析了各种因素对断层作用下季节性冻土区埋地输气管道的影响，表明考虑季节性冻土区温度场对埋地管道影响的重要性，为季节性冻土区埋地输气管道的建设、运行、灾后维修、加固提供了一定的依据。
作者：	付中方
专业：	建筑与土木工程
导师：	郝润霞
授予学位：	硕士
授予学位单位：	内蒙古科技大学
学位年度：	2022