Mechanical behavior of buried steel pipelines crossing active strike slip faults

Abstract

Motivated by the growing demand for new major oil and gas pipeline projects worldwide, the present study investigates the performance of buried pipelines in geohazard areas subjected to permanent strike-slip fault movement. The study is based on an efficient combination of detailed numerical simulations and closed-form analytical solutions. An extensive literature review is conducted for the evaluation and assessment of available analytical and numerical models, experimental data and available commercial software. In addition standards that incorporate the strain-based design approach for pipeline design are considered. The interacting soil–pipeline system is modeled rigorously through finite elements, employing a general purpose finite element program. A closed-form solution for the force-displacement relationship of a buried pipeline subjected to tension is presented for pipelines of finite and infinite lengths. This solution is used in the form of nonlinear springs at the two ends of the pipeline in refined finite-element models, allowing an efficient nonlinear analysis of the pipe-soil system at large strike-slip fault movements. The analysis accounts for large strains, inelastic material behaviour of the pipeline and the surrounding soil, as well as contact and friction conditions on the soil-pipe interface. The effects of various soil and pipe parameters on the mechanical response of the pipeline are examined. Steel pipes with D/t ratio and material grade typical for oil and gas pipelines are considered. The effects of internal pressure on pipeline performance are also investigated. The analysis is conducted through an incremental application of fault displacement. Appropriate performance criteria of the steel pipeline are defined and monitored throughout the analysis. The numerical results determine the fault displacement at which the specified performance criteria are reached, and are presented in diagram form, with respect to the fault crossing angle. The results of the parametric analyses demonstrate that for a strike-slip fault that is normal to the pipeline axis, local buckling occurs at relatively small fault displacements. As the angle between the fault normal and the pipeline axis increases, local buckling can be avoided due to longitudinal stretching, but the pipeline may fail due to excessive axial tensile strains or cross-sectional flattening. The numerical models consider both infinite and finite length of the pipeline corresponding to various angles between the pipeline axis and the normal to the fault plane. It is shown that the end conditions of the pipeline have a significant influence on pipeline performance. Finally, in an attempt to explain the structural behaviour of the pipeline with respect to the occurrence local buckling, a simplified analytical model is also developed that illustrates the counteracting effects of pipeline bending and axial stretching and provides reasonable closed-form estimates for the formation of local buckling for relative small values of crossing angle accounting also for end effects.

Λόγω της αυξανόμενης ζήτηση για νέα μεγάλα έργα αγωγών πετρελαίου και φυσικού αερίου σε όλο τον κόσμο, η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά την συμπεριφορά των υπογείων μεταλλικών αγωγών που διέρχονται από επικίνδυνες γεωμορφολογικά περιοχές στις οποίες παρατηρούνται ρήγματα οριζόντιας ολίσθησης. Η διατριβή βασίζεται σε ένα αποτελεσματικό συνδυασμό λεπτομερών αριθμητικών προσομοιώσεων και αναλυτικών λύσεων κλειστής μορφής. Αρχικά μια εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση διεξάγεται για την αξιολόγηση και την εκτίμηση των διαθέσιμων αναλυτικών και αριθμητικών μοντέλων, πειραματικών αποτελεσμάτων και των διαθέσιμων λογισμικών του εμπορίου. Επί πλέον, γίνεται μια καταγραφή των κανονισμών που χρησιμοποιούνται στον σχεδιασμό των αγωγών αυτών δίνοντας έμφαση στους κανονισμούς που προσεγγίζουν τον σχεδιασμό με βάση τις επιτρεπόμενες παραμορφώσεις. Η αλληλεπίδραση του συστήματος εδάφους-αγωγού διαμορφώνεται μέσω της χρήσης πεπερασμένων στοιχείων, χρησιμοποιώντας ένα γενικής χρήσης πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων. Πρώτα παρουσιάζεται μια λύση κλειστής μορφής για τη σχέση δύναμης-μετατόπισης ενός υπόγειου αγωγού ο οποίος υποβάλλεται σε εφελκυσμό, τόσο για αγωγούς πεπερασμένου όσο και άπειρου μήκους. Η λύση αυτή χρησιμοποιείται υπό μορφή μη γραμμικών ελατηρίων στα δύο άκρα του αγωγού σε λεπτομερή μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων, επιτρέποντας έτσι την αποτελεσματική μη γραμμική ανάλυση του συστήματος εδάφους-αγωγού σε μεγάλες μετακινήσεις ρηγμάτων οριζόντιας ολίσθησης. Η ανάλυση λαμβάνει υπ όψη την θεωρία μεγάλων παραμορφώσεων, ανελαστική συμπεριφορά του υλικού τόσο του αγωγού όσο και του περιβάλλοντος εδάφους, καθώς και τις συνθήκες επαφής και τριβής στη διεπιφάνεια εδάφους-αγωγού. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάστηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων του εδάφους και του αγωγού στην μηχανική συμπεριφορά του αγωγού. Θεωρήθηκαν λόγοι D/t και υλικά, αντίστοιχα με αυτά που χρησιμοποιούνται σε αγωγούς πετρελαίου και φυσικού αερίου. Ερευνήθηκε επίσης η επιρροή της εσωτερικής πίεσης στην συμπεριφορά του αγωγού. Η ανάλυση διεξάγεται με επιβολή της μετακίνησης του ρήγματος μέσω στοιχειωδών βημάτων. Κατάλληλα κριτήρια αστοχίας του χαλύβδινου αγωγού χάλυβα καθορίστηκαν και ελέγχονται καθ’ όλη την ανάλυση. Τα αριθμητικά αποτελέσματα παρουσιάζουν σε μορφή διαγράμματος, την μετακίνηση του ρήγματος στην οποία πληρούνται τα καθορισμένα κριτήρια αστοχίας, σε σχέση με τη γωνία που σχηματίζει το κάθετο επίπεδο του ρήγματος και ο άξονας του αγωγού. Η γωνία αυτή ονομάζεται β. Τα αποτελέσματα των παραμετρικών αναλύσεων δείχνουν ότι για ένα ρήγμα οριζόντιας ολίσθησης το οποίο είναι κάθετο στον άξονα του αγωγού (β=0), συμβαίνει τοπικός λυγισμός σε σχετικά μικρές μετατοπίσεις του ρήγματος τόσο για άπειρο όσο και για πεπερασμένο μήκος αγωγού. Καθώς η γωνία μεταξύ του ρήγματος και του άξονα του αγωγού αυξάνεται, ο τοπικός λυγισμός μπορεί να αποφευχθεί λόγω της διαμήκους έντασης που αναπτύσσεται, αλλά τότε ο αγωγός μπορεί να αστοχήσει εξαιτίας της μεγάλης αξονικής εφελκυστικής παραμόρφωσης ή της οβαλοποίησης της διατομής. Τα αριθμητικά μοντέλα θεωρούν διάφορες γωνίες β, τόσο για άπειρο όσο και πεπερασμένο μήκος του αγωγού. Αποδεικνύεται ότι οι συνοριακές συνθήκες του αγωγού έχουν σημαντική επίδραση στην συμπεριφορά αυτού. Τέλος, προκειμένου να εξηγηθεί η δομική συμπεριφορά του αγωγού σε σχέση με την εμφάνιση τοπικού λυγισμού, αναπτύσσεται ένα απλοποιημένο αναλυτικό μοντέλο το οποίο καταδεικνύει τον ανταγωνιστικό ρόλο μεταξύ της κάμψης και της αξονικής παραμόρφωσης του αγωγού. Το μοντέλο αυτό, λαμβάνοντας υπόψη τις συνοριακές συνθήκες κατά μήκους του αγωγού, παρέχει λογικές εκτιμήσεις, κλειστής μορφής, για το σχηματισμό του τοπικού λυγισμού για σχετικά μικρές τιμές της γωνίας β.