配气站设备工艺区管道地震易损性分析方法及分析系统技术方案

本发明专利技术公开了配气站设备工艺区管道地震易损性分析方法及分析系统，建立配气站设备工艺区管道的有限元模型；对地震动进行调幅；进行瞬态时程分析，得到在任意地震动下管道的最大范式等效应力响应值；绘制IDA曲线；定义管道在遭受地震作用下的各破坏状态及对应区间，并基于IDA曲线得到极限状态下地震动的强度指标；建立管道地震概率需求模型并求解，得到地震易损性函数，绘制地震易损性曲线。本发明专利技术用以解决现有技术中没有专门针对配气站设备工艺区管道的地震易损性分析方法的问题，实现为配气站设备工艺区管道提供针对性的地震易损性分析方法，为管理者提供科学制定震前防灾维护、震后应急管理策略方法的目的。

【技术实现步骤摘要】
配气站设备工艺区管道地震易损性分析方法及分析系统
本专利技术涉及天然气配气站领域，具体涉及配气站设备工艺区管道地震易损性分析方法及分析系统。
技术介绍
历年来，燃气供应系统因地震破坏而造成安全功能丧失的事例比比皆是：1994年的美国洛杉矶地震，致使燃气系统发生了高达15×104处漏气，导致数起火灾；1995年日本阪神地区发生大地震，地震造成煤气管道破裂致使煤气泄漏，共有459处起火，燃烧面积达数万平方米，造成大量的人员伤亡。2008年5月12日四川汶川发生里氏8.0级特大地震，都江堰市燃气管道破坏非常严重，地下管道破裂10余处，需重建的地下管道达50千米，全市燃气输配系统遭受经济损失约6700万元。因此，因地震导致的燃气供应系统安全事故会给人民的生命财产安全带来严重损害。在这种情况下，对燃气供应系统的震害风险进行科学、准确的评估，为燃气企业决策层和管理人员提供科学的评价方法是十分必要的。设备工艺区在天然气配气站内承担着储存、调压、计量、加臭的主要任务。设备工艺区管道是指配气站站场内部连接各种设备、进行天然气输送处理的管道，与常规埋地管道不同的是，配气站设备工艺区管道在短距离（小范围）内连接了多种设备，如分离、调压、计量和各种阀门等，管道设置相较常规埋地管道而言十分复杂，因此其在遭受地震后的损害风险极大。然而现有技术中还没有专门针对配气站设备工艺区的地震易损性分析方法，无法为决策层和管理人员提供科学合理的设备工艺区防震害依据。
技术实现思路
本专利技术提供配气站设备工艺区管道地震易损性分析方法及分析系统，以解决现有技术中没有专门针对配气站设备工艺区管道的地震易损性分析方法、无法为决策层和管理人员提供科学合理的设备工艺区防震害依据的问题，实现为配气站设备工艺区管道提供具有针对性的地震易损性分析方法，为管理者提供科学制定震前防灾维护、震后应急管理策略方法的目的。本专利技术通过下述技术方案实现：配气站设备工艺区管道地震易损性分析方法，包括以下步骤：S1、获取配气站设备工艺区管道的材料参数，建立管道几何模型；对几何模型划分网格、设置约束条件，得到有限元模型；S2、对地震动进行调幅；S3、将调幅后的地震动时程加载到管道的有限元模型上，进行瞬态时程分析，得到在任意地震动下管道的最大范式等效应力响应值；以最大范式等效应力作为X轴，以地面峰值加速度PGA作为Y轴，绘制IDA曲线；S4、定义管道在遭受地震作用下的各破坏状态及对应区间，根据各破坏状态的对应区间得到极限状态点，基于IDA曲线得到极限状态下地震动的强度指标；S5、建立管道地震概率需求模型，求解管道地震概率需求模型，得到地震易损性函数；S6、根据得到的地震易损性函数，绘制配气站设备工艺区管道的地震易损性曲线。针对现有技术中没有专门针对配气站设备工艺区的地震易损性分析方法、无法为决策层和管理人员提供科学合理的设备工艺区防震害依据的问题，本专利技术首先提出一种配气站设备工艺区管道地震易损性分析方法，本方法首先获取配气站设备工艺区管道的材料参数，材料参数可以根据已知数据直接获得，也可以采用力学试验方式实验得到，然后建立几何模型，并对几何模型划分网格、设置约束条件，得到有限元模型。其中网格划分方式需要综合考虑划分精度、CPU计算时间和数据存储空间的实际情况，约束条件根据配气站实际情况进行设置。本申请中，考虑到在对管道结构进行增量动力分析时，需要计算到管道结构的定义破坏点，但是当地震震级过小、释放的能量有限时，计算结果将很难使管道结构达到破坏，达不到预期的易损性分析结果，因此本申请需要对地震动进行调幅，再将调幅后的地震动时程加载到管道的有限元模型上，进行瞬态时程分析，得到在任意地震动下管道的最大范式等效应力响应值，以最大范式等效应力作为管道损伤指标进行后续分析，并以最大范式等效应力和对应的地面峰值加速度PGA建立IDA曲线。然后定义管道在遭受地震作用下的状态，称之为破坏状态，并确定各破坏状态对应的区间，基于确定的区间，找出相邻两个区间的临界点，即为极限状态点，再根据IDA曲线得到极限状态下地震动的强度指标。最后建立管道地震概率需求模型，根据前述极限状态的计算结果，求解管道地震概率需求模型，得到地震易损性函数，绘制配气站设备工艺区管道的地震易损性曲线。本申请最终得到的地震易损性曲线，能够作为配气站设备工艺区震害分析的标准，克服了现有技术中没有专门针对配气站设备工艺区管道的地震易损性分析方法的缺陷，为配气站设备工艺区管道提供了具有针对性的地震易损性分析方法，为管理者制定震前防灾维护、震后应急管理策略提供了充分依据。进一步的，所述材料参数包括弹性模量、拉伸屈服强度、塑性应变、泊松比和密度；所述几何模型包括管道本体、管道支架和阀门设备；所述管道本体、管道支架采用六面体网格进行划分，所述阀门设备采用四面体网格进行划分；所述约束条件包括：所述管道本体的两端设置为对称约束，所述管道支架设置为六个自由度完全约束。本方案中将管道材料参数分为弹性阶段的弹性模量、拉伸屈服强度，塑性阶段的塑性应变，以及基础参数泊松比和密度三部分，充分考虑了管道材料的物理特性，为后续建模过程做好充分准备。本方案中的几何模型包括管道本体、管道支架和阀门设备，虽然本申请的研究对象只是管道，但是对于配气站设备工艺区而言，其在小范围内设备十分密集，仅仅考虑管道本体难以满足基本的震害分析需求，故将与管道本体配套的管道支架和阀门设备纳入几何模型进行综合考量；其中，对于管道本体、管道支架，由于其结构相对简单，选择单元节点数适中、计算量中等的六面体网格进行划分，而对于结构相对复杂的阀门设备，若采用六面体网格划分容易导致质量较差，故采用四面体单元网格进行划分。此外，本方案在设置约束条件时，将管道支架四个底面的六个自由度完全约束，同时，将管道本体两端设置为对称约束，即约束管道两端x轴向的平动自由度和yz轴的转动自由度，从而准确模拟被分析管道在设备工艺区内的实际约束状态，有利于提高建模准确性。进一步的，步骤S1对几何模型划分网格的过程中，设计不同数量的网格划分方案，对模型进行网格敏感性分析，基于网格敏感性分析结果，得出网格划分最佳方案。网格划分的好坏将直接影响后续瞬态时程分析的精度，错误的网格划分方案甚至会导致模拟计算无法进行。作为本领域公知常识，网格划分越精细，网格数量越大，计算结果越接近实际情况。但实际操作时，却并非网格越多越好，网格数量越大，计算所需要的内存、CPU、硬盘等将会越大，过量的网格可能超出计算机性能极限，导致计算机死机，计算无法运行；同时，本方案专利技术人在大量研究过程中发现，由于计算误差始终存在，若非敏感区域内网格过多，反而可能导致误差累积过多而降低了计算精度。因此，为了确保所选择的网格数目及划分方案是最优或较优的，本方案在对几何模型划分网格的过程中，设计不同数量的网格划分方案，对模型进行网格敏感性分析，基于网格敏感性分析结果选择网格划分最佳方案。具体选择方法可包括：首先设计不同数量的网格划分方案；然后得出在各方案下模型的最大范式等效应力随时间变化曲线、最大等本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.配气站设备工艺区管道地震易损性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、获取配气站设备工艺区管道的材料参数，建立管道几何模型；对几何模型划分网格、设置约束条件，得到有限元模型；/nS2、对地震动进行调幅；/nS3、将调幅后的地震动时程加载到管道的有限元模型上，进行瞬态时程分析，得到在任意地震动下管道的最大范式等效应力响应值；以最大范式等效应力作为X轴，以地面峰值加速度PGA作为Y轴，绘制IDA曲线；/nS4、定义管道在遭受地震作用下的各破坏状态及对应区间，根据各破坏状态的对应区间得到极限状态点，基于IDA曲线得到极限状态下地震动的强度指标；/nS5、建立管道地震概率需求模型，求解管道地震概率需求模型，得到地震易损性函数；/nS6、根据得到的地震易损性函数，绘制配气站设备工艺区管道的地震易损性曲线。/n

【技术特征摘要】
1.配气站设备工艺区管道地震易损性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取配气站设备工艺区管道的材料参数，建立管道几何模型；对几何模型划分网格、设置约束条件，得到有限元模型；
S2、对地震动进行调幅；
S3、将调幅后的地震动时程加载到管道的有限元模型上，进行瞬态时程分析，得到在任意地震动下管道的最大范式等效应力响应值；以最大范式等效应力作为X轴，以地面峰值加速度PGA作为Y轴，绘制IDA曲线；
S4、定义管道在遭受地震作用下的各破坏状态及对应区间，根据各破坏状态的对应区间得到极限状态点，基于IDA曲线得到极限状态下地震动的强度指标；
S5、建立管道地震概率需求模型，求解管道地震概率需求模型，得到地震易损性函数；
S6、根据得到的地震易损性函数，绘制配气站设备工艺区管道的地震易损性曲线。


2.根据权利要求1所述的配气站设备工艺区管道地震易损性分析方法，其特征在于，
所述材料参数包括弹性模量、拉伸屈服强度、塑性应变、泊松比和密度；
所述几何模型包括管道本体、管道支架和阀门设备；
所述管道本体、管道支架采用六面体网格进行划分，所述阀门设备采用四面体网格进行划分；
所述约束条件包括：所述管道本体的两端设置为对称约束，所述管道支架设置为六个自由度完全约束。


3.根据权利要求1所述的配气站设备工艺区管道地震易损性分析方法，其特征在于，步骤S1对几何模型划分网格的过程中，设计不同数量的网格划分方案，对模型进行网格敏感性分析，基于网格敏感性分析结果，得出网格划分最佳方案。


4.根据权利要求1所述的配气站设备工艺区管道地震易损性分析方法，其特征在于，步骤S2对地震动进行调幅的方法包括以下步骤：
S201、将已知的时程曲线加载到有限元模型中，得到第一次计算的最大范式等效应力、最大等效应变；并对配气站设备工艺区管道进行模态分析，得到一阶自振频率，将所述一阶自振频率转化为基本周期T1；
S202、将地震动记录转化为对应的反应谱曲线，找到在T1处的反应谱曲线加速度值，计算得到地震记录在基本周期T1处的所有反应谱的几何平均数Sa(T1)geomean：

；
式中，Sa(T1)i为第i个反应谱在基本周期T1时的反应谱值，i取1,2,...n，n为反应谱总数；
S203、计算第i个反应谱的调幅因子SFi：SFi=Sa(T1)geomean/Sa(T1)i；
S204、计算得到第i个反应谱调幅后的值Sa(T1)i+1：Sa(T1)i+1=SFi·Sa(T1)i；
S205、计算第i+1个反应谱的调幅因子SFi+1：SFi+1=ϛi·SFi；式中，ϛi代表调幅放大系数，取值为ϛi=ϛ1·(σs/a'·σi)；σs为材料屈服强度，σi为第一次计算得到的最大范式等效应力，a'为放大精度系数；
S206、循环步骤S204~S205，直至完成对所有反应谱的调幅。


5.根据权利要求1所述的配气站设备工艺区管道地震易损性分析方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：
S401、将管道在遭受地震作用下的破坏状态定义为以下几种：基本完好、轻微破坏、中等破坏和严重破坏；
当σM＜[σr]，所述破坏状态为基本完好；
当[σr]≤σM≤[σe]，所述破坏状态为轻微破坏；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍颖，吴鹏，孟博杰，李都，邓兴，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51