Buried Pipeline Subjected to Normal and Reverse Tectonic Fault Rupture

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία διερευνά την μηχανική συμπεριφορά υπογείου χαλύβδινου αγωγού, που χρησιμοποιείται στην μεταφορά πετρελαίου ή φυσικού αερίου, υποβαλλομένου σε κανονική ή ανάστροφη διάρρηξη τεκτονικού ρήγματος. Η διερεύνηση βασίζεται σε αριθμητική προσομοίωση με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Κύριος στόχος της εργασίας είναι η ανάπτυξη προσομοιώματος που να λαμβάνει υπόψη την ανελαστική συμπεριφορά τόσο του εδλαφους όσο και του αγωγού, καθώς και τις γραμμικές μή-γραμμικότητες, δίνοντας έμφαση στην ρεαλιστική προσομοίωση της διεπιφάνειας εδάφους-αγωγού με αποκόλληση και ολίσθηση. Αφετέρου, διερευνάται παραμετρικά η επιρροή των σημαντικότερων παραμέτρων του προβλήματος. Εξετάζονται διαφορετικές προσεγγίσεις ως προς τις συνοριακές συνθήκες στα άκρα του αγωγού, καταλήγοντας στη δημιουργία ενός υβριδικού «συνόρου» τύπου Winkler, το οποίο προσομοιώνει ικανοποιητικά την συνέχεια του αγωγού και του εδάφους. Το αναπτυχθέν προσομοίωμα εφαρμόζεται για την προσομοίωση κανονικού και ανάστροφου ρήγμτος. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται με βάση την «οριακή» μετατόπιση ρήγματος σε σχέση με τον λόγο της διαμέτρου προς το πάχος του αγωγού (D/t). Η αστοχία ορίζεται από κατάλληλα λειτουργικά κριτήρια για τον αγωγό τα οποία ελέγχονται καθ’ όλη τη διάρκεια των αναλύσεων. Οι παράμετροι που εξετάζονται, πέραν του λόγου D/t, είναι η επίδραση του πάχους της εδαφικής στρώσης, η σχέση τάσεων-παραμορφώσεων του χάλυβα του αγωγού και η εσωτερική πίεση λόγω του μεταφερόμενου ρευστού.

The present diploma thesis investigates the mechanical behavior of a buried steel pipeline, commonly used for oil and gas transportation, subjected to Dip-Slip tectonic fault rupture. The investigation is based on numerical simulation with the finite element code ABAQUS 2011. The main objective of this study is to develop a proper model that accounts for large displacements and strains, inelastic material behavior of the pipe and the soil, as well as proper contact and friction at the pipe-soil interface. Different approaches are examined concerning the pipe boundaries, finally leading to the development of a hybrid boundary capable of simulating the natural continuation of the pipe. The model is used to study the normal and reverse fault ruptures. The main results are presented in terms of “critical” fault displacement for different performance criteria, which are monitored throughout the analyses, with respect to the D/t ratio. Other parameters that are examined are the soil layer’s depth, the stress-strain relation of the pipe steel, and the internal pipe pressure.