Structural integrity of offshore pipelines crossing active faults

Abstract

Με κίνητρο την αυξανόμενη ζήτηση για νέα μεγάλα έργα υπεράκτιων αγωγών φυσικού αερίου σε όλο τον κόσμο, η παρούσα διατριβή εξετάζει την επίδοση αγωγών μερικώς βυθισμένων εντός τους θαλάσσιου πυθμένα σε περιοχές που είναι επιρρεπείς σε μετακινήσεις τεκτονικών ρηγμάτων. Οι υπεράκτιοι αγωγοί συχνά διασχίζουν μεγάλες περιοχές με γεωμορφολογικές, γεωλογικές και τεκτονικές συνθήκες που μπορεί να θέτουν ποικίλους γεωκινδύνους, ένας από τους οποίους είναι η σεισμική ολίσθηση ενεργών τεκτονικών ρηγμάτων. Η κίνηση του εδάφους που προκαλείται από την ολίσθηση του ρήγματος επιβάλλει σημαντική καταπόνηση στους αγωγούς, απειλώντας την ακεραιότητά τους. Στο πρώτο μέρος της διατριβής, πραγματοποιείται μια πλήρης βιβλιογραφική ανασκόπηση με έμφαση στα υφιστάμενα αναλυτικά και αριθμητικά μοντέλα ανάλυσης αγωγών. Επιπλέον, περιγράφονται οι διατάξεις προτύπων και κανονισμών που διέπουν τον σχεδιασμό αγωγών έναντι μόνιμων παραμορφώσεων που οφείλονται σε μετακινήσεις του εδάφους. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσομοιώσεων αλληλεπίδρασης εδάφους-αγωγού υπό συνθήκες διάρρηξης σεισμικού ρήγματος, ο οποίες εκτελέστηκαν χρησιμοποιώντας το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων γενικής χρήσης Abaqus. Συγκεκριμένα, οι αριθμητικές αναλύσεις αφορούν σε ένα αγωγό μερικώς βυθισμένο εντός θαλάσσιου πυθμένα που αποτελείται από λεπτόκοκκο έδαφος, ο οποίος υποβάλλεται σε διαφορική μετατόπιση ενεργού τεκτονικού ρήγματος. Πραγματοποιήθηκαν παραμετρικές αναλύσεις για τρεις τύπους ρηγμάτων (κανονικό, ανάστροφο και οριζόντιας ολίσθησης), για διαφορετικές τιμές της γωνίας διασταύρωσης του ρήγματος με τον άξονα του αγωγού, της διατμητικής αντοχής στην επιφάνεια του βυθού και του βάθους βύθισης του αγωγού στο έδαφος. Επίσης, ο αγωγός εξετάζεται για διάφορες συνθήκες διαφορικής πίεσης (εσωτερική μείον εξωτερική πίεση αγωγού) και διαφορετικές τιμές πάχους τοιχώματος. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων, τα οποία παρουσιάζονται σε μορφή διαγραμμάτων, συγκρίνονται με κριτήρια απόδοσης χαλύβδινων αγωγών. Από τα αριθμητικά αποτελέσματα διαπιστώνεται ότι η διάρρηξη ενός κανονικού ρήγματος δεν υποβάλει σε σοβαρό κίνδυνο τον αγωγό, ακόμη και για μεγάλου μεγέθους σεισμό. Αντίθετα, σε συνθήκες αντίστροφου ρήγματος και ρήγματος οριζόντιας ολίσθησης, ανάλογα με το πως διασχίζει ο αγωγός το ίχνος του ρήγματος, ενδέχεται να δημιουργείται σοβαρός κίνδυνος θλιπτικού τοπικού λυγισμού. Στην περίπτωση ανάστροφου ρήγματος, για ένα εύρος γωνιών διασταύρωσης πέριξ των 90ο, ο λυγισμός του αγωγού συμβαίνει σε σχετικά μικρές τιμές μετατόπισης ρήγματος, ενώ για μεγαλύτερες τιμές της γωνίας, ο τοπικός λυγισμός καθίσταται λιγότερο πιθανός λόγω των σχετικά μειωμένων θλιπτικών τάσεων οι οποίες αναπτύσσονται στον αγωγό. Στην περίπτωση των ρηγμάτων οριζόντιας ολίσθησης, το ενδεχόμενο λυγισμού εξαρτάται επιπλέον από τη φορά κίνησης των τεμαχών εκατέρωθεν του ρήγματος. Όταν η φορά κίνησης των τεμαχών είναι τέτοια που να επιβάλλεται θλίψη στον αγωγό, ο κίνδυνος λυγισμού είναι μεγαλύτερος όσο πιο λοξή είναι η διέλευση του αγωγού. Οι παρατηρήσεις αυτές καταδεικνύουν ότι η ασφάλεια ενός αγωγού μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά απλά με κατάλληλη προσαρμογή της όδευσης στη θέση διέλευσης του ίχνους του ρήγματος. Τέλος, σε μια προσπάθεια να προβλεφθεί η δομική επίδοση ενός αγωγού και να αξιολογηθεί η σημασία των παραμέτρων του προβλήματος, καταστρώθηκε με βάση τα αποτελέσματα των αναλύσεων μια εξίσωση για τον υπολογισμό της κρίσιμης μετατόπιση ρήγματος (μετατόπιση για την οποία συμβαίνει υπέρβαση κριτηρίων αστοχίας) με δεδομένες τις τιμές γωνίας διασταύρωσης, διαμέτρου αγωγού, πάχους τοιχώματος, βύθισης στο έδαφος, διαφορικής πίεσης και διατμητικής αντοχής του εδάφους. Η προτεινόμενη εξίσωση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στον προκαταρκτικό σχεδιασμό της χάραξης μελλοντικών υπεράκτιων αγωγών φυσικού αερίου και στην αξιολόγηση της τρωτότητας υπαρχόντων αγωγών έναντι μετακινήσεων τεκτονικών ρηγμάτων.

Motivated by the increasing demand for new major natural gas pipeline projects throughout the world, the present dissertation examines the performance of partially embedded pipelines in regions susceptible to tectonic fault movement. Offshore pipelines often cross large areas with geomorphological, geological and tectonic conditions that may pose a variety of geohazards, one of which is the co-seismic slippage of active tectonic faults. Ground movement induced by fault slippage imposes substantial straining on the pipelines, threatening their integrity. This research is based on extensive numerical simulations. In the first part of the dissertation, a comprehensive literature review is conducted, focusing on existing analytical and numerical models for the analysis of pipelines. In addition, the provisions of codes and standards pertaining to the design of pipelines against permanent deformations due to ground movement are described. Next, the results of simulations of soil-pipeline interaction under seismic fault rupture conditions, performed using the general-purpose finite element software Abaqus, are presented. More specifically, the numerical analyses pertain to pipelines partially embedded in fine-grained (clayey) seabed soil that are subjected to the differential displacement of an active tectonic fault. A series of parametric analyses were carried out for three types of faults (normal, reverse and strike-slip), for different values of the angle between pipeline axis and fault strike (fault crossing angle), the shear strength at the seabed and the embedment depth of the pipeline. Moreover, the pipeline is examined for various differential pressure conditions (internal minus external pipeline pressure) and different wall thickness values. The results of the analyses, which are presented in the form of diagrams, are compared with performance criteria of steel pipelines. The numerical results indicate that the rupture of a normal fault does not seriously endanger the pipeline, even for large magnitude earthquakes. On the contrary, in reverse fault and strike-slip fault conditions, there exists a significant risk of compressive local buckling, depending on the way the pipeline crosses the fault trace. In the case of reverse faulting, for crossing angles around 90o, the buckling of the pipeline occurs at relatively small fault displacement values, while for higher values of the crossing angle, local buckling becomes less likely due to the comparatively smaller compressive stresses that develop in the pipeline. In the case of strike-slip faults, the possibility of buckling depends also on the direction of relative movement of the blocks on either side of the fault. When the block movement direction is such that compression is imposed on the pipeline, the risk of buckling becomes greater the more oblique the passage of the pipeline is. These observations demonstrate that the safety of a pipeline can be significantly improved simply by properly adjusting the route at the location of fault crossing. Finally, for the preliminary assessment of the structural performance of pipelines during design, an equation was formulated based on the analysis results for the calculation of the critical fault displacement (i.e. the displacement for which pipeline failure criteria are exceeded) given the values of the fault crossing angle, pipeline diameter, wall thickness, embedment depth, pipe differential pressure and soil shear strength. The proposed equation could be used in the preliminary route design of future offshore gas pipelines and in the assessment of the vulnerability of existing pipelines against movements of tectonic faults.