地震对埋地油气管道的风险分析与对策.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年8 月第 3 6 卷 第8 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J p I A u g ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 8 地震对埋地油气管道的风险分析与对策 何祖 祥 ，刘梓舟 中国石油天然气管道工程有限公司， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 葛 成吉 ，于常福 中国 石油天 然气管道局第四工程分公司， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 刘Ji，欠 中国石油天然气管道局第 二工程公司， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 [ 摘要] 油气管道在 国 民经济生活 中扮演 重要角色，地 震风险会对这 些管道造 成破坏性 影响。在潜在地 震 发 生地 区，考虑地震设 计是非常重要 的。提供 了油 气管道在 地震 波、活动 断层、永久地 面变形 等不 同的 地震事件下 的抗震设 计的指导性做 法 ，并 给 出了不 同地 震事件 下可采 纳 的措 施， 以阻止 管道在这 些地 震 风 险 下 失效 。 [ 关键词]地 震；油气管道 ；地震波 ；断层 ；液化 ；永 久地 面变形 [ 中图分 类号]T E 9 7 3 ． 1 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 4 0 8 0 2 5 1 0 4 油气管道因其重要性常被人们誉为生命线 ，其失效将对 日常生活造成重要影响 ，所以维持这些生命 线 的完整性非常重要。对于任何管线设施 的设计而言，抗震设计是重要 的考虑因素 ，因为地震所导致的 如管 道 断裂 泄 漏将 直接 影 响到公 众 生活 及生 态环 境 。笔 者 阐述 了地震发 生情 况下 管道 可能 的风 险及 可采 取 的措施 ，以便把地震风险对管道造成的影响降低到最小 。 1 地震对埋地管道的风险分类 地震 对埋 地 管道 风 险可 以分 为地震 波 和地 面变 形两 类 。地震 波 的风 险主要 是震 中能量 释放 所产 生 的 地震 波对 管道 的影 响 ；地 面变 形 的风 险有 断层 、滑坡 及 土壤 液化 产生 的浮 力影 响等 。 2 管道抗震设计包含的步骤 管道抗震设计所采 包含的步骤如下 ①根据设计理念 ，建立 地震 事件下的管道采用的评价标准 ； ②管道沿线潜在的地震区域及荷载的识别 ；③使用应 力分析和有 限元方法计算 当前管道 的抗震性能 ； ④选择适 当的施工措施和消减策略；⑤在管道设计和施工阶段实施这些策略。 3 地震对埋地 管道 的风险 分析 3 ． 1 地 震 波传 播 当地震发生的时候 ，地震波从震中传出并表现为强烈的地面震动 。地面震动由体波和面波两类波型 组成 。体波随地壳传播，面波沿地表传播 ，面波衰减速度比体波慢。 地震波在土壤中传播 ，引起土壤形变 ，使埋在其中的管道发生变形而可能造成破坏 。这种土壤形变 不是永久性的 ，土壤仍保持着完好性 图 1 。 在地震波传播过程中，地震动峰值加速度和动峰值速度是影响管道的主要参数 。因为管道的弯曲应变 相对要小，轴 向应变是唯一要考虑的值 。轴向应变取决于地面应变、地震波长和土壤与管道间的作用力。 [ 收稿日期]2 o 1 4一 O 6 2 2 [ 作者简介]何祖祥 1 9 7 8一 ，男 ， 2 0 0 1 年武汉大学毕业 ，工程师 ，现主要从事长输管道的线路设计工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 油 气管道 工程 2 0 1 4年 8月 将地 震 波 作 J 】 下 管 道 所 产 生 的 最 大 轴 向应 变 与 操 作 条 件 下 南 内 压 、温 差 引 起的轴I 】 应变 进行 组合 ，对 该值 与 管道 材料 的 容 许拉 伸 应 变 、容 许 压 缩 应 变 值 进行 比较 ，应 川 失 效 标 准 对 最 大 的 轴 向 应 变与 进 行 验 证 ，并 检 查 _其 是 _甭 在 允 许 的 范 罔 内。 来确定 是 否采取 抗 震措 施 。 3 ． 2活动 断层 活 动 断 层 指 两 部 分 不 连 续 的地 块 间 发 ， 的相 对 移 动 ，这 种 微 小 的 移 动 可 能 『 夫 1 为地 震或 者 长时 问 的 变化 而突 然 发 生 。 地 面 的位 移 取 决 于地 质情 况 、断 层 类 型 、 地 震 城 级 及 其 离 震 I f l 的 距 离 等 凶 素 。 断 _ 『 『 根 据 板 块 滑 移 方 或 者 相 对 地 表 的倾 角 分 为 正 断 层 、逆 断 层 _不 1 】 走 滑 断 层 网 2 。 某 些 情 况 下 ．断 层 可 能 南 升降 和 1 平 移运 动 两种 类 型 的组 合 。 断层 移 动 下 管 道 的状 态 取 决 于 管 道 特 忭 如管 径 、材 质 、管 道 与 断 层 间 的 交 叉角度 、有 效 的 非 锚 同 长度 和 土 壤 特 等 } 冬 1 3 。 l【F断层 及 逆 断 通 常 会 造 成 埋 地 管 道 的压 力 神1 托 力 增 大 ，走 滑 断 层 将 根 据 管 道 与断 层 的 穿 越 角 度 而 产 生 压 力 或 者 图 1 地震 波传 播 效 应 正断层 走滑断层 逆断层 图 2断 层 类 型 图 3 断层 移 动 下 管 道 状 态 断层 区域 拉力 。两者 比较 来说 ，逆 断层 导致 管道 发 生压 弯效 果 ，因此 埋地 管道 对逆 断层 的产 生效 果更 为敏感 。 通 过 汁算 活动 断层 错位 引起 的 管道 最大 拉伸 、压 缩应 变 ，与 管道抗 断 的轴 向容 许拉伸 应变 、压 缩应 变 值进 行 比较 ，来 确定 是 否采取 抗 震措施 。应 变计算 帮 助设计 人 员来 选择 合适 的应 对措施 从 而在 断层移 动 的情 况下 减 少管 道 的失效 风 险 。 3 ． 3 土壤 液化 产 生的 浮 力 地 震震 荡 造成 孑 L 隙水 的压 力增 大 ，降低 了土壤 的 剪力强 度 ，减小 沙 粒表 面张 力 ，产生 土壤液 化 。通 常，巾到大等级的地震容易发生液化 。液化主要取决于土壤饱和度 、孔隙水压力、沙的粒径及压实度等 【 六 1 素 。埋 地 管道 将 因为 土壤 液 化 而 产 生 浮 力 ，这 种 现 象 常 发 生 在 有 潜 在 液 化 可 能 的泛 洪 平 原 ，河 口 等 区域 。 当管道 敷设 在 水位线 以下 或 液化线 以下 所产 生 的浮 力超 过管 道 向下 的重 量 介质 重量 ，覆 盖 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 8 期 何祖祥 等 地震对埋地油气管道 的风 险分析与对策 土壤 曩 组 合时 需 考 虑土 壤液 化产 生上 浮 力 的影 响 。基于 管道上 浮 力和 弯 曲应 力 ，应采 取 压重块 或 重砂 袋 等措 施 ． 以减少 土壤 液化 造 成 的浮 力影 响 。 3 ． 4永 久地面 变 形 永久地 面变形指因断层 、滑坡 、沉降所导致 的无法恢复的地面移动。产生这些地质灾害因素取决于 当地 的土壤 和地 质 环境 。根据 管道 穿越 这些 区域 的角度 ，永 久地 面变 形能 被 分成纵 向 和横 向两种 类型 。 1 纵 向永 久地 面 变形 下管 道 的反 应 当地面移动与管道轴线方向一致时 ，纵向永久地面变形发生。这种情况下 ，管道的主要失效因素是 压 缩 区的局 部屈 曲和拉 伸破 坏 。拉 伸应 变作 用 于管道 的起 始位 置 ，压缩 应 变作 用在 末端 图 4 。 糕 婪 制 旧 舞 图 4纵 向永 久 地 面 变 形 下 管 道 状 态 变 2 横 向永 久地 面变 形下 管道 的 反应 地 面移 动方 向垂 直 于管 道轴 线 。 当受 横 向 的地面 变形 时 ，管道 将扩 展并 弯 曲 。所以这 种模式 下管 道 的失效主要归功于轴 向的张力和弯曲应变 图 5 。 ．I f iIi 减措施 图 5横向永久地面变形下管道状 态 为防 管道 在地 震风 险下 失效 ，有很 多可 采纳 的 消减措 施 。这些 措施 包括 使 用延 展性 好 、强 度 高 的管材 、增 加穿 越 活动 断层段 的管道 壁厚 、采 取措 施 隔离 管道 与地 面间 的移 动 、换 回填 土或 者调 整线路 以避 免 地 而移动 对管 道造 成破 坏 。针 对不 同类 型 的地震 风 险制定 不 同的 消减措 施 ，并考 虑其 经济性 后选 抒 合适 的措施 。另外 在 紧急情 况下 ，地震 监测 系统 也将 起 到辅助 作用 。除此之 外 ，每个 运营公 司也应制 定 相应 地震 应急 计划 。 4 ． 1 地 震 波传播 影 响 1 通常 情况 下 ，地震 波 传播 不会 对埋 地管 道造 成 严 重影 响 。但 在 某些 特 殊 情 况下 ，地 震 波 也 会对 僻道 或 设施 潜存 严重 破坏 ，例如在 很 硬或很 软 的土壤 巾传播 、站 场 阀室附 近 的管道 等 。 2 管线 长年腐蚀而变得脆弱，容易受到地震波的破坏 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 5 4 油 气管造 工程 2 0 1 4 年 8 月 3 对管道 使用 合适 的涂层 或包 裹 ，或选 用合 适 的 回填土 ，减 小 土壤 与 管 道 间 的作用 力 ，从 而 减小 地震 波对 管道 的影 响 。 4 ． 2穿 越活 动断 层的 消减措 施 1 宜避让产生较大位移的场区，或者选择管道穿越断层的角度，使管道主要承受拉伸应变。 2 在穿越断层两侧的管道应尽量避免设置弯头、法兰等 ，这些部件可能会 限制管道吸收应力 ，导 致局 部 的应力 集 中 ，从 而造成 管道 破裂 。 3 在断层 区管 道应 浅埋 以减少 土壤 对管 线 的约束 。 4 增 加沿 断层 带管 道 的壁厚可 有助 于 吸收或 者承 受更 大 的 应力 。在 这 种情 况 下 ，焊 接 的完 整 性也 应考 虑 。 5 管道涂层采用光滑坚硬的材料，以减少土壤对管线的约束。这可以减少土壤和管道之间的摩擦力。 6 采取特殊的管沟设计方案 ，使用不含卵石或石块 、松散的中等颗粒土有助于减小土壤对管道的 约束 。如果原状土与此类土不 同，为防止原状土与回填土的混合 ，应用土工布进行隔离 。 7 把管道布置在地面滑动支撑上 ，有助于地震发生时隔离管道与地面的移动 。 8 在断层两侧设置截断阀，以减少火灾风险或者其他对环境和公共安全的影响。 4 ． 3土 壤液化 浮 力影 响的 消减措 施 1 采用混 凝 土压重 块或 压重砂 袋减 小管 道上 浮力 的影 响 。 2 将 管道 敷设 在水 位线 以上 ，避免 土壤 液化对 其影 响 。 3 建立适 当排水系统来降低水位线高程 。 4 ． 4穿 越永 久地 面变 形的 消减措 施 1 避开产 生永 久地 面变 形 的地 层不 稳定 区域 2 对潜在永久地面变形 区域的土壤进行压实，加 固等措施 ，从而减少地面移动。 3 对管道使用合适的外包裹层 ，减少土壤与管道的摩擦力 。 4 ． 5 建 立地震 监 测 系统 地震 监测 系统 是管 道 防震 及震 后评 估 的重 要 技术 手 段 ， 通 过 监 测 系统 记 录地 震 发 生 的时 间 、空 间 、 强度 三要 素 和地 面震动 强度 的 区域 分 布 ，运 营管 理人 员根据 这些 信息 分析决 策管 道是 否需 要关 闭 、减输 或保 持现 状 。并可 基 于这些 数据 ，评价 管道 沿线 的地 震严重 程度 ，明确 管道 因地 震破 坏而需 检修 的管 段 和设备 ，节约维护检修时间，减少震害损失 。 5 结论 埋地油气管道 的抗震设计是不可避免的，提 出的策略可用于分析各种地震风险下管道 的状态，实际 应 用 中可根 据 国内外相 关标 准规 范 的公 式计 算这 些结 果 ，采取 必要 的消减 措施 ，以防止管 道失效 。在选 择 消减 措施 时 ，应 综 合考虑 这些 措施 中所 涉及 的成本 和管 道破 裂后 的影 响 以及 管道 的重要 性等 因素 。 [ 参考文献] [ 1 ]郝玉军 ，陈晓霞 ．地震断裂带管道敷设施工技术 [ J ]．石 油工程建设 ，2 0 0 8 ，3 4 4 4 2 4 3 ． [ 2 3刘建平 ，付立武 ，郝建斌 ，等 ．长输油气管道地震监测预警 的应用与技术 [ J ]．世界地震工程 ，2 0 1 0 ，2 6 2 1 7 9 ～1 8 0 ． [ 3 ]郝建斌 ，张杰，荆宏远 ，等 ．地震灾害对长输 油气管道 的危害 口]．油气储运 ，2 0 0 9 ，2 8 1 1 2 7 ～2 8 ． [ 4 ]G B 5 0 4 7 0 --2 0 0 8 ，油气输送管道线路工程抗震技术规范 I s ]． [ 编辑] 帅群 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m