天然氣管線抗震性校核分析方法與應用

(武漢江漢化工設計有限公司，湖北 武漢 430223)

地震是一種具有極大破壞力的自然災害[1]，一次破壞性地震可以在一分鐘甚至幾秒內摧毀一座城市[2]。地下管道是城市供水、供氣、熱力和排污等地下生命線系統(tǒng)的基本組成部分[3]，若管線未進行抗震設計，則可能因地震而導致管道變形、破裂，從而影響管道的正常運行，甚至造成污染、易燃易爆物質泄漏，例如燃氣泄漏后引起火災次生災害，繼而導致人員傷亡和財物損毀。1976年河北唐山地區(qū)發(fā)生大地震，使秦皇島至北京輸油管道有4處遭受破壞而漏油，并有多處變形，造成管道停輸[4]。2016年日本福岡發(fā)生7.3級地震，因地下管道遭受擠壓，導致地下水帶著氣體，造成大量泡沫從地下涌出，嚴重影響路面的正常交通[5]。綜上可知，長輸埋地管線除按正常流程進行設計外，還需進行抗震校核分析，以在源頭設計上保障其抗震能力。

本文結合某天然氣輸送項目，進行長輸天然氣埋地輸送管線抗震校核分析，具體結合各個地區(qū)的地震參數(shù)來探討在同一溫度壓力情況下，管道的抗拉伸、抗壓縮能力是否符合抗震設計標準。

1 管線抗震校核方法

1.1 校核的必要性

管道抗震校核分為抗拉伸和抗壓縮校核兩部分。根據(jù)大量震害統(tǒng)計資料，國標GB/T 50470—2008《油氣輸送管道線路工程抗震技術規(guī)范》對需要進行管道抗震校核的情況進行了定義：一般場地的地下直埋管道地震動峰值加速度大于或等于0.30g時才開始破壞；為了安全起見，地震動峰值加速度大于或等于0.20g時，直埋管道應進行地震振動抗拉伸和抗壓縮的校核[6]。對于穿越水域(河、湖、溝、渠)的管道，只有當?shù)卣饎臃逯导铀俣却笥诨虻扔?.10g的地區(qū)，大中型穿越管道才進行抗拉伸和抗壓縮校核，并會對堤防與邊坡進行抗震穩(wěn)定校核，本文僅針對管道抗震性能進行分析。

本文所述天然氣輸送工程埋地管道長度約1.2km，由分輸站依次穿越公路、河流、魚塘、河流、村莊、水塘后接入廠房。管道埋設規(guī)格為φ406.4mm×14.2mm的管道，采用大開挖、定向鉆管、開挖埋設混凝土套管等方式施工。地質資料顯示，擬建場地的地震動峰值加速度為0.10g，調整后其地震動峰值加速度為0.125g[7]，可不進行管道抗震校核。但是考慮到該項目第二段穿越跨距約90m的水域，由GB/T 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設計規(guī)范》可知，該項目屬于中型穿越工程，即需對該項目埋地天然氣管線進行抗震校核[8]。管線呈“L”形敷設，其中第一段長度30m，第二段長度90m。即需對第一段和第二段分別進行直管段校核，以及對兩段連接處的彎管段進行抗震校核。

1.2 一般埋地直管校核

輸氣管道應避開滑坡、崩塌、塌陷、泥石流、洪水嚴重侵蝕等地質災害地段，宜避開礦山采空區(qū)及全新世活動斷層；當受到條件限制必須通過上述區(qū)域時，應選擇危害程度較小的位置通過，并采取相應的防護措施[9]。項目擬建線路距斷裂帶最近距離大于2km，全線所在位置處于相對穩(wěn)定區(qū)域，滿足安全要求。場地20m深度范圍內未見飽和砂土或粉土分布，不存在砂土液化問題。

本文根據(jù)公式(1)和公式(2)分別進行一般埋地直管道的抗拉伸和抗壓縮能力校核，滿足該公式的要求即表明所設計的埋地直管符合項目所在地的抗震要求。

當εmax+ε≤0時|εmax+ε|≤[εc]v

(1)

當εmax+ε>0時εmax+ε≤[εt]v

(2)

式中，εmax為地震動引起的管道最大軸向應變，其值與地震動峰值加速度、地震動反應譜特征周期和場地土層的等效剪切波速度等地震動參數(shù)有關；[εc]v為埋地管道抗震設計軸向容許壓縮應變，與管道的徑厚比有關；[εt]v為埋地管道抗震設計軸向容許拉伸應變，其值根據(jù)所選用管材的抗拉伸強度極限按一定比例計算得出。ε為操作條件下載荷(內壓、溫差)引起的軸向應變，其與管道介質的壓力、溫度和管道材質等自身工作情況有關，ε可通過公式(3)和公式(4)計算得到，式中相關參數(shù)的數(shù)學及物理含義見參考文獻[6]。

(3)

σa=μσh+Eα(t1-t2)

(4)

1.3 一般埋地彎管校核

(5)

式中，εn和εm都是管道與土壤相互作用產(chǎn)生的摩擦力tu，及tu作用的有效長度L在管道單位面積上作用的結果。εn和εm的具體參數(shù)值可由公式(6) ～ (9)計算得到。

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，L為一個矢量，其值與直管校核中的εmax含義相關，當εmax為最大軸向拉伸應變時，L作用方向為正；當εmax為最大軸向壓縮應變時，L的作用方向為負。tu與土壤密度ρs、土壤埋深H、土壤摩擦角φ等參數(shù)相關，這些參數(shù)均與項目施工場地的具體地質情況相關。本項目施工場地土壤屬于軟弱土，密度小，若施工場地為中軟土或中硬土，則土壤密度會增大，相應的地質參數(shù)也會發(fā)生變化。當tu變大，根據(jù)公式可知，L相應減小，即埋地管段在土壤中可以伸縮的空間減小，從而導致管道受到來自土壤的阻力增大，此時，管道的抗拉伸和抗壓縮性相應減弱。除此之外，相關參數(shù)的數(shù)學及物理含義見參考文獻[6]，此處不再贅述。

相比較而言，埋地彎管的校核計算公式比直管復雜很多。此外，埋地直管校核過程中涉及的許多參數(shù)值可通過查閱標準得到經(jīng)驗值，而埋地彎管的參數(shù)多為依據(jù)項目特征和項目所在地質情況進行的實際測量值。因此，在做彎管校核的時候，需要對項目場地進行詳細的地質勘查。

1.4 理論軸向容許壓縮和拉伸應變

1.4.1 理論最小軸向容許壓縮應變值

1.4.2 理論最小軸向容許拉伸應變值

輸氣管道選用的鋼管應符合現(xiàn)行國家標準GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中的PSL2級、GB 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》、GB 6479—2013《高壓化肥設備用無縫鋼管》及GB/T 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》的有關規(guī)定[5]。因本項目為天然氣輸送，從安全、可靠和成本等方面綜合考慮，GB/T 9711中的PSL2鋼級材料符合天然氣輸送管道的選用原則且成本相對較低，因此，本文鋼材選用GB/T 9711的PSL2鋼級。根據(jù)GB/T 50470—2008中的計算方法，輸氣管道選用標準為GB/T 9711的PLS2鋼級碳鋼管時，管道抗拉強度極限均不低于415，即理論[εt]v≥4.15。

一般在工程項目的實踐過程中，為保證工程的安全性，管材和管道壁厚不會選取標準允許的最小值，會在此基礎上根據(jù)項目統(tǒng)一規(guī)定和設計人員經(jīng)驗加上一些余量，即項目在實踐過程中，容許拉伸應變和容許壓縮應變會比理論最小軸向容許拉伸應變值和理論最小軸向容許壓縮應變值略大。

2 實例分析

根據(jù)項目基礎資料實測數(shù)據(jù)顯示，本文所述長輸天然氣管道項目所在地地震動峰值加速度為0.125g，地震動反應譜特征周期為0.45s，場地土層等效剪切波速度取106.5m/s，回填土密度為1.77kg/m3，管道下溝回填溫度25℃，管道軸線至管溝上表面之間的埋深為10m。此外，項目的長輸管線設計內壓力為4.5MPa，管道工作溫度為40℃，管道外徑為406.4mm，管道公稱壁厚設定為14.2mm，滿足參考文獻[9]規(guī)定的管道穩(wěn)定性要求?；谝陨瞎r，埋地管道其余技術參數(shù)見表1。

表1 一般埋地管道技術參數(shù)

結合項目實例的數(shù)據(jù)，通過GB/T 50251—2008、GB/T 9711—2011選取管材L360N(PSL2級)，此時管材的容許拉伸應變?yōu)?.6MPa。管道壁厚經(jīng)GB/T 50251—2008的公式計算，取14.2mm。再根據(jù)GB/T 50470—2008中6.1的公式，在不同管徑的情況下，對一般埋地直管和彎管進行抗震校核。經(jīng)過分析后，得出的計算結果見表2。

表2 不同管徑一般埋地管道抗震校核結果

根據(jù)項目實例計算分析，在同一地區(qū)，溫度、壓力、管徑、管道強度和穩(wěn)定性均能滿足的情況下，埋地直管的抗拉伸性和抗壓縮性均能通過抗震校核。埋地彎管的抗拉伸性能通過抗震校核，而當埋地彎管在管徑過大的情況下，其抗壓縮性無法通過抗震校核。

此外，在抗震設計過程中，還可通過增加壁厚來提升一般埋地彎管的抗壓縮性能。不同壁厚的抗壓縮性能校核分析結果見表3。

表3 不同壁厚的一般埋地彎管抗壓縮性能校核結果

3 結語

綜合本文的數(shù)據(jù)分析可知，直管和彎管的抗拉伸性都很好，而彎管的抗壓縮性比直管差很多。因此，在天然氣輸送項目的一般埋地管道抗震設計中，需要更加注意彎管的抗壓縮性，可盡量避免采用彎管。如需用到彎管，需著重進行抗震校核，并采取相應的防護措施。為使彎管抗震性增強，所選壁厚在徑厚比滿足管道的穩(wěn)定性和強度的情況下，彎管壁厚盡量選擇較厚值，且可根據(jù)彎管抗震校核公式計算得到合適的壁厚。設計過程中遵照GB/T 50251—2015等相關規(guī)范的設計原則進行設計，在達到經(jīng)濟性的同時保證項目實施的安全。