穿越活動(dòng)斷層地段的現(xiàn)役輸油氣管道抗震韌性評(píng)價(jià)

王龍 劉愛文 賈曉輝 李祥秀 王曉輝

摘要：在總結(jié)不同時(shí)期輸油氣管道抗震規(guī)范特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)役輸油氣管道抗震韌性評(píng)價(jià)影響因素，確定抗震設(shè)計(jì)、鋼管腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害防治、應(yīng)急處置4項(xiàng)抗震韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用改進(jìn)的KENT危險(xiǎn)指數(shù)分析法，提出適用于現(xiàn)役輸油氣管道穿越活動(dòng)斷層地段的抗震韌性評(píng)價(jià)流程和方法，并應(yīng)用于典型案例分析。初步驗(yàn)證了所提方法的科學(xué)合理性，為輸油管道的地震風(fēng)險(xiǎn)治理提供參考。

關(guān)鍵詞：輸油氣管道;活動(dòng)斷層;鋼管腐蝕;抗震韌性;KENT危險(xiǎn)指數(shù)分析法;抗震設(shè)計(jì)規(guī)范

0 引言

抗震韌性是指工程、建筑等在遭受破壞性地震之后能夠維持住一定功能、避免造成次生災(zāi)害，并在盡可能短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)社會(huì)服務(wù)的能力（翟長海，2018;楊靜等，2019）。2003年，美國地震工程研究學(xué)會(huì)（EERI）發(fā)布《確保社會(huì)抵御地震損失——地震工程研究和推廣計(jì)劃》報(bào)告，首次提出了抗震韌性概念（寧曉晴，2018）。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)的不斷提高，抗震韌性理念越來越多地得到地震工程界的廣泛重視。近年來，國際防災(zāi)理念有了進(jìn)一步發(fā)展，提高城市和社會(huì)的韌性能力已經(jīng)成為防震減災(zāi)研究的前沿領(lǐng)域（Bruneau et al，2003）。

作為關(guān)系國計(jì)民生的重要生命線工程，輸油氣管道的抗震韌性也受到了廣泛關(guān)注。輸油氣管道是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，例如長輸天然氣管道系統(tǒng)通常由集輸管網(wǎng)、燃?xì)鈨艋O(shè)備、輸氣干線、壓氣站、分輸閥室、分輸站（調(diào)壓計(jì)量站）、管理維修站、通訊與遙控設(shè)備、陰極保護(hù)站（或其他電保護(hù)裝置）以及管路附件等組成。輸油氣管道的抗震韌性是指在遭受破壞性地震之后能夠保持基本完好，或者發(fā)生一定的變形但是不發(fā)生泄漏，避免造成次生災(zāi)害，并在盡可能短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)輸能力。震害經(jīng)驗(yàn)表明地震活動(dòng)斷層的位錯(cuò)作用是造成管道破壞的主要原因。我國活動(dòng)斷裂發(fā)育，強(qiáng)震頻發(fā)，輸油氣管道經(jīng)常穿越地震活躍地區(qū)，一旦發(fā)生地震，會(huì)造成嚴(yán)重的災(zāi)害損失，例如我國西氣東輸工程，管線全長4 000 km，跨越9個(gè)?。ㄊ?、自治區(qū)），東西向橫跨多個(gè)地震活動(dòng)地區(qū)，通過100多個(gè)斷層，存在著被地震破壞的高風(fēng)險(xiǎn)隱患。

輸油氣管道作為線性工程，其抗震韌性評(píng)價(jià)主要是要評(píng)估管道工程對(duì)可能要發(fā)生的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)能力和措施。通過抗震韌性評(píng)價(jià)，可以識(shí)別地震風(fēng)險(xiǎn)，消除解決安全隱患，提升管道抗震韌性水平。當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時(shí)，管道工程可以通過保護(hù)或者快速恢復(fù)重要的基本結(jié)構(gòu)和功能等方法，及時(shí)有效地抗御災(zāi)害影響和保持災(zāi)后快速恢復(fù)能力。國內(nèi)關(guān)于城市抗震韌性的研究較少，主要集中于單體結(jié)構(gòu)可恢復(fù)性新體系的研發(fā)上，對(duì)于工程結(jié)構(gòu)、生命線系統(tǒng)以及城市等的抗震韌性的研究較少，對(duì)于輸油氣管道抗震韌性研究更是處于起步階段，并且大多處于概念階段，很少進(jìn)行量化研究。目前輸油氣管道的抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)從彈性設(shè)計(jì)發(fā)展到了應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)，其抗震規(guī)范至今也已經(jīng)發(fā)布了5個(gè)版本，從早期的石油行業(yè)規(guī)范上升為國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。由于不同服役年齡管道遵循的抗震規(guī)范要求不盡相同，加之鋼管腐蝕以及環(huán)境變化等因素影響，現(xiàn)役輸油氣管道的抗震韌性差異較大。本文通過總結(jié)輸油氣管道震害經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，辨識(shí)不同服役年齡的輸油氣管道的抗震韌性特征，探討抗震設(shè)計(jì)、鋼管腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害防治、應(yīng)急處置等因素對(duì)管道抗震韌性的影響，提出現(xiàn)役輸油氣管道工程的抗震韌性指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法。

1 我國輸油氣管道抗震設(shè)計(jì)規(guī)范

人們對(duì)埋地管道的地震安全問題的重視始于1971年美國圣費(fèi)爾南多地震。國內(nèi)外管道的震害調(diào)查結(jié)果表明：地震對(duì)管道的影響從輕到重依 次是地震動(dòng)、砂土液化和活動(dòng)斷層，其中地震斷層的位錯(cuò)作用造成的輸氣管道破壞最為嚴(yán)重（侯忠良，1990）。筆者匯總了國內(nèi)外地震對(duì)輸油氣管道的破壞實(shí)例，見表1，從表中可以看出地震斷層的地表位錯(cuò)是造成輸油氣管道破壞的主要因素。

目前，國內(nèi)外輸油氣管道抗震設(shè)計(jì)從初期的彈性設(shè)計(jì)、應(yīng)力設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展到了應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)。1991年至今，我國輸油氣管道抗震設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)頒布了5個(gè)版本，見表2。最早的行業(yè)規(guī)范（1991版、1997版）就已經(jīng)采用變形控制理論，以充分利用鋼材的延性。初期抗震設(shè)計(jì)規(guī)范使用地震烈度，將管道分為重要區(qū)段和一般區(qū)段，并采取不同的抗震設(shè)防水準(zhǔn);2004版行業(yè)規(guī)范采用地震動(dòng)參數(shù)代替地震烈度，對(duì)位于設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度≥0.2 g地區(qū)的管道，規(guī)定必須進(jìn)行抗拉伸和抗壓縮校核;2008版管道抗震規(guī)范由行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提升為國家標(biāo)準(zhǔn)，增加了抗震施工和抗震驗(yàn)收2個(gè)章節(jié);2017版抗震規(guī)范細(xì)化了管道與活動(dòng)斷層并行敷設(shè)間距的具體要求，補(bǔ)充、完善了管道抗震校核的規(guī)定，修訂了斷層位移作用下的管道容許應(yīng)變的確定方法。

穿越活動(dòng)斷層的管道抗震校核標(biāo)準(zhǔn)是在設(shè)防的斷層位錯(cuò)作用下管道變形反應(yīng)小于管道的允許拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變。1991—2007年建設(shè)的輸油氣管道工程遵循石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1991，1997和2004版行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于走滑斷層可以采用Newmark理論方法計(jì)算管道的最大軸向應(yīng)變，與管道的容許應(yīng)變進(jìn)行抗震校核。Newmark理論方法簡單、方便，但忽略了管道抗彎剛度引起的應(yīng)變，因此在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施階段，采用Newmark方法分析得到的管道應(yīng)變偏小，校核結(jié)果偏于不安全，高估了管道抗震能力，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)隱患，2008和2017版的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)Newmark理論解的方法進(jìn)行修正（劉愛文，2002）。如圖1所示，一條鋼材為X60管道（Φ529×6）以30°交角穿越走滑斷層，如果按照早期的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該管道可以抵抗1.7 m的斷層錯(cuò)動(dòng)量，但按照現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)，該管道只可以抵御0.8 m的斷層錯(cuò)動(dòng)量。由此可見，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施期間，存在一部分高估了抗震能力的管道，考慮到較長時(shí)間腐蝕的影響，存在地震風(fēng)險(xiǎn)隱患較大的問題。

2 抗震韌性評(píng)價(jià)影響指標(biāo)

我國陸上輸油氣管線節(jié)點(diǎn)多、線路長，管道鋪設(shè)所經(jīng)過地區(qū)地理自然條件復(fù)雜，提高輸油氣管道的抗震韌性十分必要。影響輸油氣管道抗震韌性的主要因素是管道的材料、管徑的大小和管道壁厚?，F(xiàn)有技術(shù)的限制及經(jīng)濟(jì)因素的影響，客觀上制約了管道的抗震水平，尤其是對(duì)于通過地震活動(dòng)斷層的輸油氣管道，其斷層位錯(cuò)量往往超過管道抗震極限應(yīng)變。例如，汶川地震的發(fā)震斷層——龍門山斷裂，最大豎直位錯(cuò)量達(dá)到近10 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出蘭成渝成品油管道的抗震極限應(yīng)變，因此不得不采取避讓措施。

科學(xué)合理的抗震設(shè)計(jì)直接影響管道的抗震設(shè)防水平，是降低地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)最直接有效的途徑。因此，影響管道抗震韌性的首要影響因素是抗震設(shè)計(jì)，具體包括抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定、壁厚的選擇、埋深、與斷層的交角等。在管道工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)階段就已經(jīng)基本決定了管道初始的抗震能力。但是對(duì)于現(xiàn)役管道，隨著其運(yùn)行時(shí)間不斷增加，除設(shè)計(jì)施工階段確定的初始抗震能力外，其它破壞性因素會(huì)對(duì)管道抗震能力產(chǎn)生越來越大的影響，包括管道腐蝕導(dǎo)致管材性能下降、地質(zhì)災(zāi)害、第三方破壞、操作失誤、地震應(yīng)急處置不得當(dāng)?shù)?。本文將從抗震設(shè)計(jì)、管道腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害防治和應(yīng)急處置4個(gè)方面來評(píng)價(jià)抗震韌性，在缺少相應(yīng)的可靠數(shù)據(jù)前提下，暫不考慮第三方破壞和操作失誤因素對(duì)抗震韌性評(píng)價(jià)的影響。

2.1 抗震設(shè)計(jì)

輸油氣管道作為重要的生命線工程，需要嚴(yán)格按照建造時(shí)期對(duì)應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)和施工。不同時(shí)期建造的現(xiàn)役管道，采取的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不同，抗震設(shè)計(jì)水平也有差異。對(duì)于同一條管道，通過不同區(qū)段時(shí)的設(shè)防要求也不同，對(duì)于重要區(qū)段按照罕遇地震進(jìn)行抗震設(shè)防，一般區(qū)段則按照地震安全性評(píng)價(jià)結(jié)果確定的抗震設(shè)防要求進(jìn)行設(shè)防。依據(jù)輸油氣管道相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，抗震設(shè)計(jì)指標(biāo)包括抗震設(shè)防要求、抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算結(jié)果、抗震措施、抗震施工、鋼管材料5項(xiàng)子評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)其重要性設(shè)置分值權(quán)重各占20%，各項(xiàng)滿分均為20分，總分100分，見表3。

2.2 管道腐蝕

輸油氣管道一般是鋼質(zhì)材料，鋼管腐蝕是導(dǎo)致輸油氣管道抗震能力下降的主要因素之一（帥健，許葵，2003）。導(dǎo)致管道腐蝕的因素包括介質(zhì)腐蝕、管內(nèi)保護(hù)層及其它措施、陰極保護(hù)、管道外涂層、土壤腐蝕性、使用年限、其它金屬埋設(shè)物、電流干擾、應(yīng)力腐蝕等。

在不同土壤環(huán)境下，鋼質(zhì)管道退化本構(gòu)關(guān)系也具有差異性（劉威，2007）?？紤]酸性土壤環(huán)境，以某跨斷層長輸氣主干管線為例，其相關(guān)管道參數(shù)為：X60鋼管（Φ400×16），管道埋深為2.5 m;斷層運(yùn)動(dòng)形式為正斷層，管線與斷層的夾角β=70°，斷層滑動(dòng)量Δ=1 m。采用鋼管的線性腐蝕模型，管徑和管壁的參數(shù)隨服役年限變化。通過殼有限元模型得到不同服役年限鋼管在該斷層位錯(cuò)作用下的最大應(yīng)變，如圖2所示，在服役年限超過40年后，鋼管的變形已進(jìn)入塑性變形階段，管體將嚴(yán)重變形處于不安全狀態(tài)。

管道腐蝕指標(biāo)包括介質(zhì)腐蝕性、內(nèi)防腐措施、陰保設(shè)計(jì)、防腐層材料、防腐層質(zhì)量、土壤腐蝕性、管道使用年限、缺陷修補(bǔ)等10項(xiàng)子評(píng)價(jià)指標(biāo)，各項(xiàng)滿分均為10分，總分100分，見表4。

2.3 地質(zhì)災(zāi)害防治

地震活躍地區(qū)一般也是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)地區(qū)。發(fā)震斷層的周圍屬于極震區(qū)，近場(chǎng)強(qiáng)震動(dòng)容易導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害。例如，在汶川地震中蘭成渝管道雖然避開了斷層錯(cuò)動(dòng)的威脅，但是山體崩塌的巨石砸損了隨管道敷設(shè)的光纜。地質(zhì)災(zāi)害防治主要包括對(duì)滑坡崩塌、場(chǎng)地液化等地質(zhì)災(zāi)害的防治。地質(zhì)災(zāi)害防治指標(biāo)分為地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)預(yù)案、危險(xiǎn)性評(píng)估、治理方案、治理施工、驗(yàn)收審批等5項(xiàng)子評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)分權(quán)重各占20%，各項(xiàng)滿分均為20分，總分100分，見表5。

2.4 地震應(yīng)急處置

當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生后，應(yīng)急處置得當(dāng)可以有效減輕災(zāi)害損失。在災(zāi)害發(fā)生前也可采取有效的處置措施避免或降低災(zāi)害損失，包括在斷層兩側(cè)設(shè)置截?cái)嚅y、布設(shè)地震監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)等。根據(jù)《防震減災(zāi)法》《破壞性地震應(yīng)急條例》等，地震應(yīng)急處置指標(biāo)包括斷層兩側(cè)布設(shè)截?cái)嚅y、布設(shè)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)急處置預(yù)案、應(yīng)急裝備、應(yīng)急人員培訓(xùn)及演練、應(yīng)急值守6項(xiàng)子評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)重要性設(shè)置各自權(quán)重，總分100分，見表6。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)比分析我國不同版本的輸油氣管道抗震規(guī)范發(fā)現(xiàn)，遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的管道工程可能高估了管道的抗震能力。數(shù)值分析結(jié)果表明較長時(shí)間的腐蝕會(huì)使得管道抵御斷層位錯(cuò)能力進(jìn)一步降低。對(duì)于現(xiàn)役輸油氣管道，本文通過建立抗震設(shè)計(jì)、鋼管腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害防治、應(yīng)急處置4項(xiàng)抗震韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用KENT危險(xiǎn)指數(shù)分析法，提出現(xiàn)役輸油氣管道穿越活動(dòng)斷層地段的抗震韌性評(píng)價(jià)流程和方法，為輸油氣管道的地震風(fēng)險(xiǎn)治理提供參考。

目前，本文工作尚局限于研究通過活動(dòng)斷層的部分管段的抗震韌性評(píng)價(jià)，后續(xù)需要與整條輸油氣管道的地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，提出綜合的評(píng)價(jià)方法，同時(shí)擬在以下方面進(jìn)行優(yōu)化：一是強(qiáng)化評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀性，盡量減少評(píng)價(jià)人員主觀因素，并進(jìn)一步量化評(píng)價(jià)指標(biāo);二是考慮管道修復(fù)經(jīng)濟(jì)因素及修復(fù)難易程度;三是增強(qiáng)評(píng)價(jià)方法的實(shí)用性和可操作性。

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