城鎮燃氣系統地震災損分析及災后思考

摘 要

摘要：整理了歷年來多個典型地震對燃氣管網設施破壞的資料，分析了燃氣管網的地震災害特點和統計規律，回顧了地下管道抗震研究的現狀和成果，燃氣設施抗震的國家規范、法律法規的歷
摘要：整理了歷年來多個典型地震對燃氣管網設施破壞的資料，分析了燃氣管網的地震災害特點和統計規律，回顧了地下管道抗震研究的現狀和成果，燃氣設施抗震的國家規范、法律法規的歷程。介紹了日本東京燃氣企業應對地震的主要對策，提出我國抗震研究的發展方向。
關鍵詞：燃氣設施；地震災害；抗震；災損分析
Earthquake Disaster Analysis and Post-disaster Reflection for City Gas System
XIAO Jiu-ming，YING Yuan-nong，XI Dan
Abstract：The data for many typical earthquake damage cases to gas network facilities in past years are systemized. The statistical characteristics of earthquake damage to gas network are analyzed，and the current status and achievements of seismic research of underground pipelines and the evolvement of national laws and codes for seismic resistance of gas facilities are reviewed. The major earthquake countermeasures of Tokyo Gas Corporation are introduced，and the development direction of seismic research in China is pointed out.
Key words：gas facilities；earthquake disaster；seismic resistance；disaster analysis
    隨著西氣東輸、川氣東送、進口LNG工程的實施，我國進入了燃氣快速發展期，越來越多的城鎮使用上燃氣，燃氣管道及其附屬設施成了人們現代化生活的一部分，被稱為城市生命線工程。因此，部分區域和城鎮需認真考慮地震對城鎮燃氣系統的破壞，城鎮越現代化、人口越集中、燃氣系統越健全，地震時受到的破壞和損失就越嚴重，所以需要做好燃氣系統抗震。
1 地震的破壞形式
    地震是地球內部介質局部發生急劇的破裂，釋放出巨大能量，激發出地震波，在一定范圍內引起地面振動的自然現象，有構造地震、火山地震和陷落地震，其中構造地震次數最多，破壞力也最大。地震波主要分為體波和面波，體波可以在三維空間中向任意方向傳播，又可分為縱波和橫波。縱波振動方向與波的傳播方向一致，傳播速度較快；橫波振動方向與波的傳播方向垂直，傳播速度比縱波慢。受太平洋板塊、印度洋板塊和菲律賓板塊的擠壓作用，我國地震斷裂帶十分發育，地震活動的范圍廣、強度大、頻率高，而且絕大多數是淺源地震，許多人口稠密地區，如廣東、福建、四川、云南、山東中部和渤海灣等，都處于地震帶上，我國約有一半城市處于地震多發區或強震波及區。
地震對燃氣設施的破壞形式主要體現在地震波的行進和地表變形，前者包括對燃氣管道的壓縮、拉伸等變形，對土壤的應變，引起的土壤液化、管道內部流體沖擊壓力破壞等；后者包括斷層錯動、地表塌陷和變形，以及由其引起的建筑物和構筑物的破壞或倒塌，地面破壞(如地裂縫)，山體等自然物的破壞(如山崩)，水體的振蕩(如海嘯、湖震)等，從而嚴重損壞燃氣設施。燃氣設施一旦遭破壞導致燃氣泄漏，極易引起火災、中毒等次生災害。
2 歷史上地震對燃氣設施的巨大影響
地震對城市生命線工程造成極大破壞，逐步引起人們的關注。近年來，對發生在城鎮附近的強烈地震災害，大多進行了生命線工程系統尤其是地下管道的災損狀況調查。
    ① 1906年4月17日，美國舊金山發生7.9級地震。地震導致煙囪倒塌、火爐翻倒、電線拉斷和天然氣管道破裂并引發大火。很多消火栓只能流出幾滴水。許多在地震中幸存的人，卻在火場中喪生。
    ② 1923年9月1日，日本關東發生了8.3級大地震。在距震中逾90km的橫濱，大火燒了3天3夜；在距震中逾100km的東京，地震半小時后就有139處起火，地震毀壞的50×104所房屋中，有40×104所是被大火燒掉的，死亡的14×104人中有約12×104人是被大火燒死的。東京市長82km的給水鑄鐵管道有逾32×104個管道接口，震后破壞達26×104個，破壞率超過80%，其中滲漏約占71%[1]。
    ③ 1964年6月16日的日本新瀉地震，造成儲油罐破壞引起極大經濟損失。這次地震震級為7.5級，距震中約20km的新瀉煉油廠儲油罐被破壞，引起爆炸及火災等二次災害，當時動用了全日本90%的泡沫滅火劑也未能控制火勢。大火持續兩周，燒毀儲油罐84個，波及整個工廠，損失非常嚴重[2]。
    ④ 1971年美國圣費爾南多地震(6.6級)，造成供水系統管道破壞達856處，鑄鐵管平均破壞率達0.95處/km；天然氣管道(多為DN 50～100mm的焊接鋼管)有450處遭受破壞，破壞率為0.12處/km。
    ⑤ 1985年9月19日發生的墨西哥地震，造成墨西哥市供水管網、燃氣管網的大面積破壞。供水管網主干管道破壞逾800處，燃氣中壓管道破壞逾400處。由于燃氣干管斷裂引起燃氣爆炸，在墨西哥市區引起多處火災。由于供水管網的破壞，使救火受到影響。
    ⑥ 1989年10月17日美國Loma Prieta地震中，230kV和500kV的高壓變電站破壞嚴重，供水管網系統發生350處需要修復的嚴重破壞。城市燃氣系統出現漏氣逾100處，軟土地基上的油罐大量破壞。
    ⑦ 1994年1月17日美國Northridge地震中，出現橋梁的嚴重破壞，導致交通系統部分處于癱瘓狀態。一批高壓輸電塔因砂土液化而傾倒或損壞，110×104戶用戶失去供電。供水系統出現1400處需要修復的破壞，其中逾100處位于供水管網主干管上。燃氣系統出現高達15×104處漏氣，燃氣系統的破壞引發多起火災。
    ⑧ 1995年1月17日的日本阪神大地震，是近代發生在人口稠密的現代城市的直下型地震，也是近代地震中的生命線工程系統破壞調查最為詳盡的一次。這次地震造成5438人死亡，交通系統遭到大面積破壞。地震區6條鐵路線均遭到嚴重破壞，許多高架橋倒塌或部分倒塌。地下鐵路亦出現大量破壞，神戶港受到毀滅性打擊，堤岸有80%遭到破壞。主干燃氣管道破壞了5190處，其中中壓管道遭破壞109處。85.7×104戶用戶中斷供氣，修復工作持續了3個月。由于燃氣管道破裂、燃氣泄漏，引起熊熊大火，火場有逾200處，火燒數天，火災造成的損失比地震直接損失高3倍[1]。
    ⑨ 1999年9月21曰，我國臺灣南投縣集集鎮發生7.3級地震，鐵路、公路橋梁均遭受重大損害，地面破裂隆起，房屋與橋梁倒塌，給排水、天然氣、電力、通信、輸油等管線也受到嚴重破壞。
    ⑩ 2008年5月12日，我國汶川發生8.0級地震，地震破壞地區超過105km2，造成損失8451億元，遇難和失蹤者超過8.7×104人，損失中約有1/3是次生地質災害引起的損失。燃氣設施損失未見權威統計。有關資料顯示，a.中石油西南油氣田輸氣管理處：重災區內有的用戶管道或設備受損非常嚴重，信息無法溝通。輸氣干線壓力持續異常上升，爆管可能發生。無法利用SCADA系統對46座關鍵廠站實施監控，無法利用生產運行系統進行網絡調度。依靠唯一暢通的石油內線進行指揮，并委托外部通信暢通的作業區幫助信息溝通。b.都江堰燃氣公司：辦公(調度)大樓劇烈抖動，天花板、墻板大量剝落，所有人員都被摔倒在地，通信完全中斷，門站和次高壓管道沿線閥室建筑遭到不同程度損壞，未發現天然氣泄漏，因地震導致路面嚴重變形造成個別埋地管道損壞，部分埋地閥門存在內泄漏和無法啟閉[3～5]。
3 燃氣管道災損分析
3.1 阪神地震城市管網損壞分析
    ① 管道災損與地質地理特征的關系。地震時堤岸移動，背后土壤下沉，管道在此處被拉。
    ② 管道災損與管道材料的關系。鋼管沒有遭到破壞。
    ③ 管道災損與管徑的關系。DN 500mm以下管道的災損率為2.2處/km，DN 1000～1500mm管道的災損率為0.4處/km。即大管徑管道破壞的數量少，小管徑管道破壞的數量多。
    ④ 管道災損與接口的關系。承插式接口、機械式接口容許變形量較小，承受不了地震波所造成的管道變形，因供水管中90%以上用的是鑄鐵管，實際災損比預測的嚴重，管子自身破壞的很少，接頭損壞的卻很多，損壞率為0.05～6.27個/km。燃氣管道的破壞主要是低壓管道螺栓式硬接頭部分，因硬接頭周圍的土層沿接頭軸向變形，接頭遭到破壞，造成用戶停氣和多處火災。
    ⑤ 管道災損與地面最大加速度的關系。管道災損率和地面最大加速度的增大成正比。1964年新瀉地震，新瀉市土壤液化面積很大；1983年日本中部海地震，能代市土壤液化也很嚴重，所以這2個城市的管道災損率很高。
    ⑥ 阪神災損表明，埋地管道的受損率低于架空管道，例如地下電纜、電線的受損率僅為架空時的1/6倍，每1km地下天然氣中壓管道僅有0.92處斷裂[6]。
3.2 我國臺灣9.21集集地震災損分析
    垂直斷層走向的管道災損率均大于平行斷層的管道災損率，其比例為1.1～2.0倍，與日本1995年阪神地震的天然氣管道災損分析結果相當接近。在災損點方面，支管(DN 65mm以下)的災損點數量約為干管(DN 65mm及以上)災損點數量的4倍[7]。
3.3 其他災損分析
    一般，地下管道的破壞率基本上隨著地震烈度(地震加速度幅度)的增高而增大；但場地的影響也非常明顯。1976年唐山地震災損調查和國外其他災損資料表明，一般情況下地下管道平均破壞率在堅硬場地較小，在柔軟場地最重[1]。不均勻場地中的管道，其災損率明顯高于均勻場地。
    當公稱管徑為75～500mm時，加大管徑可以提高管道的抗震可靠度：當公稱管徑大于500mm時，管徑的增加不會提高管道的抗震能力。柔性接口的災損率明顯低于剛性接口；斷層對通過其埋設管道的影響巨大；管道與附屬設備或建筑物的連接部位因兩者動力特性不同，出現大量破壞。
    震中區及8～9級地震時地震波垂直災損明顯。1923年關東地震，地下混凝土管道埋深影響明顯，統計表明埋深小于2.4m時事故隨埋深而增加，埋深大于2.4m時事故明顯減少[1、6、7]。神戶地震和汶川地震資料顯示，PE管災損較少[4、6]。燃氣、供水、電力、通信等城市生命線工程在災損中相互關聯和影響，放大災損程度[1]。
4 地下管道抗震研究成果和現狀
    地震對地下管道的巨大破壞，促使人們不斷深入研究管道抗震機理，研究范圍不斷擴大，從單一管道到管網，從單一性質管網到區域復雜管網，從單一管道抗震到系統功能可靠性。理論模型和研究工具不斷更新，利用專門軟件，結合GIS進行分析、預測和仿真模擬等。
   對單一地下管道抗震的研究主要是地震反應分析和穩定性研究，前者主要分析彈性均勻土介質中的管道、不均勻土介質中的管道、穿越土壤液化區和通過斷層的管道等，后者分為梁型失穩、殼型失穩和三通接頭失穩等。梁型失穩與管道的初始整體缺陷有很大關系，殼型失穩與管道的管徑、徑厚比、管內介質的質量、管壁本身材料性質、管道的埋深、開挖溝底的平整性、管道的局部缺陷等因素有很大關系。
    1967年，Newmark忽略了慣性力影響，假定管道與土一起運動來研究地下管道地震反應。隨后日本學者提出了管道與土相互作用模型，即所謂的反應位移法[2]。
   Wallg于1981年提出了擬靜態分析方法，發現地震波輸入相位差和場地不均勻是影響地下管道的兩個最主要的因素[2]。
   Takada于1990年采用殼模型和有限元方法對具有分支的小管徑燃氣管道進行了分析，發現分支處有較高的應力集中現象[2]。
   Datta等人分別于1982年、1983年、1984年、1985年采用圓柱殼模型對半無限空間和無限空間中管道進行了系統分析，發現鋪設管道的回填土對管道應力有重大影響，入射波的波長和土介質的剛度對管道也有很大影響[2]。
    Hindy和Novik于1979年首次引入了土與管道動力相互作用的概念，得出了管道軸向應力遠大于彎曲應力；土與管道動力相互作用可降低管道的應力，尤其是軸向應力；柔性接頭可大大降低管道的應力，尤其是在軟土中，但該理論只適用于深埋管道[2]。
    葉耀先等人于1982年通過直管和彎管在不同管溝回填方式下的爆炸振動試驗，探討了管土間共同變形問題，提出了管道地震應力計算模型[2]。
    梁建文等人分別于1993年、1994年求解了半無限空間中通過不均勻介質管道的反應，發現不均勻介質中管道應力可達到均勻介質中管道應力的2倍以上，而當波從硬土到軟土時，管道應力最大[2]。
    梁建文于1995年采用地震波理論對穿越非發震斷層的管道進行了地震反應分析，發現非發震斷層雖然對分別建筑在斷層兩側的建筑物影響不會太大，但對穿越斷層的管道影響卻很大，可使管道的應力放大數倍[2]。
    梁建文等人于1991年、1992年、1994年對管道三通接頭的強度和穩定性進行了擬靜力分析，發現三通采用直埋敷設方式對抗震有利。三通在地震荷載作用下，既可能出現強度破壞，又可能出現失穩破壞。而且由于土介質的影響，三通既可能出現局部失穩，又可能出現整體失穩。三通是管道破壞的薄弱環節[2]。
    由許多單一管道、設備通過功能性連接組成的城市生命線工程抗震是近年發展的新興研究課題，1974年美國土木工程協會(ASCE)成立生命線地震工程技術委員會，1984年召開第一次世界生命線地震工程學術會議。2001年美國生命線工程聯合會(ALA)發表了《石油、燃氣管道系統抗震設計條例》。1994年我國出版第一本生命線工程抗震的著作(作者：趙成剛、馮啟民)，通過研究區域內的復雜生命線工程的相互關系，提高其網絡連通可靠性和系統功能可靠性，控制危害放大[1]。我國生命線工程抗震研究在給水、電力的地震災害預測、災害評估、政府應急組織等方面也進行了有益探討。
5 抗震的啟示和對策
    人類在災害中學習，在災害中成長。1976年唐山大地震后，我國加強了對地下管道抗震的研究。從災損調查、理論分析、實驗研究和工程應用等方面做了大量工作，吸納當時最新研究成果，逐步形成抗震規范。與燃氣管道相關的規范及其修訂過程：1978年，實施了《室外給水排水和煤氣熱力工程抗震設計規范》TJ 32—78，《工業與民用建筑抗震設計規范》TJ 11—78；1982年，實施了《室外煤氣熱力工程設施抗震鑒定標準》GBJ 44—82；1989年，實施了《建筑抗震設計規范》GBJ 11—89；2001年，實施了《建筑抗震設計規范》GB 50011—200l，2008年又進行了局部修訂；2003年，實施了《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》GB 50032—2003；2007年，實施了《城市抗震防災規劃標準》GB 50413—2007；2008年，實施了《油氣輸送管道線路工程抗震技術規范》GB 50470—2008，修訂了《建筑工程抗震設防分類標準》GB 50223—2008；2009年，實施了《建筑抗震鑒定標準》GB 50023—2009。
    《城市抗震防災規劃標準》GB 50413—2007從城市整體規劃對抗震、防止燃氣中毒、著火等二次傷害角度進行了規定。《建筑工程抗震設防分類標準》GB 50223—2008中規定20×104人以上的城鎮的燃氣設施及其建筑應提高一級為重點設防類。《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》GB 50032—2003中強制條文規定，設防烈度為6度及以上的須進行抗震設計，對燃氣(包括管道、儲氣柜、站房等)抗震規劃、場地選擇、地震作用、抗震驗算進行了規定。隨著城鎮規模的擴大、跨省管道的建設，跨區域、大管徑和高壓燃氣管道越來越多，《油氣輸送管道線路工程抗震技術規范》GB 50470—2008規定了此類工程的抗震設計，其中包括地震安全性評價、地質勘察、一般埋地管道抗震設計、通過斷層的管道抗震設計、土壤液化區的管道抗震設計、震陷區的管道抗震設計、穿越鉆越的管道抗震設計、河流跨越的管道抗震設計等，對材料、施工、記錄等進行了規定。
    國家在法律法規方面也加強了抗震管理，1995年出臺《破壞性地震應急條例》，1998年出臺了《中華人民共和國防震減災法》、《地震預報管理條例》，2002年出臺《地震安全性評價管理條例》，2004年出臺《地震監測管理條例》。許多城鎮制定了抗震防災規劃、地震應急預案，并進行演練。
    燃氣設計、施工、經營企業以及工程(或抗震專用)材料、設備等供應企業，應在設計、施工、驗收等環節嚴格執行國家法律法規、標準規范的要求，規范內的許多技術措施、材料選擇是震災調查、研究成果的體現，認真執行規范可有效提高抗震效果。經營企業應認真做好應急預案，定期演練；并配備足夠、具備先進水平的管道搶修裝備和器具，定期更新竣工資料，提高震災緊急處理和恢復供氣能力。
    日本燃氣公司在應對地震方面積累了豐富經驗，尤其是東京燃氣公司的以下3點對策可供地震高發區的燃氣公司參考[8]。
    ① 注重兩方面的工作：一是為防止災害擴大或因燃氣管道受損引起次生災害，在災害發生之前或發生早期，切斷受影響區域的燃氣輸送；另一方面，盡快恢復因災害破壞的燃氣設施，減少損失，關閉需要搶修的管道，對沒有破壞的區域和用戶維持供氣。
    ② 東京燃氣公司開發了在地震發生時能高精度推測燃氣管道破壞情況的警報系統SIGNAS(Seismic Information Gathering and Network Alert System)。SIGNAS由地震監測系統、震源推斷系統和破壞情況推斷系統3個部分構成。在地震監測系統中，感應器能夠在地震發生約3min內自動獲得燃氣供應區域內地震強弱的分布。在震源推斷系統中，根據地震儀所獲得的波形數據，可以推斷出地震的震級和震源位置，早期把握地震概況。破壞情況推斷系統則包括燃氣供應區域的劃分、地質條件分類、管道情況和用戶情況等的數據庫系統和地質破壞預測系統兩部分。當地震發生時，實時的地震監測信息輸入到該系統中，專用計算機可迅速推斷燃氣管道及建筑物的破壞狀況，并進行統計分析。所有的信息收集與分析可在地震發生后10min內完成，為燃氣公司的決策、管理提供依據。
    ③ 安裝地震動感知器。在每個用戶端安裝內含地震動感知器的智能燃氣表，當地震動超過設定報警值時自動關閉燃氣閥。在各小區燃氣管道調節閥附近安裝地震動感知器，當地震動超過設定報警值時切斷燃氣供應。在高、中壓燃氣管網和供應源布設地震動感知器，通過快速評估進行綜合決策，并由控制中心遠程控制切斷閥的關閉。
6 幾點思考
    (1) 從以上災損調查、研究分析中可看出，影響地下管道災損的因素包括地震烈度、場地條件、管材、管徑、管道接口、施工水平和腐蝕等。但以上統計限于燃氣災損調查資料缺乏，定量數據更缺乏，這些應逐步納入災損調查資料。
    (2) 從研究分析中可看出抗震的效果與施工質量相關，如管溝寬度、基礎處理、回填土密實度、埋深等。平時施工中常見的地基夯實不足、回填夯實不足將大大增加地震時的管道損害，材料缺陷或管道施工中損傷缺陷也可能在地震中暴露出來。
    (3) 現在城鎮燃氣設施包含的范圍大大增加，除以前的城區中低壓管網、低壓儲氣罐、調壓柜(箱)、用戶室內管道外，還有：城鎮外圍的高壓管道、門站、高-高(高-中)壓調壓站、高壓球罐、LNG衛星站、CNG母(子)站等，現有抗震規范未涉及其抗震要求。
    (4) 現有城鎮燃氣系統趨向復雜化、巨型化，對其災損的控制和預測、預警等難度增加，建議發展分布式燃氣供應系統或分區域調度監控系統。
    (5) 城鎮外圍的高壓干線，其地震分析時應考慮到內壓對自身振動率、地震響應的影響。
    (6) 現大量使用PE管及其管件、閥門，雖然經受了最近的幾次地震考驗，但現有抗震規范中并未涉及，其管材材質、熱熔接口、電熔接口、彎頭、閥門等的抗震驗算、地震反應分析尚為空白。需要做地震破壞模擬實驗，得到不同幾何參數接口的允許軸向拉伸變形量等。
    (7) 需注意到，PE管優良的延展性是建立在時間函數的基礎上的，隨著時間延長其延展性會下降，并且PE管對施工過程中的劃傷敏感，有損傷的PE管可能在地震時易被破壞。
    (8) 作為重要功能節點，門站、調壓站、LNG衛星站的架空管道、設備的抗震設計尤為重要，但現只可參考冶金、化工行業的要求或國外相關規范來設計。依附建筑的戶外立管、高層室內燃氣管，其地震響應與建筑物不同，如何有效地進行抗震設計，相關資料也較少。
    (9) 腐蝕影響著鋼管的剛度、強度，鋼管的陰極保護有利于抗震，應嚴格定期檢查評估陰極保護系統。
    (10) 在港華燃氣集團公司，現推廣使用的直埋閥(僅留有手井)，取代原有的閥門井，防止了地震時井壁對穿井壁管道的損害，采用焊接直埋閥將提高抗震質量；港華燃氣集團公司內部加快更換鑄鐵管，推廣PE管，強化鋼管陰極保護的舉措將使管網增強抗震能力。
   (11) 汶川大地震建筑災損分析表明，許多房屋未執行或未全部執行現行抗震規范、施工質量控制不嚴，導致嚴重的財產損失和人員傷害，這提示我們在震區的燃氣設計施工中須嚴格執行現行抗震規范，嚴格施工質量監控。
   汶川大地震后，建筑、道路等專業方面的災損調查文獻較多，有的還進一步分析和反思了現行抗震規范的不足，但尚無燃氣專項災損調查資料、災害恢復的經驗總結、損失統計等，更無對抗震規范的反思，值得我們進一步探討。
參考文獻：
[1] 李杰.生命線工程抗震基礎理論與應用[M].北京：科學出版社，2005.
[2] 欒駿.烏魯木齊市天然氣管線地震影響分析(碩士學位論文)[D].烏魯木齊：新疆農業大學，2006.
[3] 郝安佳，宋克農，羅賢成.城市燃氣系統抗震應急措施及災后啟示[EB/OL].http：∥thesis.gasshow.com/News/SimpleNews.aspx？newsid=178572，2008-6-13.
[4] 何焱，錢浩.汶川大地震后天然氣調度應急思考[EB/OL].http：∥thesis.gasshow.com/News/SimpleNews.aspx？newsid=179689.2008-10-31.
[5] 戴質，謝飛，黃建儒.“5·12”汶川大地震天然氣應急處置、災后搶險恢復供氣及我們的思考[EB/OL].http：∥thesis.gasshow.com/News/SimpleNews.aspx？newsid=179793.2009-6-24.
[6] 中國建筑設計研究院，亞太建設科技信息研究院.日本地震災害與災后重建經驗[EB/OL].http：∥www.build.corn.cn/earthquake/uploads/20092315522045751.pdf.2009-6-24.
[7] 林巧藝.廈門市燃氣管道設計與施工中的抗震措施[J].廈門科技，2002，(4)：48-49.
[8] 詹淑慧，趙懋林.科學對策提高燃氣系統抗震防災能力[J].城市燃氣，2009，(1)：14-17.
 
(本文作者：肖久明 應援農 席丹 港華投資有限公司 廣東深圳 518026)