中山市天然氣高壓輸配系統的抗震設計

摘 要

摘要：根據地震引起的燃氣管道事故分析，結合中山市地質條件與國內外燃氣管道抗震的先進辦法，論述了抗震設計在廠站選址、廠站建筑、管道路由、管道材料及SCADA系統等方面的應用，
摘要：根據地震引起的燃氣管道事故分析，結合中山市地質條件與國內外燃氣管道抗震的先進辦法，論述了抗震設計在廠站選址、廠站建筑、管道路由、管道材料及SCADA系統等方面的應用，對液化土層區域的天然氣管道進行了抗震校核計算分析。
關鍵詞：城鎮燃氣管道；抗震；液化土層
Seismic Design of High Pressure Natural Gas Transmission and Distribution System in Zhongshan City
WANG Yinping，WANG Pu
Abstract：According to the analysis of gas pipeline accidents caused by earthquake，combined with the geological conditions in Zhongshan City and the advanced gas pipeline anti-seismic measures at home and abroad，the applications of seismic design to selection of station location，station buihtings，pipeline route，pipe material，SCADA system and so on are discussed.The earthquake-resistance of natural gas pipeline in liquefied soil zone is checked，calculated and analyzed.
Key words：city gas pipeline；earthquake-resistance；liquefied soil
    2008年5月12日發生了汶川大地震，此次地震對汶川及其周邊地區的燃氣輸配系統均造成了不同程度的破壞，其震害經驗表明，城市燃氣管網在地震中極易損壞，泄漏引發的火災成為最嚴重的次生災害之一[1]。城市燃氣工程在城市基礎設施中有著極其重要的地位，關系到地震時對城市居民生命財產造成危害的大小和災后重建的難易。重視城市燃氣輸配系統的抗震設計，嚴格按照現行有關抗震設計規范進行抗震設計計算與分析[2]、校核、施工、使用和建立SUPREME地震實時監控系統[3]的燃氣工程，在遭遇比當地設防烈度高1度的地震作用下，可以達到在預估的罕遇地震下保障燃氣輸配系統安全運行的抗震設防目標，將地震的損失降到最低限度。
1 中山市的地質及地震
    中山市地處珠江三角洲沉積區，大部分為第四紀覆蓋，基底巖石斷裂多隱伏。據資料分析，該區為潛在震源區。根據國家質量技術監督局2001年發布的GB 18306—2001《中國地震動參數區劃圖》，沿線抗震設防烈度為Ⅶ度，設計地震動峰值加速度為0.19，地震動反應譜特征周期為0.45s。
2 地震引起的管道事故分析
    根據地質報告及地震劃分圖，中山市的天然氣高壓管道經過地區抗震設防烈度均為Ⅶ度。地震對輸配系統破壞造成的事故主要有：建筑物砸壞設備、管道，砸傷工作人員；造成電力、通信系統中斷、毀壞；對管道遭受腐蝕或焊接質量較差的薄弱部分產生破壞作用；管道錯位、拉斷、撞擊、摩擦著火；閥門、法蘭、墊片破損，天然氣泄漏；地震產生的電磁場變化，干擾控制器及儀表正常工作，進而引發事故。
3 抗震設計在天然氣輸配系統中的應用
    根據中山市地質條件及地震對輸配系統破壞造成的事故類型，結合國內外燃氣管道抗震減震的先進辦法，相應的抗震設計在中山市天然氣輸配系統廠站選址、管道路由、管道材料、管道壁厚及監控系統等方面得到了廣泛應用，以期達到在預估的罕遇地震下天然氣輸配系統安全運行的抗震設防目標。其抗震設計是按照以下技術路線進行的：收集基礎資料及現狀描述，數據化及潛在的風險分析(地震安全性評價)，地震災害的防御及設計建議，防震減災信息系統設計，形成抗震設計技術文件。
3.1 廠站選址及廠站內建筑抗震
    中山市天然氣廠站的選址首先在符合城市規劃的前提下，對廠站工程進行了地震安全性評價，確定了廠站建、構筑物按地震烈度Ⅶ度設防，嚴格按GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》和GB 50470—2008《油氣輸送管道線路工程抗震技術規范》進行抗震設計。站內建、構筑物均采用框架結構，提高了抗震能力。
3.2 輸配管道路由的選擇
    由于中山市經濟較為發達，人多地少，高壓管道所經路段基本上為四級地區，為了防止和減少地震時次生災害的發生，高壓管道路由必須在技術先進、安全可靠、經濟合理的前提下進行抗震設計，因此管道路由的選擇尤為重要。現已建成的65.5km的高壓管道路由的選線就是依照上述原則進行的。與線路相關的斷裂為西江大斷裂，該斷裂基本沿西江河谷延伸。管道與西江無交點，該斷裂對工程影響較小。本段線路區域地質背景穩定，展示的地形地貌類型主要有平原、丘陵，勘察區活動斷裂影響較弱，新構造活動極弱，工程地質條件相對簡單，線路場地基本穩定，適宜管道建設。同時，管道按照滿足50年超越概率5%的地震動參數進行抗震設計，其中大型跨越及埋深小于30m的大型穿越管道，按50年超越概率2%的地震動參數進行抗震設計。
3.3 管道壁厚及管材
    天然氣高壓管道是城市天然氣輸配系統的重要組成部分，管道材料的選擇直接影響到管道抗震能力的大小。高壓管道必須具有高強度、高抗撓剛度、高耐沖擊性，并且采用優良的焊接技術將管子焊接成整體結構，避免使用法蘭等接口形式，以使管道具有良好的抗震性。根據上述原則綜合考慮，本工程高壓管道使用Φ508×11.9的直縫雙面埋弧焊鋼管。管材制管標準采用GB/T 9711.2—1999《石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件 第2部分：B級鋼管》，制管工藝為UOE成型、直縫雙面埋弧焊(LSAW)工藝，材質為L360MB。
    經計算，本工程鋼管的計算壁厚，在考慮到規范規定的最小公稱壁厚、腐蝕余量等條件下，確定為11.9mm。
3.4 管道的焊接
    為提高管道的抗震能力，管道的焊縫采用手工下向焊焊接或半自動焊工藝，手工焊焊條采用E6010。結合高壓管道經過的地區特點以及當地有關部門的要求，對管道環焊縫進行100%超聲波探傷和100%的X射線全位置照相檢查。對于所有穿越水域、等級公路的管道焊接以及未經試壓的管道碰口焊縫，均應進行100%超聲波探傷和100%的X射線全位置照相檢驗。
3.5 管道敷設
    考慮到高壓管道抗震的要求，中山市的高壓管道一般地段采用直埋方式敷設。管道通過一般地段時，考慮到農田的耕作深度、地面荷載對管道強度及穩定性的要求，管頂覆土厚度為1.0～1.2m。特殊的穿越地段，允許覆土厚度有變化，但不小于1.0m。管道水平轉角或豎向變坡處，當條件允許時應優先采用彈性敷設，以保證較好的工藝條件。彈性敷設困難時，優先采用曲率半徑為40倍管道外徑的冷彎管，其次采用熱煨彎管。穿越地段，對于大中型河流一般采用定向鉆穿越方式；對于高速公路和一、二級公路的穿越，采用頂進混凝土套管方式，穿越公路高架橋采用開挖加套管敷設，砼套管外徑為1.2m，套管內設置絕緣支撐，套管端部采用瀝青油麻等絕緣材料密封。對于穿越液化土層的管道，在按照有關規范進行核算后，采用將沿線的土層進行密實化處理和將管道敷設在液化土層以下的穩定土壤中等措施來進行抗液化處理。
3.6 閥門的選型及控制機構
    為了在地震發生時迅速切斷天然氣供應，中山市高壓管道采用了氣液聯動的直通式球閥，可以通過清管球。采用壓降速率自動關閉、人工復位方式操作，并可遠程控制。
3.7 SCADA系統
    為保證中山市天然氣高壓管道全線安全、可靠、平穩、高效、經濟地運行，天然氣公司建立了以計算機為核心的監控與數據采集系統，即SCADA系統。SCADA系統主要由調度控制中心的計算機系統、站控系統、通信系統構成。SCADA系統將達到在調度控制中心對全線進行自動監控的技術水平[4～9]。
    在正常情況下，由調度控制中心對管道全線進行監視和控制。當數據通信系統發生故障或控制中心主計算機發生故障或系統檢修時，通過站控系統實現對各站的監視與控制。當進行設備檢修或緊急切斷時，可采用就地手動控制方式。
4 液化區埋地管道抗震設計及校核計算
    松散的砂土和粉土，在地下水的作用下達到飽和狀態。如果在這種情況下土體受到震動，會有變得更緊密的趨勢，這種趨于緊密的作用使孔隙水壓力驟然上升，而在這短暫的震動過程中，驟然上升的孔隙水壓力來不及消散，這就使原來由土顆粒間接觸點傳遞的壓力(有效壓力)減小，當有效壓力完全消失時，土層會完全喪失抗剪強度和承載能力，變成像液體一樣，這是土的液化現象。
    對于飽和土，孔隙中充滿水，這些水在穩定狀態時有一個平衡的壓力，這是孔隙水壓力。當土體受到外力擠壓，土中原有水壓力也會上升，上升的這部分壓力就是超孔隙水壓力。一般來說，超孔隙水壓力都有消散的趨勢，隨著時間的推移會消散掉。
    液化土層對建筑物的影響取決于地基失效和傳遞地震能量這兩種作用的不同組合，結果不是單一的。這兩種作用均與地面運動特性，包括波形、最大幅值和頻譜特性有密切關系。在土壤液化過程中，土層中的超孔隙水壓力不斷增長，直至達到最大值，即完全液化，與此同時，液化土層的剛度也在不斷減小，這種變化對地震波的傳播有影響，且充分反映在地面運動的特性中[10]。
    當管道穿越場地發生液化時，會使管道產生上浮反應，當管道距地表過淺或已經露出地表時，其正常使用功能就會受到影響。另外，由于管道的上浮形變，也會在管道中產生附加應力，因此，要對管道的應力狀態進行校核。輕微液化土層不會形成全液化，不會對管道產生顯著影響。因此，在管道抗震設計中不需要考慮場地輕微液化的情況。液化場地中管道的上浮反應的影響因素有很多，其中液化域、初始軸向壓應力、管道直徑、土性以及管道埋設深度等都是主要影響因素。當管道穿越場地在設計地震動參數下具有中等或嚴重液化潛勢時，可通過計算液化場地中管道的上浮反應及其引起的管道附加應變對管道的抗液化能力進行校核。
    ① 液化土層中管道的最大上浮位移，按下式計算：
    △=-1.0545+0.0254Ly+0.003270σt+0.13(Ly-85)tan(10D-420)    (1)
    σt=Eα(t1-t2)    (2)
式中△——管道在液化土層中最大上浮位移，m
    Ly——管道在液化域中的長度，m
    σt——管道由溫度變化引起的初始軸向壓應力，MPa
    D——管道外徑，m，取D≥0.289m
    E——管道材料的彈性模量，MPa，取2.05×105MPa
    α——鋼材線膨脹系數，K-1，取1.2×10-5K-1
    t1——管道安裝閉合時的大氣溫度，℃
    t2——管道內輸送介質的溫度，℃
    式(1)是由侯鐘良、蔡建原和劉學杰等人采用FROP-2程序對180個具有代表性的液化區域管道工況參數進行計算分析，并以計算結果為樣本進行統計回歸得到的。因此，簡化公式中的Ly和D有取值范圍的限制，30m≤Ly≤180m；并且公式中所涉及到的角度值均為弧度制；管道一端或兩端與建筑物相連接時，應將實際管道長度(至墻外皮)分別乘以修正系數0.9或0.8；當液化區域管道長度小于30m時，采取適當的抗液化措施后，該液化區域對管道的影響就會較小，可以保證管道在地震時的安全可靠；當液化土層區域范圍較大，涉及到的管道較長，超出上述取值范圍，則在進行管道路由設計時，就必須充分考慮到液化區域對管道安全的影響，應盡量避免管道穿越此液化區域。對于管道外徑D，我們一般只考慮D≥0.289m的情況，因為考慮到天然氣高壓管道輸氣量的要求，設計管徑都比較大，即使存在小管徑管道在地震時被破壞的情況，我們也能夠較容易地迅速采取措施將管道關斷，不會造成較大的災害及損失。因此，在抗液化校核計算時，我們不考慮小管徑管道的校核。
② 液化區管道附加應變按下式計算：
 
式中εLmax——管道在上浮位移反應最大時的附加應變
   ③ 地震作用下管道截面軸向的組合應變計算，應將地震動引起的管道最大軸向應變與操作條件下荷載(內壓、溫差)引起的軸向應變進行組合，并按下列公式校核：
 
式中εmax——地震動引起管道的最大軸向拉、壓應變，當εmax＞0時為拉應變，當εmax＜0時為壓應變，應按照式(6)、(7)同時進行計算，并取其中較大的值
    ε——由于內壓和溫度變化產生的管道軸向應變
    εc,V——εmax+ε≤0時埋地管道抗震設計軸向容許壓縮應變
    εt,V——εmax+ε＞0時埋地管道抗震設計軸向容許拉伸應變
    a——設計地震動峰值加速度，m/s2
    Tg——設計地震動反應譜特征周期，s
    vse——場地土層等效剪切波速，m/s
    v——設計地震動峰值速度，m/s
    σα——由于內壓和溫度變化產生的管道軸向應力，MPa
    μ——泊松比，取μ=0.3
    σh——由內壓產生的環向應力，MPa
    p——管道的設計壓力，MPa
    d——管道的內徑，m
    δ——管道公稱壁厚，m
    組焊管道材料的容許拉伸應變εt,V可以按表1取值。
表1 組焊管道材料的容許拉伸應變
拉伸強度極限σh/MPa
容許拉伸應變εt,V/%
σb＜552
1.0
552≤σb＜793
0.9
793≤σb＜896
0.8
    各等級鋼材軸向容許壓縮應變按下式取值：
X65及以下鋼級：
 
X70和X80鋼級：
 
    ④將管道附加應變εLmax與式(4)、(5)由地震動、內壓和溫度變化引起的軸向應變組合后，按下列公式校核管道的應變狀態。當不滿足下列公式時，應采取抗震措施。
    當εmax+ε+εLmax≤0時：
    ︱εmax+ε+εLmax︱≤εt,v    (13)
    當εmax+ε+εLmax＞0時：
    ︱εmax+ε+εLmax︱≤εt,v   (14)
    ⑤ 管道的上浮反應狀態按下式校核，當不滿足下式時應采取抗液化措施。
 
式中H——管道軸線至管溝上表面的埋深，m
    ⑥ 受中山市地質因素的限制，中山市天然氣高壓管道路由中有穿越液化土層的部分，因此，在天然氣高壓管道設計中，必須考慮到液化土層對高壓管道的影響。
    中山市高壓天然氣管道抗震設計基礎參數如下：
    中山市沿線抗震設防烈度為Ⅶ度；
    設計地震動峰值加速度a=0.1g；
    地震動反應譜特征周期Tg=0.45s；
    設計地震動峰值速度為v=0.07m/s；
    天然氣高壓管道設計壓力p=4.0MPa；
    管道材質為L360MB，拉伸強度極限σh=460MPa；
   鋼材等級為X52級；
   管道規格初步確定為Ф508×11.9和Ф508×9.5兩種；
    管道內徑分別為d1=484.2mm和d2=489mm；
   鋼材線膨脹系數α=1.2×10-5K-1；
   管道材料的彈性模量E=2.05×105MPa；
   管道安裝閉合時的大氣溫度t1=5℃；
   管道內輸送介質的溫度t2=20℃；
   管道軸線至管溝上表面之間的埋深H=1.2m。
   中山市天然氣高壓管道中有穿越液化土層的管段，我們選取其中一段長度Ly=100m的管道，修正系數取0.9，現場測得場地土層等效剪切波速vsc=200m/s。
    將式(2)代入式(1)，可以計算得到管道在液化土層中最大上浮位移△。將式(2)代入式(3)，可以計算得到管道在上浮位移反應最大時的附加應變εLmax。由于中山市天然氣高壓管道采用鋼材的鋼級是X52級，因此，鋼材軸向容許壓縮應變應選用式(11)進行計算。
    將該管段設計基礎參數代入式(1)～(12)，進行計算，所得計算數據見表2。
表2 液化土層區域天然氣管道抗震計算數據
設計壓力/MPa
4.0
4.O
管道外徑/mm
508
508
管道壁厚/mm
11.9
9.5
σα/MPa
-12.49
-6.02
σt/MPa
-36.90
-36.90
σh/MPa
81.38
102.95
△/m
0.426
0.426
εLmax
-3.96×10-4
-3.96×10-4
ε
-6.09×10-5
-2.94×10-5
εmax
±1.76×10-4
±1.76×10-4
εt,V
0.01
0.01
εc,V
8.2×10-3
6.5×10-3
    ⑦ 對中山市高壓天然氣管道進行抗震校核計算，結果如下：
    a. Ф508×11.9管道
    由于：
    εmax+ε+εLmax=-6.33×10-4＜0
    根據式(13)進行抗震校核計算：
    ︱εmax+ε+εLmax︱=6.33×10-4
    εc,V=82×10-4
    ︱εmax+ε+εLmax︱＜εc,V
    所以，Ф508×11.9的管材在本工程中滿足抗震技術要求。
    根據式(15)進行抗液化校核計算：
 
    所以，Ф508×11.9的管材在本工程中滿足抗液化技術要求。
    b. Ф508×9.5管道
    由于：
    εmax+ε+εLmax =-6.01×10-4＜0
    根據式(13)進行抗震校核計算：
    ︱εmax+ε+εLmax︱=6.01×10-4
    εc,V =65×10-4
    ︱εmax+ε+εLmax︱＜εc,V
    所以，Ф508×9.5的管材在本工程中滿足抗震技術要求。
    根據式(15)進行抗液化校核計算：
 
    所以，Ф508×9.5的管材在本工程中滿足抗液化技術要求。
    通過計算分析，在中山市天然氣高壓管道設計中，采用Ф508×11.9和Ф508×9.5兩種規格的管材，均能較好地滿足抗震及抗液化要求。
   ⑧ 抗震措施
   針對式(13)、(14)，若校核計算不能滿足抗震要求，則應采取相應的措施以加強抗震性能：a.選擇延展性較好的管材，適當增大壁厚；b.盡量減小管道閉合時的環境溫度與管道輸送的介質溫度之間的差值，以控制由此引起的軸向應變。
    對于式(15)，若校核計算結果不能滿足要求，可考慮適當增加管道埋深日。同時，也應根據SY/T0450—2004《輸油(氣)埋地鋼質管道抗震設計規范》采取適當措施：a.對管道沿線土層進行密實化處理；b.對于處于液化區的不均勻沉陷地段，宜采用地上敷設并覆土保護；c.對于重要區段的嚴重液化區域，可采用抗浮樁與管道連接的方法，或采用非液化土換填和夯實；d.對于液化土層不深的區域，可以把管道埋設在液化土層以下的土壤中；e.對于不得不埋在液化土層中的管道部分，采取在管道外覆混凝土層加重管道，以及把管道鋪固的措施，以防管道升起。
5 事故應急預案與演練
    在進行了地震災害可能引發事故及事故后果的分析后，天然氣公司依據《中華人民共和國安全生產法》(中華人民共和國主席令[2002]第70號)、《中華人民共和國突發事件應對法》(中華人民共和國主席令[2007]第69號)、《國務院關于進一步加強安全生產工作的決定》(國發[2004]2號)、《國家安全生產事故災難應急預案》(國務院2006-01-22)、《生產經營單位安全生產事故應急預案編制導則》(AQ/T 9002—2006)及其他相關法律法規的規定，成立了應急組織機構，并制定了《突發事件應急預案》、《天然氣泄漏、著火爆炸事故應急預案》、《場站與管道應急預案》、《防臺風應急預案》、《陸上石油天然氣儲運事故災難應急預案》、《安全生產應急預案》、《地震應急預案》共7個專項應急預案。
    為了提高職工對于突發事件的處理能力，加強事故發生后的應急管理，應由被動防范、事故處置向強化源頭、預防優先轉變[11～14]。通過多次培訓和演練，公司員工熟悉應急職責、處理方法和應急措施，清楚逃生路線，掌握了自救互救[15～16]。
6 結論及建議
    ① 根據地震引起的燃氣管道事故分析，結合中山市地質條件與國內外燃氣管道抗震減震的先進辦法，將抗震設計理念在廠站選址、管道路由、管道材料及監控系統等方面廣泛應用，可以達到在預估的罕遇地震下天然氣輸配系統安全運行的抗震設防目標。
    ② 針對目前燃氣管網系統現狀，建議各相關部門對現有管道建立完備的基礎資料數據庫，管道建設應充分考慮其自身安全性和敷設安全距離、走線方式等問題。
    ③ 建議在廣東省地震應急指揮系統基礎上建設和完善中山市天然氣高壓輸配系統地震災害應急預案，以防備遭遇地震災害等突發事件后因天然氣泄漏等事故而引發的次生災害，同時也應定期檢修、維護天然氣輸配系統。
    ④ 針對穿越液化土層區域的高壓管道，不僅要采取必要的抗液化措施，更要對該管段進行校核計算，確保管道在地震時安全可靠。
    ⑤ 逐步完善供氣網絡，形成環網供氣后，可很大程度上提高供氣可靠性。
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(本文作者：王引平1 王普2 1.中山市規劃設計院 廣東中山 528403；2.中山市地震局 廣東中山528400)