中山市天然气高压输配系统的抗震设计

摘 要

摘要：根据地震引起的燃气管道事故分析，结合中山市地质条件与国内外燃气管道抗震的先进办法，论述了抗震设计在厂站选址、厂站建筑、管道路由、管道材料及SCADA系统等方面的应用，
摘要：根据地震引起的燃气管道事故分析，结合中山市地质条件与国内外燃气管道抗震的先进办法，论述了抗震设计在厂站选址、厂站建筑、管道路由、管道材料及SCADA系统等方面的应用，对液化土层区域的天然气管道进行了抗震校核计算分析。
关键词：城镇燃气管道；抗震；液化土层
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日发生了汶川大地震，此次地震对汶川及其周边地区的燃气输配系统均造成了不同程度的破坏，其震害经验表明，城市燃气管网在地震中极易损坏，泄漏引发的火灾成为最严重的次生灾害之一[1]。城市燃气工程在城市基础设施中有着极其重要的地位，关系到地震时对城市居民生命财产造成危害的大小和灾后重建的难易。重视城市燃气输配系统的抗震设计，严格按照现行有关抗震设计规范进行抗震设计计算与分析[2]、校核、施工、使用和建立SUPREME地震实时监控系统[3]的燃气工程，在遭遇比当地设防烈度高1度的地震作用下，可以达到在预估的罕遇地震下保障燃气输配系统安全运行的抗震设防目标，将地震的损失降到最低限度。
1 中山市的地质及地震
    中山市地处珠江三角洲沉积区，大部分为第四纪覆盖，基底岩石断裂多隐伏。据资料分析，该区为潜在震源区。根据国家质量技术监督局2001年发布的GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》，沿线抗震设防烈度为Ⅶ度，设计地震动峰值加速度为0.19，地震动反应谱特征周期为0.45s。
2 地震引起的管道事故分析
    根据地质报告及地震划分图，中山市的天然气高压管道经过地区抗震设防烈度均为Ⅶ度。地震对输配系统破坏造成的事故主要有：建筑物砸坏设备、管道，砸伤工作人员；造成电力、通信系统中断、毁坏；对管道遭受腐蚀或焊接质量较差的薄弱部分产生破坏作用；管道错位、拉断、撞击、摩擦着火；阀门、法兰、垫片破损，天然气泄漏；地震产生的电磁场变化，干扰控制器及仪表正常工作，进而引发事故。
3 抗震设计在天然气输配系统中的应用
    根据中山市地质条件及地震对输配系统破坏造成的事故类型，结合国内外燃气管道抗震减震的先进办法，相应的抗震设计在中山市天然气输配系统厂站选址、管道路由、管道材料、管道壁厚及监控系统等方面得到了广泛应用，以期达到在预估的罕遇地震下天然气输配系统安全运行的抗震设防目标。其抗震设计是按照以下技术路线进行的：收集基础资料及现状描述，数据化及潜在的风险分析(地震安全性评价)，地震灾害的防御及设计建议，防震减灾信息系统设计，形成抗震设计技术文件。
3.1 厂站选址及厂站内建筑抗震
    中山市天然气厂站的选址首先在符合城市规划的前提下，对厂站工程进行了地震安全性评价，确定了厂站建、构筑物按地震烈度Ⅶ度设防，严格按GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》和GB 50470—2008《油气输送管道线路工程抗震技术规范》进行抗震设计。站内建、构筑物均采用框架结构，提高了抗震能力。
3.2 输配管道路由的选择
    由于中山市经济较为发达，人多地少，高压管道所经路段基本上为四级地区，为了防止和减少地震时次生灾害的发生，高压管道路由必须在技术先进、安全可靠、经济合理的前提下进行抗震设计，因此管道路由的选择尤为重要。现已建成的65.5km的高压管道路由的选线就是依照上述原则进行的。与线路相关的断裂为西江大断裂，该断裂基本沿西江河谷延伸。管道与西江无交点，该断裂对工程影响较小。本段线路区域地质背景稳定，展示的地形地貌类型主要有平原、丘陵，勘察区活动断裂影响较弱，新构造活动极弱，工程地质条件相对简单，线路场地基本稳定，适宜管道建设。同时，管道按照满足50年超越概率5%的地震动参数进行抗震设计，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%的地震动参数进行抗震设计。
3.3 管道壁厚及管材
    天然气高压管道是城市天然气输配系统的重要组成部分，管道材料的选择直接影响到管道抗震能力的大小。高压管道必须具有高强度、高抗挠刚度、高耐冲击性，并且采用优良的焊接技术将管子焊接成整体结构，避免使用法兰等接口形式，以使管道具有良好的抗震性。根据上述原则综合考虑，本工程高压管道使用Φ508×11.9的直缝双面埋弧焊钢管。管材制管标准采用GB/T 9711.2—1999《石油天然气工业输送钢管交货技术条件 第2部分：B级钢管》，制管工艺为UOE成型、直缝双面埋弧焊(LSAW)工艺，材质为L360MB。
    经计算，本工程钢管的计算壁厚，在考虑到规范规定的最小公称壁厚、腐蚀余量等条件下，确定为11.9mm。
3.4 管道的焊接
    为提高管道的抗震能力，管道的焊缝采用手工下向焊焊接或半自动焊工艺，手工焊焊条采用E6010。结合高压管道经过的地区特点以及当地有关部门的要求，对管道环焊缝进行100%超声波探伤和100%的X射线全位置照相检查。对于所有穿越水域、等级公路的管道焊接以及未经试压的管道碰口焊缝，均应进行100%超声波探伤和100%的X射线全位置照相检验。
3.5 管道敷设
    考虑到高压管道抗震的要求，中山市的高压管道一般地段采用直埋方式敷设。管道通过一般地段时，考虑到农田的耕作深度、地面荷载对管道强度及稳定性的要求，管顶覆土厚度为1.0～1.2m。特殊的穿越地段，允许覆土厚度有变化，但不小于1.0m。管道水平转角或竖向变坡处，当条件允许时应优先采用弹性敷设，以保证较好的工艺条件。弹性敷设困难时，优先采用曲率半径为40倍管道外径的冷弯管，其次采用热煨弯管。穿越地段，对于大中型河流一般采用定向钻穿越方式；对于高速公路和一、二级公路的穿越，采用顶进混凝土套管方式，穿越公路高架桥采用开挖加套管敷设，砼套管外径为1.2m，套管内设置绝缘支撑，套管端部采用沥青油麻等绝缘材料密封。对于穿越液化土层的管道，在按照有关规范进行核算后，采用将沿线的土层进行密实化处理和将管道敷设在液化土层以下的稳定土壤中等措施来进行抗液化处理。
3.6 阀门的选型及控制机构
    为了在地震发生时迅速切断天然气供应，中山市高压管道采用了气液联动的直通式球阀，可以通过清管球。采用压降速率自动关闭、人工复位方式操作，并可远程控制。
3.7 SCADA系统
    为保证中山市天然气高压管道全线安全、可靠、平稳、高效、经济地运行，天然气公司建立了以计算机为核心的监控与数据采集系统，即SCADA系统。SCADA系统主要由调度控制中心的计算机系统、站控系统、通信系统构成。SCADA系统将达到在调度控制中心对全线进行自动监控的技术水平[4～9]。
    在正常情况下，由调度控制中心对管道全线进行监视和控制。当数据通信系统发生故障或控制中心主计算机发生故障或系统检修时，通过站控系统实现对各站的监视与控制。当进行设备检修或紧急切断时，可采用就地手动控制方式。
4 液化区埋地管道抗震设计及校核计算
    松散的砂土和粉土，在地下水的作用下达到饱和状态。如果在这种情况下土体受到震动，会有变得更紧密的趋势，这种趋于紧密的作用使孔隙水压力骤然上升，而在这短暂的震动过程中，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，这就使原来由土颗粒间接触点传递的压力(有效压力)减小，当有效压力完全消失时，土层会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成像液体一样，这是土的液化现象。
    对于饱和土，孔隙中充满水，这些水在稳定状态时有一个平衡的压力，这是孔隙水压力。当土体受到外力挤压，土中原有水压力也会上升，上升的这部分压力就是超孔隙水压力。一般来说，超孔隙水压力都有消散的趋势，随着时间的推移会消散掉。
    液化土层对建筑物的影响取决于地基失效和传递地震能量这两种作用的不同组合，结果不是单一的。这两种作用均与地面运动特性，包括波形、最大幅值和频谱特性有密切关系。在土壤液化过程中，土层中的超孔隙水压力不断增长，直至达到最大值，即完全液化，与此同时，液化土层的刚度也在不断减小，这种变化对地震波的传播有影响，且充分反映在地面运动的特性中[10]。
    当管道穿越场地发生液化时，会使管道产生上浮反应，当管道距地表过浅或已经露出地表时，其正常使用功能就会受到影响。另外，由于管道的上浮形变，也会在管道中产生附加应力，因此，要对管道的应力状态进行校核。轻微液化土层不会形成全液化，不会对管道产生显著影响。因此，在管道抗震设计中不需要考虑场地轻微液化的情况。液化场地中管道的上浮反应的影响因素有很多，其中液化域、初始轴向压应力、管道直径、土性以及管道埋设深度等都是主要影响因素。当管道穿越场地在设计地震动参数下具有中等或严重液化潜势时，可通过计算液化场地中管道的上浮反应及其引起的管道附加应变对管道的抗液化能力进行校核。
    ① 液化土层中管道的最大上浮位移，按下式计算：
    △=-1.0545+0.0254Ly+0.003270σt+0.13(Ly-85)tan(10D-420)    (1)
    σt=Eα(t1-t2)    (2)
式中△——管道在液化土层中最大上浮位移，m
    Ly——管道在液化域中的长度，m
    σt——管道由温度变化引起的初始轴向压应力，MPa
    D——管道外径，m，取D≥0.289m
    E——管道材料的弹性模量，MPa，取2.05×105MPa
    α——钢材线膨胀系数，K-1，取1.2×10-5K-1
    t1——管道安装闭合时的大气温度，℃
    t2——管道内输送介质的温度，℃
    式(1)是由侯钟良、蔡建原和刘学杰等人采用FROP-2程序对180个具有代表性的液化区域管道工况参数进行计算分析，并以计算结果为样本进行统计回归得到的。因此，简化公式中的Ly和D有取值范围的限制，30m≤Ly≤180m；并且公式中所涉及到的角度值均为弧度制；管道一端或两端与建筑物相连接时，应将实际管道长度(至墙外皮)分别乘以修正系数0.9或0.8；当液化区域管道长度小于30m时，采取适当的抗液化措施后，该液化区域对管道的影响就会较小，可以保证管道在地震时的安全可靠；当液化土层区域范围较大，涉及到的管道较长，超出上述取值范围，则在进行管道路由设计时，就必须充分考虑到液化区域对管道安全的影响，应尽量避免管道穿越此液化区域。对于管道外径D，我们一般只考虑D≥0.289m的情况，因为考虑到天然气高压管道输气量的要求，设计管径都比较大，即使存在小管径管道在地震时被破坏的情况，我们也能够较容易地迅速采取措施将管道关断，不会造成较大的灾害及损失。因此，在抗液化校核计算时，我们不考虑小管径管道的校核。
② 液化区管道附加应变按下式计算：
 
式中εLmax——管道在上浮位移反应最大时的附加应变
   ③ 地震作用下管道截面轴向的组合应变计算，应将地震动引起的管道最大轴向应变与操作条件下荷载(内压、温差)引起的轴向应变进行组合，并按下列公式校核：
 
式中εmax——地震动引起管道的最大轴向拉、压应变，当εmax＞0时为拉应变，当εmax＜0时为压应变，应按照式(6)、(7)同时进行计算，并取其中较大的值
    ε——由于内压和温度变化产生的管道轴向应变
    εc,V——εmax+ε≤0时埋地管道抗震设计轴向容许压缩应变
    εt,V——εmax+ε＞0时埋地管道抗震设计轴向容许拉伸应变
    a——设计地震动峰值加速度，m/s2
    Tg——设计地震动反应谱特征周期，s
    vse——场地土层等效剪切波速，m/s
    v——设计地震动峰值速度，m/s
    σα——由于内压和温度变化产生的管道轴向应力，MPa
    μ——泊松比，取μ=0.3
    σh——由内压产生的环向应力，MPa
    p——管道的设计压力，MPa
    d——管道的内径，m
    δ——管道公称壁厚，m
    组焊管道材料的容许拉伸应变εt,V可以按表1取值。
表1 组焊管道材料的容许拉伸应变
拉伸强度极限σh/MPa
容许拉伸应变εt,V/%
σb＜552
1.0
552≤σb＜793
0.9
793≤σb＜896
0.8
    各等级钢材轴向容许压缩应变按下式取值：
X65及以下钢级：
 
X70和X80钢级：
 
    ④将管道附加应变εLmax与式(4)、(5)由地震动、内压和温度变化引起的轴向应变组合后，按下列公式校核管道的应变状态。当不满足下列公式时，应采取抗震措施。
    当εmax+ε+εLmax≤0时：
    ︱εmax+ε+εLmax︱≤εt,v    (13)
    当εmax+ε+εLmax＞0时：
    ︱εmax+ε+εLmax︱≤εt,v   (14)
    ⑤ 管道的上浮反应状态按下式校核，当不满足下式时应采取抗液化措施。
 
式中H——管道轴线至管沟上表面的埋深，m
    ⑥ 受中山市地质因素的限制，中山市天然气高压管道路由中有穿越液化土层的部分，因此，在天然气高压管道设计中，必须考虑到液化土层对高压管道的影响。
    中山市高压天然气管道抗震设计基础参数如下：
    中山市沿线抗震设防烈度为Ⅶ度；
    设计地震动峰值加速度a=0.1g；
    地震动反应谱特征周期Tg=0.45s；
    设计地震动峰值速度为v=0.07m/s；
    天然气高压管道设计压力p=4.0MPa；
    管道材质为L360MB，拉伸强度极限σh=460MPa；
   钢材等级为X52级；
   管道规格初步确定为Ф508×11.9和Ф508×9.5两种；
    管道内径分别为d1=484.2mm和d2=489mm；
   钢材线膨胀系数α=1.2×10-5K-1；
   管道材料的弹性模量E=2.05×105MPa；
   管道安装闭合时的大气温度t1=5℃；
   管道内输送介质的温度t2=20℃；
   管道轴线至管沟上表面之间的埋深H=1.2m。
   中山市天然气高压管道中有穿越液化土层的管段，我们选取其中一段长度Ly=100m的管道，修正系数取0.9，现场测得场地土层等效剪切波速vsc=200m/s。
    将式(2)代入式(1)，可以计算得到管道在液化土层中最大上浮位移△。将式(2)代入式(3)，可以计算得到管道在上浮位移反应最大时的附加应变εLmax。由于中山市天然气高压管道采用钢材的钢级是X52级，因此，钢材轴向容许压缩应变应选用式(11)进行计算。
    将该管段设计基础参数代入式(1)～(12)，进行计算，所得计算数据见表2。
表2 液化土层区域天然气管道抗震计算数据
设计压力/MPa
4.0
4.O
管道外径/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 对中山市高压天然气管道进行抗震校核计算，结果如下：
    a. Ф508×11.9管道
    由于：
    εmax+ε+εLmax=-6.33×10-4＜0
    根据式(13)进行抗震校核计算：
    ︱εmax+ε+εLmax︱=6.33×10-4
    εc,V=82×10-4
    ︱εmax+ε+εLmax︱＜εc,V
    所以，Ф508×11.9的管材在本工程中满足抗震技术要求。
    根据式(15)进行抗液化校核计算：
 
    所以，Ф508×11.9的管材在本工程中满足抗液化技术要求。
    b. Ф508×9.5管道
    由于：
    εmax+ε+εLmax =-6.01×10-4＜0
    根据式(13)进行抗震校核计算：
    ︱εmax+ε+εLmax︱=6.01×10-4
    εc,V =65×10-4
    ︱εmax+ε+εLmax︱＜εc,V
    所以，Ф508×9.5的管材在本工程中满足抗震技术要求。
    根据式(15)进行抗液化校核计算：
 
    所以，Ф508×9.5的管材在本工程中满足抗液化技术要求。
    通过计算分析，在中山市天然气高压管道设计中，采用Ф508×11.9和Ф508×9.5两种规格的管材，均能较好地满足抗震及抗液化要求。
   ⑧ 抗震措施
   针对式(13)、(14)，若校核计算不能满足抗震要求，则应采取相应的措施以加强抗震性能：a.选择延展性较好的管材，适当增大壁厚；b.尽量减小管道闭合时的环境温度与管道输送的介质温度之间的差值，以控制由此引起的轴向应变。
    对于式(15)，若校核计算结果不能满足要求，可考虑适当增加管道埋深日。同时，也应根据SY/T0450—2004《输油(气)埋地钢质管道抗震设计规范》采取适当措施：a.对管道沿线土层进行密实化处理；b.对于处于液化区的不均匀沉陷地段，宜采用地上敷设并覆土保护；c.对于重要区段的严重液化区域，可采用抗浮桩与管道连接的方法，或采用非液化土换填和夯实；d.对于液化土层不深的区域，可以把管道埋设在液化土层以下的土壤中；e.对于不得不埋在液化土层中的管道部分，采取在管道外覆混凝土层加重管道，以及把管道铺固的措施，以防管道升起。
5 事故应急预案与演练
    在进行了地震灾害可能引发事故及事故后果的分析后，天然气公司依据《中华人民共和国安全生产法》(中华人民共和国主席令[2002]第70号)、《中华人民共和国突发事件应对法》(中华人民共和国主席令[2007]第69号)、《国务院关于进一步加强安全生产工作的决定》(国发[2004]2号)、《国家安全生产事故灾难应急预案》(国务院2006-01-22)、《生产经营单位安全生产事故应急预案编制导则》(AQ/T 9002—2006)及其他相关法律法规的规定，成立了应急组织机构，并制定了《突发事件应急预案》、《天然气泄漏、着火爆炸事故应急预案》、《场站与管道应急预案》、《防台风应急预案》、《陆上石油天然气储运事故灾难应急预案》、《安全生产应急预案》、《地震应急预案》共7个专项应急预案。
    为了提高职工对于突发事件的处理能力，加强事故发生后的应急管理，应由被动防范、事故处置向强化源头、预防优先转变[11～14]。通过多次培训和演练，公司员工熟悉应急职责、处理方法和应急措施，清楚逃生路线，掌握了自救互救[15～16]。
6 结论及建议
    ① 根据地震引起的燃气管道事故分析，结合中山市地质条件与国内外燃气管道抗震减震的先进办法，将抗震设计理念在厂站选址、管道路由、管道材料及监控系统等方面广泛应用，可以达到在预估的罕遇地震下天然气输配系统安全运行的抗震设防目标。
    ② 针对目前燃气管网系统现状，建议各相关部门对现有管道建立完备的基础资料数据库，管道建设应充分考虑其自身安全性和敷设安全距离、走线方式等问题。
    ③ 建议在广东省地震应急指挥系统基础上建设和完善中山市天然气高压输配系统地震灾害应急预案，以防备遭遇地震灾害等突发事件后因天然气泄漏等事故而引发的次生灾害，同时也应定期检修、维护天然气输配系统。
    ④ 针对穿越液化土层区域的高压管道，不仅要采取必要的抗液化措施，更要对该管段进行校核计算，确保管道在地震时安全可靠。
    ⑤ 逐步完善供气网络，形成环网供气后，可很大程度上提高供气可靠性。
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(本文作者：王引平1 王普2 1.中山市规划设计院 广东中山 528403；2.中山市地震局 广东中山528400)