天然气管线抗震性校核分析方法与应用

(武汉江汉化工设计有限公司，湖北 武汉 430223)

地震是一种具有极大破坏力的自然灾害[1]，一次破坏性地震可以在一分钟甚至几秒内摧毁一座城市[2]。地下管道是城市供水、供气、热力和排污等地下生命线系统的基本组成部分[3]，若管线未进行抗震设计，则可能因地震而导致管道变形、破裂，从而影响管道的正常运行，甚至造成污染、易燃易爆物质泄漏，例如燃气泄漏后引起火灾次生灾害，继而导致人员伤亡和财物损毁。1976年河北唐山地区发生大地震，使秦皇岛至北京输油管道有4处遭受破坏而漏油，并有多处变形，造成管道停输[4]。2016年日本福冈发生7.3级地震，因地下管道遭受挤压，导致地下水带着气体，造成大量泡沫从地下涌出，严重影响路面的正常交通[5]。综上可知，长输埋地管线除按正常流程进行设计外，还需进行抗震校核分析，以在源头设计上保障其抗震能力。

本文结合某天然气输送项目，进行长输天然气埋地输送管线抗震校核分析，具体结合各个地区的地震参数来探讨在同一温度压力情况下，管道的抗拉伸、抗压缩能力是否符合抗震设计标准。

1 管线抗震校核方法

1.1 校核的必要性

管道抗震校核分为抗拉伸和抗压缩校核两部分。根据大量震害统计资料，国标GB/T 50470—2008《油气输送管道线路工程抗震技术规范》对需要进行管道抗震校核的情况进行了定义：一般场地的地下直埋管道地震动峰值加速度大于或等于0.30g时才开始破坏；为了安全起见，地震动峰值加速度大于或等于0.20g时，直埋管道应进行地震振动抗拉伸和抗压缩的校核[6]。对于穿越水域(河、湖、沟、渠)的管道，只有当地震动峰值加速度大于或等于0.10g的地区，大中型穿越管道才进行抗拉伸和抗压缩校核，并会对堤防与边坡进行抗震稳定校核，本文仅针对管道抗震性能进行分析。

本文所述天然气输送工程埋地管道长度约1.2km，由分输站依次穿越公路、河流、鱼塘、河流、村庄、水塘后接入厂房。管道埋设规格为φ406.4mm×14.2mm的管道，采用大开挖、定向钻管、开挖埋设混凝土套管等方式施工。地质资料显示，拟建场地的地震动峰值加速度为0.10g，调整后其地震动峰值加速度为0.125g[7]，可不进行管道抗震校核。但是考虑到该项目第二段穿越跨距约90m的水域，由GB/T 50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》可知，该项目属于中型穿越工程，即需对该项目埋地天然气管线进行抗震校核[8]。管线呈“L”形敷设，其中第一段长度30m，第二段长度90m。即需对第一段和第二段分别进行直管段校核，以及对两段连接处的弯管段进行抗震校核。

1.2 一般埋地直管校核

输气管道应避开滑坡、崩塌、塌陷、泥石流、洪水严重侵蚀等地质灾害地段，宜避开矿山采空区及全新世活动断层；当受到条件限制必须通过上述区域时，应选择危害程度较小的位置通过，并采取相应的防护措施[9]。项目拟建线路距断裂带最近距离大于2km，全线所在位置处于相对稳定区域，满足安全要求。场地20m深度范围内未见饱和砂土或粉土分布，不存在砂土液化问题。

本文根据公式(1)和公式(2)分别进行一般埋地直管道的抗拉伸和抗压缩能力校核，满足该公式的要求即表明所设计的埋地直管符合项目所在地的抗震要求。

当εmax+ε≤0时|εmax+ε|≤[εc]v

(1)

当εmax+ε>0时εmax+ε≤[εt]v

(2)

式中，εmax为地震动引起的管道最大轴向应变，其值与地震动峰值加速度、地震动反应谱特征周期和场地土层的等效剪切波速度等地震动参数有关；[εc]v为埋地管道抗震设计轴向容许压缩应变，与管道的径厚比有关；[εt]v为埋地管道抗震设计轴向容许拉伸应变，其值根据所选用管材的抗拉伸强度极限按一定比例计算得出。ε为操作条件下载荷(内压、温差)引起的轴向应变，其与管道介质的压力、温度和管道材质等自身工作情况有关，ε可通过公式(3)和公式(4)计算得到，式中相关参数的数学及物理含义见参考文献[6]。

(3)

σa=μσh+Eα(t1-t2)

(4)

1.3 一般埋地弯管校核

(5)

式中，εn和εm都是管道与土壤相互作用产生的摩擦力tu，及tu作用的有效长度L在管道单位面积上作用的结果。εn和εm的具体参数值可由公式(6) ～ (9)计算得到。

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，L为一个矢量，其值与直管校核中的εmax含义相关，当εmax为最大轴向拉伸应变时，L作用方向为正；当εmax为最大轴向压缩应变时，L的作用方向为负。tu与土壤密度ρs、土壤埋深H、土壤摩擦角φ等参数相关，这些参数均与项目施工场地的具体地质情况相关。本项目施工场地土壤属于软弱土，密度小，若施工场地为中软土或中硬土，则土壤密度会增大，相应的地质参数也会发生变化。当tu变大，根据公式可知，L相应减小，即埋地管段在土壤中可以伸缩的空间减小，从而导致管道受到来自土壤的阻力增大，此时，管道的抗拉伸和抗压缩性相应减弱。除此之外，相关参数的数学及物理含义见参考文献[6]，此处不再赘述。

相比较而言，埋地弯管的校核计算公式比直管复杂很多。此外，埋地直管校核过程中涉及的许多参数值可通过查阅标准得到经验值，而埋地弯管的参数多为依据项目特征和项目所在地质情况进行的实际测量值。因此，在做弯管校核的时候，需要对项目场地进行详细的地质勘查。

1.4 理论轴向容许压缩和拉伸应变

1.4.1 理论最小轴向容许压缩应变值

1.4.2 理论最小轴向容许拉伸应变值

输气管道选用的钢管应符合现行国家标准GB/T 9711—2011《石油天然气工业管线输送系统用钢管》中的PSL2级、GB 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》、GB 6479—2013《高压化肥设备用无缝钢管》及GB/T 8163—2018《输送流体用无缝钢管》的有关规定[5]。因本项目为天然气输送，从安全、可靠和成本等方面综合考虑，GB/T 9711中的PSL2钢级材料符合天然气输送管道的选用原则且成本相对较低，因此，本文钢材选用GB/T 9711的PSL2钢级。根据GB/T 50470—2008中的计算方法，输气管道选用标准为GB/T 9711的PLS2钢级碳钢管时，管道抗拉强度极限均不低于415，即理论[εt]v≥4.15。

一般在工程项目的实践过程中，为保证工程的安全性，管材和管道壁厚不会选取标准允许的最小值，会在此基础上根据项目统一规定和设计人员经验加上一些余量，即项目在实践过程中，容许拉伸应变和容许压缩应变会比理论最小轴向容许拉伸应变值和理论最小轴向容许压缩应变值略大。

2 实例分析

根据项目基础资料实测数据显示，本文所述长输天然气管道项目所在地地震动峰值加速度为0.125g，地震动反应谱特征周期为0.45s，场地土层等效剪切波速度取106.5m/s，回填土密度为1.77kg/m3，管道下沟回填温度25℃，管道轴线至管沟上表面之间的埋深为10m。此外，项目的长输管线设计内压力为4.5MPa，管道工作温度为40℃，管道外径为406.4mm，管道公称壁厚设定为14.2mm，满足参考文献[9]规定的管道稳定性要求。基于以上工况，埋地管道其余技术参数见表1。

表1 一般埋地管道技术参数

结合项目实例的数据，通过GB/T 50251—2008、GB/T 9711—2011选取管材L360N(PSL2级)，此时管材的容许拉伸应变为4.6MPa。管道壁厚经GB/T 50251—2008的公式计算，取14.2mm。再根据GB/T 50470—2008中6.1的公式，在不同管径的情况下，对一般埋地直管和弯管进行抗震校核。经过分析后，得出的计算结果见表2。

表2 不同管径一般埋地管道抗震校核结果

根据项目实例计算分析，在同一地区，温度、压力、管径、管道强度和稳定性均能满足的情况下，埋地直管的抗拉伸性和抗压缩性均能通过抗震校核。埋地弯管的抗拉伸性能通过抗震校核，而当埋地弯管在管径过大的情况下，其抗压缩性无法通过抗震校核。

此外，在抗震设计过程中，还可通过增加壁厚来提升一般埋地弯管的抗压缩性能。不同壁厚的抗压缩性能校核分析结果见表3。

表3 不同壁厚的一般埋地弯管抗压缩性能校核结果

3 结语

综合本文的数据分析可知，直管和弯管的抗拉伸性都很好，而弯管的抗压缩性比直管差很多。因此，在天然气输送项目的一般埋地管道抗震设计中，需要更加注意弯管的抗压缩性，可尽量避免采用弯管。如需用到弯管，需着重进行抗震校核，并采取相应的防护措施。为使弯管抗震性增强，所选壁厚在径厚比满足管道的稳定性和强度的情况下，弯管壁厚尽量选择较厚值，且可根据弯管抗震校核公式计算得到合适的壁厚。设计过程中遵照GB/T 50251—2015等相关规范的设计原则进行设计，在达到经济性的同时保证项目实施的安全。