穿越活动断层地段的现役输油气管道抗震韧性评价

王龙 刘爱文 贾晓辉 李祥秀 王晓辉

摘要：在总结不同时期输油气管道抗震规范特点的基础上，分析了现役输油气管道抗震韧性评价影响因素，确定抗震设计、钢管腐蚀、地质灾害防治、应急处置4项抗震韧性评价指标，采用改进的KENT危险指数分析法，提出适用于现役输油气管道穿越活动断层地段的抗震韧性评价流程和方法，并应用于典型案例分析。初步验证了所提方法的科学合理性，为输油管道的地震风险治理提供参考。

关键词：输油气管道;活动断层;钢管腐蚀;抗震韧性;KENT危险指数分析法;抗震设计规范

0 引言

抗震韧性是指工程、建筑等在遭受破坏性地震之后能够维持住一定功能、避免造成次生灾害，并在尽可能短的时间内恢复社会服务的能力（翟长海，2018;杨静等，2019）。2003年，美国地震工程研究学会（EERI）发布《确保社会抵御地震损失——地震工程研究和推广计划》报告，首次提出了抗震韧性概念（宁晓晴，2018）。随着社会经济的快速发展和风险意识的不断提高，抗震韧性理念越来越多地得到地震工程界的广泛重视。近年来，国际防灾理念有了进一步发展，提高城市和社会的韧性能力已经成为防震减灾研究的前沿领域（Bruneau et al，2003）。

作为关系国计民生的重要生命线工程，输油气管道的抗震韧性也受到了广泛关注。输油气管道是一项复杂的系统性工程，例如长输天然气管道系统通常由集输管网、燃气净化设备、输气干线、压气站、分输阀室、分输站（调压计量站）、管理维修站、通讯与遥控设备、阴极保护站（或其他电保护装置）以及管路附件等组成。输油气管道的抗震韧性是指在遭受破坏性地震之后能够保持基本完好，或者发生一定的变形但是不发生泄漏，避免造成次生灾害，并在盡可能短的时间内恢复运输能力。震害经验表明地震活动断层的位错作用是造成管道破坏的主要原因。我国活动断裂发育，强震频发，输油气管道经常穿越地震活跃地区，一旦发生地震，会造成严重的灾害损失，例如我国西气东输工程，管线全长4 000 km，跨越9个省（市、自治区），东西向横跨多个地震活动地区，通过100多个断层，存在着被地震破坏的高风险隐患。

输油气管道作为线性工程，其抗震韧性评价主要是要评估管道工程对可能要发生的地震灾害风险的应对能力和措施。通过抗震韧性评价，可以识别地震风险，消除解决安全隐患，提升管道抗震韧性水平。当地震灾害发生时，管道工程可以通过保护或者快速恢复重要的基本结构和功能等方法，及时有效地抗御灾害影响和保持灾后快速恢复能力。国内关于城市抗震韧性的研究较少，主要集中于单体结构可恢复性新体系的研发上，对于工程结构、生命线系统以及城市等的抗震韧性的研究较少，对于输油气管道抗震韧性研究更是处于起步阶段，并且大多处于概念阶段，很少进行量化研究。目前输油气管道的抗震设计已经从弹性设计发展到了应变设计，其抗震规范至今也已经发布了5个版本，从早期的石油行业规范上升为国家强制性标准。由于不同服役年龄管道遵循的抗震规范要求不尽相同，加之钢管腐蚀以及环境变化等因素影响，现役输油气管道的抗震韧性差异较大。本文通过总结输油气管道震害经验教训，辨识不同服役年龄的输油气管道的抗震韧性特征，探讨抗震设计、钢管腐蚀、地质灾害防治、应急处置等因素对管道抗震韧性的影响，提出现役输油气管道工程的抗震韧性指标及评价方法。

1 我国输油气管道抗震设计规范

人们对埋地管道的地震安全问题的重视始于1971年美国圣费尔南多地震。国内外管道的震害调查结果表明：地震对管道的影响从轻到重依 次是地震动、砂土液化和活动断层，其中地震断层的位错作用造成的输气管道破坏最为严重（侯忠良，1990）。笔者汇总了国内外地震对输油气管道的破坏实例，见表1，从表中可以看出地震断层的地表位错是造成输油气管道破坏的主要因素。

目前，国内外输油气管道抗震设计从初期的弹性设计、应力设计已经发展到了应变设计。1991年至今，我国输油气管道抗震设计规范已经颁布了5个版本，见表2。最早的行业规范（1991版、1997版）就已经采用变形控制理论，以充分利用钢材的延性。初期抗震设计规范使用地震烈度，将管道分为重要区段和一般区段，并采取不同的抗震设防水准;2004版行业规范采用地震动参数代替地震烈度，对位于设计地震动峰值加速度≥0.2 g地区的管道，规定必须进行抗拉伸和抗压缩校核;2008版管道抗震规范由行业标准提升为国家标准，增加了抗震施工和抗震验收2个章节;2017版抗震规范细化了管道与活动断层并行敷设间距的具体要求，补充、完善了管道抗震校核的规定，修订了断层位移作用下的管道容许应变的确定方法。

穿越活动断层的管道抗震校核标准是在设防的断层位错作用下管道变形反应小于管道的允许拉伸应变和压缩应变。1991—2007年建设的输油气管道工程遵循石油行业标准，1991，1997和2004版行业标准，对于走滑断层可以采用Newmark理论方法计算管道的最大轴向应变，与管道的容许应变进行抗震校核。Newmark理论方法简单、方便，但忽略了管道抗弯刚度引起的应变，因此在行业标准实施阶段，采用Newmark方法分析得到的管道应变偏小，校核结果偏于不安全，高估了管道抗震能力，存在一定的风险隐患，2008和2017版的国家标准规范对Newmark理论解的方法进行修正（刘爱文，2002）。如图1所示，一条钢材为X60管道（Φ529×6）以30°交角穿越走滑断层，如果按照早期的行业标准，该管道可以抵抗1.7 m的断层错动量，但按照现行的国家标准，该管道只可以抵御0.8 m的断层错动量。由此可见，在行业标准实施期间，存在一部分高估了抗震能力的管道，考虑到较长时间腐蚀的影响，存在地震风险隐患较大的问题。

2 抗震韧性评价影响指标

我国陆上输油气管线节点多、线路长，管道铺设所经过地区地理自然条件复杂，提高输油气管道的抗震韧性十分必要。影响输油气管道抗震韧性的主要因素是管道的材料、管径的大小和管道壁厚。现有技术的限制及经济因素的影响，客观上制约了管道的抗震水平，尤其是对于通过地震活动断层的输油气管道，其断层位错量往往超过管道抗震极限应变。例如，汶川地震的发震断层——龙门山断裂，最大竖直位错量达到近10 m，远远超出兰成渝成品油管道的抗震极限应变，因此不得不采取避让措施。

科学合理的抗震设计直接影响管道的抗震设防水平，是降低地震灾害风险最直接有效的途径。因此，影响管道抗震韧性的首要影响因素是抗震设计，具体包括抗震设防标准的确定、壁厚的选择、埋深、与断层的交角等。在管道工程的设计和建设阶段就已经基本决定了管道初始的抗震能力。但是对于现役管道，随着其运行时间不断增加，除设计施工阶段确定的初始抗震能力外，其它破坏性因素会对管道抗震能力产生越来越大的影响，包括管道腐蚀导致管材性能下降、地质灾害、第三方破坏、操作失误、地震应急处置不得当等。本文将从抗震设计、管道腐蚀、地质灾害防治和应急处置4个方面来评价抗震韧性，在缺少相应的可靠数据前提下，暂不考虑第三方破坏和操作失误因素对抗震韧性评价的影响。

2.1 抗震设计

输油气管道作为重要的生命线工程，需要严格按照建造时期对应的抗震设计规范进行抗震设计和施工。不同时期建造的现役管道，采取的抗震设防标准不同，抗震设计水平也有差异。对于同一条管道，通过不同区段时的设防要求也不同，对于重要区段按照罕遇地震进行抗震设防，一般区段则按照地震安全性评价结果确定的抗震设防要求进行设防。依据输油气管道相关抗震设计规范，抗震设计指标包括抗震设防要求、抗震设计验算结果、抗震措施、抗震施工、钢管材料5项子评价指标，根据其重要性设置分值权重各占20%，各项满分均为20分，总分100分，见表3。

2.2 管道腐蚀

输油气管道一般是钢质材料，钢管腐蚀是导致输油气管道抗震能力下降的主要因素之一（帅健，许葵，2003）。导致管道腐蚀的因素包括介质腐蚀、管内保护层及其它措施、阴極保护、管道外涂层、土壤腐蚀性、使用年限、其它金属埋设物、电流干扰、应力腐蚀等。

在不同土壤环境下，钢质管道退化本构关系也具有差异性（刘威，2007）。考虑酸性土壤环境，以某跨断层长输气主干管线为例，其相关管道参数为：X60钢管（Φ400×16），管道埋深为2.5 m;断层运动形式为正断层，管线与断层的夹角β=70°，断层滑动量Δ=1 m。采用钢管的线性腐蚀模型，管径和管壁的参数随服役年限变化。通过壳有限元模型得到不同服役年限钢管在该断层位错作用下的最大应变，如图2所示，在服役年限超过40年后，钢管的变形已进入塑性变形阶段，管体将严重变形处于不安全状态。

管道腐蚀指标包括介质腐蚀性、内防腐措施、阴保设计、防腐层材料、防腐层质量、土壤腐蚀性、管道使用年限、缺陷修补等10项子评价指标，各项满分均为10分，总分100分，见表4。

2.3 地质灾害防治

地震活跃地区一般也是地质灾害易发地区。发震断层的周围属于极震区，近场强震动容易导致地质灾害。例如，在汶川地震中兰成渝管道虽然避开了断层错动的威胁，但是山体崩塌的巨石砸损了随管道敷设的光缆。地质灾害防治主要包括对滑坡崩塌、场地液化等地质灾害的防治。地质灾害防治指标分为地质灾害防灾预案、危险性评估、治理方案、治理施工、验收审批等5项子评价指标，评分权重各占20%，各项满分均为20分，总分100分，见表5。

2.4 地震应急处置

当地震灾害发生后，应急处置得当可以有效减轻灾害损失。在灾害发生前也可采取有效的处置措施避免或降低灾害损失，包括在断层两侧设置截断阀、布设地震监测报警系统等。根据《防震减灾法》《破坏性地震应急条例》等，地震应急处置指标包括断层两侧布设截断阀、布设地震监测系统、应急处置预案、应急装备、应急人员培训及演练、应急值守6项子评价指标，根据重要性设置各自权重，总分100分，见表6。

4 结论

本文通过对比分析我国不同版本的输油气管道抗震规范发现，遵循行业标准建设的管道工程可能高估了管道的抗震能力。数值分析结果表明较长时间的腐蚀会使得管道抵御断层位错能力进一步降低。对于现役输油气管道，本文通过建立抗震设计、钢管腐蚀、地质灾害防治、应急处置4项抗震韧性评价指标，采用KENT危险指数分析法，提出现役输油气管道穿越活动断层地段的抗震韧性评价流程和方法，为输油气管道的地震风险治理提供参考。

目前，本文工作尚局限于研究通过活动断层的部分管段的抗震韧性评价，后续需要与整条输油气管道的地震风险评价进行有机结合，提出综合的评价方法，同时拟在以下方面进行优化：一是强化评价指标的客观性，尽量减少评价人员主观因素，并进一步量化评价指标;二是考虑管道修复经济因素及修复难易程度;三是增强评价方法的实用性和可操作性。

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