跨斷層埋地輸油氣管道抗震研究述評(píng)

張少春 范 鋒 豐曉紅

1.山東省天然氣管道有限責(zé)任公司，山東 青島 266300；2.西南石油大學(xué)研究生學(xué)院，四川 成都 610500

0 前言

近年來，我國(guó)實(shí)施的“西氣東輸”“川氣東送”“海氣登陸”以及“中亞管道”“中緬管道”等跨國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道工程的建設(shè)，支撐著我國(guó)氣源的多元供應(yīng)，形成了全國(guó)天然氣基干管網(wǎng)。 我國(guó)處于環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，地震區(qū)域廣，地震強(qiáng)度大，發(fā)震頻率高，活動(dòng)斷層分布廣泛，為世界上遭受地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一［1］。大量震害資料證明，埋地輸油氣管道地震破壞通常發(fā)生在活動(dòng)斷層［2］。因此，有必要對(duì)跨斷層埋地輸油氣管道的地震反應(yīng)進(jìn)行研究，以避免或減輕跨斷層管道在未來地震中遭受破壞。

1 斷層錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)研究進(jìn)展

1971 年美國(guó)San Fernando 地震對(duì)跨斷層或沿?cái)鄬右粠л敋夤艿涝斐傻膰?yán)重破壞引起了美國(guó)研究者對(duì)埋地管道地震反應(yīng)的重視，而在這之前，埋地輸油氣鋼質(zhì)管道的設(shè)計(jì)是不考慮抗震要求的。 接著1972 年馬那瓜地震、1975 年海城地震、1976 年唐山大地震和1978 年日本Miyagi-ken-oki 地震中，埋地管道受到嚴(yán)重破壞，使得跨斷層埋地管道的研究成為全球熱點(diǎn)，并在歷經(jīng)40 年的研究過程中取得了很多成果。

目前的研究方法大致可分為理論解析法、數(shù)值分析法及試驗(yàn)研究法三類，本文將對(duì)近幾年來的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，比較不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，指出各方法中存在的問題。

1.1 理論解析法

劉愛文和張素靈等人［3］基于Newmark 方法和Kennedy方法提出一種研究跨越走滑斷層埋地管道地震反應(yīng)的計(jì)算方法，將遠(yuǎn)離斷層的管段部分簡(jiǎn)化為彈性地基梁模型來分析，斷層附近大變形管段部分看作受均布載荷的梁， 管材應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系采用Ramberg-Osgood 模型，忽略了管道內(nèi)壓及溫差引起的應(yīng)力應(yīng)變，同時(shí)假設(shè)斷層兩側(cè)土體性質(zhì)相同。 該方法證明了斷層錯(cuò)動(dòng)較大時(shí)Kennedy 法的正確性， 得到斷層位移較小時(shí)不能把管道看作懸索［4］的結(jié)論。

蘇欣等人［5］對(duì)澀寧蘭輸氣管道復(fù)線進(jìn)行了抗震計(jì)算，分析了管土約束狀態(tài)的兩種形式，指出實(shí)際埋地管線不是總處于彈性狀態(tài)，應(yīng)在抗震設(shè)計(jì)前對(duì)管道的約束狀態(tài)進(jìn)行復(fù)核。

Karamitros D K 等人［6］仍將斷層一側(cè)的管道分為兩部分，用彈性梁模擬管道的大變形段，用彈性地基梁模擬小變形段。 在計(jì)算管道的最大設(shè)計(jì)應(yīng)力時(shí)考慮了管材和大位移的非線性關(guān)系，管道橫截面的實(shí)際應(yīng)力分布以及彈性梁和彈性地基梁連接點(diǎn)處剪力的連續(xù)條件。 雖然該方法對(duì)Wang L K 方法［7］進(jìn)行了改進(jìn)，但沒有考慮到大變形段的管土作用力，文獻(xiàn)中也沒有對(duì)所提到的最大彎矩處即管道最可能的破壞位置予以說明或證明。 同時(shí)，該方法中所采用的彈性梁理論的彎曲應(yīng)變以及受幾何二次項(xiàng)影響的彎曲應(yīng)變二者的組合形式?jīng)]有任何物理意義。

Trifonov O V 等人［8］提出一種對(duì)穿越活動(dòng)斷層的埋地鋼質(zhì)管道非線性應(yīng)力-應(yīng)變分析的半解析法， 通過分析和計(jì)算取得如下成果：在斷層兩側(cè)管道曲率較大的管段的平衡方程中直接引入軸向力對(duì)彎曲剛度的影響；對(duì)平衡方程的求解過程顯示了隨斷層位移增大管道從梁到索的變化過程；提出了一個(gè)表征軸向力對(duì)彎曲剛度影響的參數(shù)，可以追蹤管道反應(yīng)并對(duì)其他簡(jiǎn)化模型的適用性進(jìn)行評(píng)估；證明了橫斷面位移對(duì)軸向應(yīng)變的影響。

以上介紹的方法是基于索模型和梁模型的理論分析方法， 管材的本構(gòu)模型主要采用雙折線或三折線模型、線彈性模型以及Ramberg-Osgood 模型，這些方法存在以下的局限性：

a） 只能分析管道受拉伸作用的情況，也就是說這些方法只能用于穿越走滑斷層或正斷層的管道，無法對(duì)跨越逆斷層的管道屈曲進(jìn)行計(jì)算。

b） 上述所有方法都是針對(duì)均一場(chǎng)地土進(jìn)行分析的，沒有對(duì)非均一土體作相關(guān)研究。

c）不能分析管截面中的大變形情況。

d） 在斷層錯(cuò)動(dòng)量較大的情況下，管道和土體的變形均表現(xiàn)出其非線性特征， 從而使理論方法變得異常復(fù)雜。

1.2 數(shù)值分析法

隨著當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及數(shù)值分析法的日益成熟，采用數(shù)值模擬可以較快地對(duì)跨斷層埋地管道的地震反應(yīng)進(jìn)行分析。 研究者們也在該領(lǐng)域開展了很多相關(guān)研究，并取得了許多成果。

Tohidi R Z 等人［9］將管道看作梁，用非線性彈簧模擬管道周圍的土體，對(duì)跨斷層管道進(jìn)行了三維研究，并對(duì)管道與斷層的交角、管土摩擦角、斷層錯(cuò)動(dòng)量及管道埋深等影響參數(shù)進(jìn)行了研究。

Kuwata Y 等人［10］使用離散單元法對(duì)鑄鐵管道在斷層作用下的安全性進(jìn)行了分析，評(píng)估出允許的最大斷層錯(cuò)動(dòng)量，分析得知管道與斷層的交角較小時(shí)將威脅到管道的安全。

Cocchetti G 等人［11］通過建立殼模型，分別采用大位移和小位移法對(duì)跨斷層管道進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)管徑較大時(shí)采用大位移和小位移方法得到的結(jié)論沒有明顯差別（穿越角為90°的情況除外），但當(dāng)管徑較小時(shí)，用小位移法分析得到的容許斷層錯(cuò)動(dòng)量則極其保守。

Liu M 等人［12］采用梁-殼混合模型對(duì)管道最大應(yīng)變和管道與斷層的交角之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，并研究了管材和管道壁厚對(duì)管道完整性的影響。

Jiao Z L 等人［13］考慮了管道埋深、回填土特性以及管土非線性相互作用，建立了殼有限元模型，對(duì)跨斷層埋地管道進(jìn)行了研究，并得出結(jié)論：管道軸向應(yīng)力由彎曲應(yīng)力和拉應(yīng)力組成；管道與斷層的穿越角直接決定著管道模型是否失效，90°為最佳穿越角； 在理論分析與工程設(shè)計(jì)中回填土的密實(shí)度以及管道的橢圓現(xiàn)象是不可忽略的；應(yīng)力、應(yīng)變和位移按一定規(guī)律分布。

Gu X T 等人［14］用三個(gè)方向的土彈簧來模擬管-土相互作用，對(duì)“西氣東輸”工程中某跨斷層管道進(jìn)行了分析，并提出一個(gè)可將管道應(yīng)變降低到最小的合理設(shè)計(jì)方案。 Zhao L 等人［15］采用接觸單元建立了三維管土非線性有限元模型，分析了基巖上覆土層的破裂模式、厚度以及剛度對(duì)埋地管線的影響，數(shù)值分析結(jié)果顯示，土體破裂模式確定了管道大變形或失效的位置，管道塑性變形發(fā)生在覆土層塑性變形或破裂的區(qū)域，當(dāng)斷層傾角接近90°時(shí)，管道的塑性變形隨覆土層的破裂而發(fā)生，覆土層越厚，管道塑性變形區(qū)域越長(zhǎng)，而應(yīng)變?cè)絹碓叫?，隨著覆土層剛度的增大，管道塑性變形長(zhǎng)度將變短，而最大應(yīng)變會(huì)增大。

金瀏等人［16］將跨斷層埋地管道及其周圍土體從半無限地球介質(zhì)中取出，分別以空間薄殼單元對(duì)管道進(jìn)行模擬，用實(shí)體單元對(duì)土體進(jìn)行模擬，管土相互作用則采用非線性接觸方法模擬，斷層錯(cuò)動(dòng)通過對(duì)土體施加線性位移來實(shí)現(xiàn)，在考慮管道初始應(yīng)力應(yīng)變的基礎(chǔ)上，對(duì)斷層作用下并未開裂的土體，埋設(shè)其中的管道以及管土的相互作用進(jìn)行了數(shù)值分析，得出一些有益結(jié)論。

閆相禎等人［17］針對(duì)地震斷層兩側(cè)場(chǎng)地相同和相異以及中間含有破碎帶等不同條件建立了管土耦合的組合模型，即用V lazov 模型模擬法向力，用摩擦片模擬剪應(yīng)力，在該模型基礎(chǔ)上將管道模型簡(jiǎn)化為薄殼單元，管土間連接三個(gè)定向土彈簧。

Vazouras P 等人［18］對(duì)穿越走滑斷層的埋地鋼質(zhì)管道進(jìn)行了研究。 文獻(xiàn)中假設(shè)管道水平鋪設(shè)，并與斷層面垂直， 利用ABAQUS 模擬軟件基于殼有限元模型對(duì)管、土力學(xué)性能及管土相互作用進(jìn)行了模擬。 通過對(duì)土體和管道的不同參數(shù)的分析， 得到管道失效的斷層臨界錯(cuò)動(dòng)量，得出結(jié)論：斷層破碎帶寬度并不影響管道力學(xué)性能；管道內(nèi)壓會(huì)輕度影響管道的變形能力； 管材強(qiáng)度越大，變形能力越強(qiáng)；厚壁管道通常不會(huì)發(fā)生屈曲，在過度拉應(yīng)變的作用下可能發(fā)生斷裂；土壤特性也會(huì)在一定程度上影響管道的變形能力。

Bolvardi V 等人［19］建立三維模型對(duì)跨斷層埋地鋼質(zhì)管道的抗震性能進(jìn)行研究，其中管道選擇殼單元，土體選擇實(shí)體單元，管土間采用接觸模型來模擬。 通過對(duì)管徑、穿越角、壁厚、埋深及錨固長(zhǎng)度等不同參數(shù)的影響以及不同模型間計(jì)算結(jié)果的比較，得出相關(guān)結(jié)論。

趙雷等人［20］通過有限元程序建立了埋地管道地震反應(yīng)的有限元模型，用擬動(dòng)力方法分析了管道跨逆斷層時(shí)的失效模式。 管道兩側(cè)邊界采用劉愛文［21］的等效彈簧邊界，管道采用殼單元模擬，用三個(gè)定向土彈簧模擬管土作用并得出結(jié)論： 當(dāng)逆斷層傾角接近90°時(shí)等效彈簧失去作用，計(jì)算結(jié)果不收斂。

Joshi S 等人［22］用梁?jiǎn)卧M管道，離散非線性彈簧模擬管道周圍土體， 對(duì)穿越逆斷層的埋地管道進(jìn)行分析，考慮了與管材和土體有關(guān)的材料非線性，與大變形有關(guān)的幾何非線性。 用所建三維有限元模型對(duì)斷層作用下的管道反應(yīng)進(jìn)行模擬，研究了不同參數(shù)的影響，最后得出結(jié)論：對(duì)于穿越逆斷層的管道，最大總壓縮應(yīng)變總比最大總拉伸應(yīng)變起到更為關(guān)鍵的作用；管道穿越角是管道最大壓應(yīng)變和管道屈曲最重要的影響因素；當(dāng)穿越角較小時(shí)，管道局部屈曲由管壁褶皺引起；管道以垂直或近乎垂直的方向穿越斷層帶時(shí)在很小的斷層位移下便會(huì)產(chǎn)生梁屈曲，并導(dǎo)致管道早期失效的發(fā)生；逆沖斷層容許的斷層錯(cuò)動(dòng)量要比陡峭的逆斷層容許錯(cuò)動(dòng)量小；通過選擇較松散的粗粒回填土，較淺的管道埋深，光滑而堅(jiān)硬的表面覆蓋層，增加管壁厚度或使用屈服強(qiáng)度較大的管材都可以增大斷層容許位移量。

從以上對(duì)跨斷層埋地管道反應(yīng)的研究歷程可以發(fā)現(xiàn)，埋地管道模型從最初較為簡(jiǎn)單的線彈性解析模型發(fā)展為目前的非線性殼有限元模型。 其中，梁模型構(gòu)造簡(jiǎn)單，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，殼模型雖然分析過程復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，但可以對(duì)管道的大變形如管道屈曲進(jìn)行模擬，因此，在分析過程中要分情況對(duì)模型進(jìn)行選擇。 對(duì)跨斷層埋地管道的研究方法則經(jīng)歷了由最初的半理論、半經(jīng)驗(yàn)分析方法發(fā)展為如今的理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合解決問題的方法。 但是，在目前的研究方法中，多數(shù)學(xué)者沒有考慮管道內(nèi)壓、溫度等參數(shù)的影響，因此建議在今后研究中，應(yīng)考慮到埋地輸氣管道在高壓荷載與斷層錯(cuò)動(dòng)耦合作用下的反應(yīng)。

1.3 試驗(yàn)研究法

目前，由于各種局限性，國(guó)內(nèi)外對(duì)跨斷層管道的抗震試驗(yàn)的研究工作較少［23-26］， 對(duì)跨斷層埋地管道進(jìn)行的試驗(yàn)主要有土箱模型試驗(yàn)和離心試驗(yàn)兩種。 由于受試驗(yàn)中管道模型尺寸的限制， 以及試驗(yàn)裝置中加載同步性、設(shè)備造價(jià)及維護(hù)等的影響，土箱模型試驗(yàn)的局限性主要體現(xiàn)在試驗(yàn)規(guī)模上，無法進(jìn)行管道的足尺試驗(yàn)，同時(shí)也無法滿足比尺試驗(yàn)的相似性。 離心試驗(yàn)憑借設(shè)備的重力加速度很容易實(shí)現(xiàn)彈力和重力的相似性，但由于試驗(yàn)設(shè)備尺寸較小，故也不能滿足邊界條件的相似性，只能進(jìn)行小比尺試驗(yàn)，而且在模擬土體剪切破壞的時(shí)候若采取與原型相同的砂土，將會(huì)使剪切帶寬度變大，使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。 因此，鑒于上述局限性，目前跨斷層管道的試驗(yàn)只能得到定性結(jié)論，為理論研究提供相應(yīng)的參考或驗(yàn)證，并不能得到精確的結(jié)果，同時(shí)由于試驗(yàn)過程不能保證土壤密實(shí)度的一致性，也會(huì)造成較大誤差。

以上為近幾年跨斷層埋地管道斷層錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)不同方法的研究進(jìn)展，此外，目前使用的GB 50470-2008《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》雖然規(guī)定對(duì)重要區(qū)段的管道和位于強(qiáng)震區(qū)的一般區(qū)管道應(yīng)使用有限元方法進(jìn)行管道的抗震校核，但其他情況下的管道抗震校核仍然沿用Newmark N M 等人［27］在1975 年提出的高度簡(jiǎn)化模型，盡管采用Newmark-Hall 計(jì)算結(jié)果的2 倍作為修正值， 但由于管道埋設(shè)場(chǎng)地土壤環(huán)境的不確定性等原因，仍然不確定能夠保證管道設(shè)計(jì)的安全性，而且管道受壓時(shí)也無法計(jì)算。 規(guī)范推薦的有限元方法為劉愛文［21］提出的含等效非線性彈簧邊界的分析方法，管土間的作用采用三向土彈簧進(jìn)行模擬， 無法對(duì)管道與土體的滑移、分離和閉合等現(xiàn)象進(jìn)行模擬。 因此提出能夠合理模擬跨斷層管道斷層錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)特性的計(jì)算模型是當(dāng)前迫切需要研究的課題。

2 抗震措施

經(jīng)多年研究，我國(guó)學(xué)者對(duì)跨斷層埋地管道的抗震措施主要從新建管道項(xiàng)目和已建管道兩方面著手，對(duì)新建管道項(xiàng)目采取的抗震措施主要考慮選擇合適的管道穿越斷層的位置，選擇合適的穿越角度， 特殊的管溝敷設(shè)，減小管土間的摩擦系數(shù)，選擇合適的管材，合理確定管道尺寸，選擇合適的管道埋深，使用大口徑的套管；設(shè)置一定數(shù)目的彎頭或采用大曲率半徑彈性敷設(shè)方式。 對(duì)已建管道的抗震改造，則主要從降低管土相互作用的角度出發(fā)。 如回填土的松散，采用光滑的外包層，為管道設(shè)置套管，淺埋（去掉部分覆蓋土層），不埋（清除全部覆蓋土層），采用管溝敷設(shè)，管溝用可壓縮或破碎的填料進(jìn)行回填等。 此外，以下通用措施也適用于跨斷層管道的抗震改造。

2.1 常見措施

a）加固管道本體。 對(duì)斷層附近的管道進(jìn)行環(huán)焊縫、損傷、腐蝕檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)缺陷則進(jìn)行修復(fù)，加固管道，確保管體的強(qiáng)度和變形性能。 這可能是最簡(jiǎn)單但實(shí)用性有限的抗震改造手段。

b）管道改線。 盡量避開產(chǎn)生大位移的活動(dòng)斷層區(qū)。由于管道路權(quán)常會(huì)受地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃的限制，有些斷層分布較長(zhǎng)， 管道繞避將會(huì)使管道長(zhǎng)度大幅度增加，不經(jīng)濟(jì)。

c）更換管道。 用等級(jí)較高或壁厚更厚的管道置換原管道。 鋼材等級(jí)越高，抗應(yīng)變能力越強(qiáng)；另外，同樣的斷層位移，管壁越厚管道發(fā)生的變形越小。

d）設(shè)置截?cái)嚅y室。 在斷層區(qū)一端設(shè)置截?cái)嚅y室，以降低管道事故發(fā)生破裂后天然氣泄漏引起的損失及次生災(zāi)害。

2.2 加強(qiáng)管道的智能監(jiān)測(cè)

雖然采取以上措施可以減輕管道在斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)所受到的破壞，但是在地震發(fā)生后，管道產(chǎn)生的應(yīng)變值是否超過了最大容許應(yīng)變值，管道是否需要停輸或降低輸量？ 哪些管段需要重點(diǎn)檢修等問題則必須采用地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)來作答。 在當(dāng)今信息化時(shí)代，隨著科技進(jìn)步和新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，加強(qiáng)對(duì)管道的智能監(jiān)測(cè)，建立管道的地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，適時(shí)發(fā)現(xiàn)管道的薄弱環(huán)節(jié)，為在第一時(shí)間采取措施提供數(shù)字依據(jù)，已經(jīng)成為評(píng)估已建和在建管道系統(tǒng)抗震能力的最有效手段。 然而目前，管道設(shè)計(jì)人員對(duì)地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)并不熟悉，下面將目前管道地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用及采用的方法和技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，以期在我國(guó)的油氣管道事業(yè)中得到更為廣泛的應(yīng)用。

管道地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的目的在于緊急地震速報(bào)，采用的技術(shù)手段主要有大地強(qiáng)烈震動(dòng)加速度計(jì)，SI 地震傳感器，GPS 位移監(jiān)測(cè)，基于光纖傳感的管道應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)， 中心控制站或SCADA 系統(tǒng)集成技術(shù)以及相關(guān)的軟件技術(shù)。 對(duì)于跨斷層管道，系統(tǒng)主要通過GPS 位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)管道所穿越的斷層位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在斷層兩側(cè)各設(shè)置一套高精度GPS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以得到斷層的水平和豎直位移量。

目前，國(guó)內(nèi)外比較著名的幾條輸油氣管道已經(jīng)建立了管道地震預(yù)警系統(tǒng)。 冀寧管道工程首次在國(guó)內(nèi)建立了管道地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。 該工程穿越19 條主要斷裂帶，為確保地震發(fā)生后能夠及時(shí)有效地為應(yīng)急管理部門提供決策依據(jù)并實(shí)現(xiàn)輸氣閥門的遠(yuǎn)程關(guān)閉， 在部分輸氣站布設(shè)了數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)儀， 同時(shí)在2 條全新世活動(dòng)斷裂兩側(cè)設(shè)置高精度GPS 檢測(cè)系統(tǒng)， 根據(jù)地震時(shí)斷層的相對(duì)位移量的大小進(jìn)行報(bào)警。此外，阿拉斯加管道、俄羅斯薩哈林2號(hào)管道工程、東京煤氣公司等也建立了地震檢測(cè)系統(tǒng)［28］。

3 結(jié)論

本文對(duì)跨斷層埋地輸氣管道抗震方法的沿革進(jìn)行了綜述，指出了前人在理論方法和試驗(yàn)研究方面取得的研究成果，對(duì)不同方法進(jìn)行了比較，同時(shí)總結(jié)了目前常用的抗震措施，并指出管道智能檢測(cè)的必要性。 今后對(duì)跨斷層埋地管道的研究主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面開展：

a） 提出更加符合實(shí)際的高精度數(shù)值計(jì)算模型模擬管土的接觸作用。

b）斷層錯(cuò)動(dòng)引發(fā)的地震會(huì)伴隨有砂土液化、滑坡等其他地震災(zāi)害的發(fā)生，地震波對(duì)鋼制管道也存在一定的影響。 在分析過程中應(yīng)綜合考慮各方面的影響因素展開研究。

c） 針對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)作用下的下臥基巖位移引起的土體反應(yīng)進(jìn)行研究，從而計(jì)算地面的永久變形量。

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