典型長距離輸油管線地震易損性評估

王靜宜, 郭恩棟, 閆培雷, 李長宏, 吳厚禮

(1. 中國地震局工程力學研究所 地震工程與工程振動重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150080;2. 地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

石油是國家生存和發(fā)展不可或缺的戰(zhàn)略資源,對保障國家經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和國防安全有著不可替代的作用。長距離輸油管線是運輸原油以及成品油最為經(jīng)濟、高效、便捷的一種方式。截止2014年底,我國陸上原油管道約23000 km2,成品油管道約21000 km2。我國油氣管道建設(shè)穩(wěn)步推進,形成了西油東調(diào)和北油南運的輸油格局,擁有跨區(qū)域、廣覆蓋和多層次的長距離的輸送網(wǎng)絡(luò)。與此同時,我國位于環(huán)太平洋火山地震帶與喜馬拉雅山火山地震帶之間,受到太平洋板塊、印度洋板塊和菲律賓板塊的擠壓,面臨嚴峻的地震安全威脅。長距離輸油管線由于其距離長和縱深廣等特點,不可避免的途經(jīng)地震高發(fā)地帶,地震災(zāi)害對長距離輸油管線造成的危害不可忽視。1976年唐山大地震時,秦京輸油管線遭受了嚴重的破壞,管線途徑7度、8度和9度區(qū)的長度分別為140 km、50 km和25 km,管線發(fā)生多處破壞,流失原油1萬余噸[1],造成了巨大的經(jīng)濟損失,污染了大片農(nóng)田和河流。近年來,我國長距離輸油管網(wǎng)規(guī)模不斷增加,地震對管網(wǎng)的威脅不容忽視。因此有必要對長距離輸油管道的地震易損性進行分析評估,為輸油管道工程地震災(zāi)害隱患排查提供支撐,確保長距離輸油管道安全可靠的運行。

對于均勻土介質(zhì)下管道的地震反應(yīng),早在60年代末期Newmark就對此展開了研究。到70年代,日本學者就提出了反應(yīng)位移法,將管道簡化為彈性地基梁,將地震波簡化為簡諧波。王海波等通過邊界元法,得出管道埋深越淺,地震對管線的危害越大[2]。ROURKE等[3]在綜合分析了1964年阿拉斯加地震、1971年費爾南多地震、1976年危地馬拉地震以及1987年厄瓜多爾地震后提出:大規(guī)模永久性地表位移是地震造成石油設(shè)施損壞的主要原因;郭恩棟等[4]根據(jù)汶川大地震的地下管道震害數(shù)據(jù),提出了不同地震烈度下部分埋地管道不同地震烈度下震害率;馮啟民等[5]考慮了埋地管道與土介質(zhì)的相互作用,分析了管道作為薄殼結(jié)構(gòu)的斷層位錯反應(yīng);LIU等[6]為了統(tǒng)一輸油管線的置信度方法,提出了將泵站與不同等級長距離輸油管道視為一個整體,建立了不同等級管道對應(yīng)的設(shè)計基準斷層位移危險等級分析;YAN等[7]利用大型振動臺對埋地長距離管道進行非均勻激勵實驗,證明非均勻地震激勵對管道應(yīng)變與位移影響很大,對地表加速度影響較小;劉建平等[8]提出了長距離管線震害監(jiān)測重點在于為震后緊急救援提供決策依據(jù),而不是震前預報,并介紹了長距離輸油管道檢測技術(shù)在部分管線上的應(yīng)用。

本文長距離輸油管道易損性評估是基于現(xiàn)有埋地管線震害研究為基礎(chǔ)。目前針對原油、成品油管道的抗震研究基本集中在跨斷層管線震害分析、場地變形和土壤液化等方面。對于長距離管道的抗震研究也僅僅局限于局部管段的分析,缺乏對于上百公里甚至上千公里長距離輸油管道抗震性能的定量預測研究。本文通過計算不同地震動加速度作用下連續(xù)焊接管段組合應(yīng)力值實現(xiàn)了對單根管段進行三態(tài)破壞預測,進而得到每10 km長距離輸油管線平均震害率和破壞處數(shù)。以此為依據(jù)對長距離輸油管網(wǎng)進行五態(tài)破壞預測和地震易損性分析評估,并結(jié)合實際工程案例進行震害預測。對長距離輸油管線地震災(zāi)害風險評估、薄弱部位排查加固和震后救災(zāi)等提供借鑒意義。

1 連續(xù)焊接管道地震破壞分析

埋地管線的破壞一般表現(xiàn)為管線接口破壞、管體破壞和接頭損壞等,其中接頭損壞是最常見的破壞形式[9]。長距離輸油管線一般采用連續(xù)焊接高速鋼,通常采取組合應(yīng)力作為破壞等級判定標準。

對于一般場地埋地管線震害破壞計算時一般假定管道處于理想狀態(tài),認為水平剪切波引起的管道軸向變形是管道破壞的主要原因。地震波導致場地不同的點產(chǎn)生相對位移,位移通過土體與管線的相互作用傳到埋地直管道。地震波造成的管道縱向拉應(yīng)力根據(jù)《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50470—2017)[10]的計算方法求得。

根據(jù)第三強度理論,即最大剪應(yīng)力強度理論,一般埋地管道軸向組合應(yīng)力為:

σn=σpmax+σT+σah+σas

(1)

σa=σεh+σεs

(2)

σ=σ1-σ3=σn-σa

(3)

式中:σn為管道軸向應(yīng)力;σn為管道環(huán)向應(yīng)力;σpmax為地震波造成的管道縱向拉應(yīng)力;σT為溫差引起的管道縱向拉應(yīng)力;σah為內(nèi)壓引起的縱向拉管道應(yīng)力;σas為土靜壓引起的管道縱向拉應(yīng)力;σεh為內(nèi)壓引起的管道環(huán)向拉應(yīng)力;σεs為土體靜壓引起的管道環(huán)向拉應(yīng)力。

本文采用三態(tài)破壞準則對管道進行地震可靠性分析,其中管道狀態(tài)破壞一般分為三類,破壞狀況判斷標準為[11]:1)σ<[σr]管道處于基本完好狀態(tài)。 2)[σr]≤σ≤[σb]管道處于中等破壞狀態(tài)。3)σ≥[σb]管道處于嚴重破壞狀態(tài),管道基本失去輸油功能。

其中:σr=?1[σ1],σb=?2[σ2];σ為管線的組合應(yīng)力;[σ1]為管材屈服強度;[σ2]為管材極限強度;?1和?2為調(diào)整系數(shù),本文中取0.8。

2 管線破壞等級劃分與震害預測

2.1 管段破壞概率

(4)

(5)

P2=1-P1-P3

(6)

式中:P1為管道基本完好的概率;P2管道中等破壞的概率;P3管道毀壞的概率。

2.2 基于平均震害率的長距離輸油管線破壞等級劃分

根據(jù)《生命線工程地震破壞等級劃分》(GB/T 24336—2009)[12]的相關(guān)規(guī)定,長距離輸油管道平均震害率與破壞等級對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 長距離輸油管線不同地震破壞等級對應(yīng)的震害率(處/10 km)Table 1 Seismic damage rate corresponding to different seismic damage grades of long-distance oil pipeline(location/10 km)

基本完好:管線平均每10 km破壞處數(shù)為0,基本無破損且基本功能正常。

輕微破壞:管線平均每10 km破壞處數(shù)大于0且小于等于2,有輕微破損和小泄漏點且輸油量下降幅度小于10%,需要進行管道維護。

中等破壞:管線平均每10 km破壞處數(shù)大于2且小于等于5,輸油量下降幅度高達30%,需要進行管道維修。

嚴重破壞:管線平均每10 km破壞處數(shù)大于5且小于等于12,管道出現(xiàn)破裂和噴漏等明顯破損,基本失去輸油功能,需要進行大修后才能恢復正常功能。

毀壞:管線平均每10 km破壞處數(shù)大于12,管線出現(xiàn)斷裂、塌落和大面積噴漏等嚴重破損,管道喪失基本功能,需要重建。

2.3 管線震害率

假設(shè)地震時沿管段長度L(km),震害發(fā)生是隨機獨立的,埋地管線的破壞概率可以假定服從泊松分布,則該段埋地管段在地震作用下的破壞概率Pf與每公里破壞處數(shù)λ(處/km)的關(guān)系為:

Pf=1-exp(-λL)

(7)

在一定長度范圍內(nèi),假設(shè)管線由n個管段焊接而成,則該范圍內(nèi)管線總的破壞處數(shù)DNP為[13]:

(8)

式中:λi(處/10 km)為第i段管段的震害率,Li(km)為第i段管段的長度。進一步可得管線在該長度范圍內(nèi)平均震害率λ*(處/10 km)為:

(9)

長距離埋地管線地震易損性是預測結(jié)構(gòu)在不同烈度地震作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的概率,對于長距離輸油管線并沒有切實可行的表征方法。針對長距離輸油管線,本文采用組合應(yīng)力值、平均震害率和破壞處數(shù)對進行地震易損性的預測和評估。

3 實例分析

3.1 工程簡介

本文以國內(nèi)某實際運營長距離同溝鋪設(shè)原油、成品油管線為例進行地震易損性分析。管線總長一千多公里,由一萬余個管段焊接而成。管線總長較長,東西方向跨度大,輸油量大。途徑穿越多種地貌單元、不同的地理和人文環(huán)境,地質(zhì)情況復雜。

原油干線采用Φ813 mm的API 5L X65(API 5L為美國石油協(xié)會管道標準,X65對應(yīng)國內(nèi)L450低合金高強度碳素鋼)等級的鋼管。成品油干線采用Φ508 mm的API 5L X65等級的鋼管以及用Φ559 mm的API 5L X65等級的鋼管。管線中心埋深一般在 1.4～3.5 m 左右。根據(jù)沿途人口密度等人文條件,將管線途徑區(qū)域分為一級地區(qū)、二級地區(qū)和三級地區(qū)穿越了Ⅰ～Ⅲ級地區(qū)[14],其中一到四級等級劃分標準[15],如表2所示。分別對應(yīng)原油管道壁厚為16、14.2和11 mm,成品油壁厚為7.1、8.8和11 mm。

表2 地區(qū)等級劃分標準Table 2 Regional level classification standards

3.2 組合應(yīng)力分析

依據(jù)實際工程數(shù)據(jù)與第1.1節(jié)組合應(yīng)力計算過程,將管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)帶入到式(1)、式(2)和式(3)中,計算得到的連續(xù)焊接鋼管不同管徑和壁厚下的典型截面組合應(yīng)力結(jié)果見表3。根據(jù)表3中組合應(yīng)力值結(jié)合1.2節(jié)中三態(tài)破壞標準中管段不同等級破壞判斷標準得到圖1,成品油管線截面組合應(yīng)力由圖2和圖3所示。根據(jù)上述圖表,組合應(yīng)力值隨地震動峰值加速度增大而增大,峰值加速度在0.05～0.7 g時組合應(yīng)力大致呈線性增長,且連續(xù)焊接管道基本完好。峰值加速度在0.8 g時管段發(fā)生中等破壞。組合應(yīng)力在壁厚不同時隨地震動峰值加速度增長趨勢一致,且壁厚越厚,組合應(yīng)力值越小。

圖1 原油管線典型截面組合應(yīng)力Fig. 1 Combined stress of typical section of crude oil pipeline

圖2 成品油線管徑559 mm管段截面組合應(yīng)力 圖3 成品油線管徑509 mm管段截面組合應(yīng)力 Fig. 2 Combined stress of 559 mm pipe section of product oil line Fig. 3 Combined Stress of 509 mm Pipe Section of Product Oil Pipeline

表3 典型管段截面組合應(yīng)力值示例(MPa)Table 3 Example of combined stress value of typical pipe section (MPa)

表4 不同PGA下原油管線管段破壞泄漏處數(shù)Table 4 Number of damaged places under different PGA in each section of crude oil pipeline

3.3 輸油管線平均震害率與破壞處數(shù)

結(jié)合實際工程案例,將長距離原油和成品油管線按每100 km劃分,原油管線共劃分為12段,成品油管線劃分為11段。將3.2節(jié)中計算得到的組合應(yīng)力帶入到2.1節(jié)式(4)式(5)和式(6)和2.2節(jié)式(7)、式(8)和式(9)中來,分別計算了兩條管線峰值加速度為0.05～0.8 g下管線平均破壞率及破壞處數(shù)如圖4、圖5和表5所示。

圖4 原油管線平均震害率 圖5 成品油管線平均震害率 Fig. 4 Average seismic damage rate of crude oil pipeline Fig. 5 Average seismic damage rate of finished oil pipeline

表5 不同PGA下成品油線管段破壞泄露處數(shù)Table 5 Number of leakage points under different PGA in each section of product oil line

綜上可以發(fā)現(xiàn):當?shù)卣鸺铀俣确逯禐?.05、0.1、0.2、0.3、0.35、0.4和0.45 g時,各段輸油管線基本完好;當加速度峰值為0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75和0.8 g時,輸油管線各段發(fā)生不同程度破壞。

根據(jù)《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50470—2017)[9]的要求,管線設(shè)防標準采用兩個水準:第一水準為一般區(qū)段管線在50 a超越概率10%的基本設(shè)防地震作用下,滿足震后正常使用的性能要求;第二水準為所有區(qū)段管線在50 a超越概率2%的罕遇地震作用下,不發(fā)生破裂。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[16]所規(guī)定,遇地震動峰值加速度宜按不低于基本地震動峰值加速度 1/3 倍確定,罕遇地震動峰值加速度宜按基本地震動峰值加速度 1.6～2.3 倍確定,極罕遇地震動峰值加速度宜按基本地震動峰值加速度 2.7～3.2 。對于該工程,長輸管線途徑區(qū)域中最高設(shè)防烈度為9度,基本地震峰值加速度為0.20 g,則對應(yīng)的多遇地震動峰值加速度為0.07 g,罕遇地震動峰值加速度為0.32～0.46 g,極罕遇地震動峰值加速度為0.54～0.64 g。該工程在多遇地震動作用下管道不會發(fā)生破壞,基本無破損且功能基本正常;在罕遇地震動作用下,部分區(qū)段管線有部分可能發(fā)生輕微破壞,經(jīng)過維修后可以繼續(xù)運行;根據(jù)評估結(jié)果,該長輸天然氣管線滿足抗震設(shè)計要求。

總體上看:在同一加速度峰值下各段管線破壞程度相差不大,第1、5、8、10段管線的破壞相對較重。按照《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50251—2015)要求,第1、4、7、9段管線主要分布于在Ⅱ級地區(qū)和部分在Ⅰ級地區(qū),管壁厚度較薄。

4 總結(jié)

本文給出了典型長距離輸油管線的地震易損性分析方法。假定管道屈服強度、極限強度以及地震時所受的軸向組合應(yīng)力服從正態(tài)分布,計算得到典型輸油管道三態(tài)破壞等級的發(fā)生概率。進而分析管線平均震害率和破壞處數(shù)。結(jié)合國內(nèi)某實際工程分析給出了典型輸油管線地震易損性結(jié)果,討論了典型輸油管線的抗震性能,可為長距離輸油管線地震災(zāi)害風險評估工作參考。