典型長(zhǎng)距離輸油管線地震易損性評(píng)估

王靜宜, 郭恩棟, 閆培雷, 李長(zhǎng)宏, 吳厚禮

(1. 中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150080;2. 地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

石油是國(guó)家生存和發(fā)展不可或缺的戰(zhàn)略資源,對(duì)保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和國(guó)防安全有著不可替代的作用。長(zhǎng)距離輸油管線是運(yùn)輸原油以及成品油最為經(jīng)濟(jì)、高效、便捷的一種方式。截止2014年底,我國(guó)陸上原油管道約23000 km2,成品油管道約21000 km2。我國(guó)油氣管道建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn),形成了西油東調(diào)和北油南運(yùn)的輸油格局,擁有跨區(qū)域、廣覆蓋和多層次的長(zhǎng)距離的輸送網(wǎng)絡(luò)。與此同時(shí),我國(guó)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(yán)峻的地震安全威脅。長(zhǎng)距離輸油管線由于其距離長(zhǎng)和縱深廣等特點(diǎn),不可避免的途經(jīng)地震高發(fā)地帶,地震災(zāi)害對(duì)長(zhǎng)距離輸油管線造成的危害不可忽視。1976年唐山大地震時(shí),秦京輸油管線遭受了嚴(yán)重的破壞,管線途徑7度、8度和9度區(qū)的長(zhǎng)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(jì)損失,污染了大片農(nóng)田和河流。近年來,我國(guó)長(zhǎng)距離輸油管網(wǎng)規(guī)模不斷增加,地震對(duì)管網(wǎng)的威脅不容忽視。因此有必要對(duì)長(zhǎng)距離輸油管道的地震易損性進(jìn)行分析評(píng)估,為輸油管道工程地震災(zāi)害隱患排查提供支撐,確保長(zhǎng)距離輸油管道安全可靠的運(yùn)行。

對(duì)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(duì)此展開了研究。到70年代,日本學(xué)者就提出了反應(yīng)位移法,將管道簡(jiǎn)化為彈性地基梁,將地震波簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧波。王海波等通過邊界元法,得出管道埋深越淺,地震對(duì)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(fèi)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(cuò)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(jí)長(zhǎng)距離輸油管道視為一個(gè)整體,建立了不同等級(jí)管道對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)斷層位移危險(xiǎn)等級(jí)分析;YAN等[7]利用大型振動(dòng)臺(tái)對(duì)埋地長(zhǎng)距離管道進(jìn)行非均勻激勵(lì)實(shí)驗(yàn),證明非均勻地震激勵(lì)對(duì)管道應(yīng)變與位移影響很大,對(duì)地表加速度影響較小;劉建平等[8]提出了長(zhǎng)距離管線震害監(jiān)測(cè)重點(diǎn)在于為震后緊急救援提供決策依據(jù),而不是震前預(yù)報(bào),并介紹了長(zhǎng)距離輸油管道檢測(cè)技術(shù)在部分管線上的應(yīng)用。

本文長(zhǎng)距離輸油管道易損性評(píng)估是基于現(xiàn)有埋地管線震害研究為基礎(chǔ)。目前針對(duì)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(chǎng)地變形和土壤液化等方面。對(duì)于長(zhǎng)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(duì)于上百公里甚至上千公里長(zhǎng)距離輸油管道抗震性能的定量預(yù)測(cè)研究。本文通過計(jì)算不同地震動(dòng)加速度作用下連續(xù)焊接管段組合應(yīng)力值實(shí)現(xiàn)了對(duì)單根管段進(jìn)行三態(tài)破壞預(yù)測(cè),進(jìn)而得到每10 km長(zhǎng)距離輸油管線平均震害率和破壞處數(shù)。以此為依據(jù)對(duì)長(zhǎng)距離輸油管網(wǎng)進(jìn)行五態(tài)破壞預(yù)測(cè)和地震易損性分析評(píng)估,并結(jié)合實(shí)際工程案例進(jìn)行震害預(yù)測(cè)。對(duì)長(zhǎng)距離輸油管線地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(zhǎng)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(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于一般場(chǎng)地埋地管線震害破壞計(jì)算時(shí)一般假定管道處于理想狀態(tài),認(rèn)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(dǎo)致場(chǎng)地不同的點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)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(jì)算方法求得。

根據(jù)第三強(qiáng)度理論,即最大剪應(yīng)力強(qiáng)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(zhǔn)則對(duì)管道進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(qiáng)度;[σ2]為管材極限強(qiáng)度;?1和?2為調(diào)整系數(shù),本文中取0.8。

2 管線破壞等級(jí)劃分與震害預(yù)測(cè)

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(zhǎng)距離輸油管線破壞等級(jí)劃分

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

表1 長(zhǎng)距離輸油管線不同地震破壞等級(jí)對(duì)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(diǎn)且輸油量下降幅度小于10%,需要進(jìn)行管道維護(hù)。

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(dá)30%,需要進(jìn)行管道維修。

嚴(yán)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(jìn)行大修后才能恢復(fù)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(yán)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(shí)沿管段長(zhǎng)度L(km),震害發(fā)生是隨機(jī)獨(dú)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(zhǎng)度范圍內(nèi),假設(shè)管線由n個(gè)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(zhǎng)度。進(jìn)一步可得管線在該長(zhǎng)度范圍內(nèi)平均震害率λ*(處/10 km)為:

(9)

長(zhǎng)距離埋地管線地震易損性是預(yù)測(cè)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(duì)于長(zhǎng)距離輸油管線并沒有切實(shí)可行的表征方法。針對(duì)長(zhǎng)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(duì)進(jìn)行地震易損性的預(yù)測(cè)和評(píng)估。

3 實(shí)例分析

3.1 工程簡(jiǎn)介

本文以國(guó)內(nèi)某實(shí)際運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)距離同溝鋪設(shè)原油、成品油管線為例進(jìn)行地震易損性分析。管線總長(zhǎng)一千多公里,由一萬余個(gè)管段焊接而成。管線總長(zhǎng)較長(zhǎng),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(fù)雜。

原油干線采用Φ813 mm的API 5L X65(API 5L為美國(guó)石油協(xié)會(huì)管道標(biāo)準(zhǔn),X65對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)L450低合金高強(qiáng)度碳素鋼)等級(jí)的鋼管。成品油干線采用Φ508 mm的API 5L X65等級(jí)的鋼管以及用Φ559 mm的API 5L X65等級(jí)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(jí)地區(qū)、二級(jí)地區(qū)和三級(jí)地區(qū)穿越了Ⅰ～Ⅲ級(jí)地區(qū)[14],其中一到四級(jí)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[15],如表2所示。分別對(duì)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(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Regional level classification standards

3.2 組合應(yīng)力分析

依據(jù)實(shí)際工程數(shù)據(jù)與第1.1節(jié)組合應(yīng)力計(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)中管段不同等級(jí)破壞判斷標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)峰值加速度增大而增大,峰值加速度在0.05～0.7 g時(shí)組合應(yīng)力大致呈線性增長(zhǎng),且連續(xù)焊接管道基本完好。峰值加速度在0.8 g時(shí)管段發(fā)生中等破壞。組合應(yīng)力在壁厚不同時(shí)隨地震動(dòng)峰值加速度增長(zhǎng)趨勢(shì)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(shí)際工程案例,將長(zhǎng)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(jì)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(jì)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(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯禐?.05、0.1、0.2、0.3、0.35、0.4和0.45 g時(shí),各段輸油管線基本完好;當(dāng)加速度峰值為0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75和0.8 g時(shí),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(biāo)準(zhǔn)采用兩個(gè)水準(zhǔn):第一水準(zhǔn)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(zhǔn)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(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[16]所規(guī)定,遇地震動(dòng)峰值加速度宜按不低于基本地震動(dòng)峰值加速度 1/3 倍確定,罕遇地震動(dòng)峰值加速度宜按基本地震動(dòng)峰值加速度 1.6～2.3 倍確定,極罕遇地震動(dòng)峰值加速度宜按基本地震動(dòng)峰值加速度 2.7～3.2 。對(duì)于該工程,長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的多遇地震動(dòng)峰值加速度為0.07 g,罕遇地震動(dòng)峰值加速度為0.32～0.46 g,極罕遇地震動(dòng)峰值加速度為0.54～0.64 g。該工程在多遇地震動(dòng)作用下管道不會(huì)發(fā)生破壞,基本無破損且功能基本正常;在罕遇地震動(dòng)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(yùn)行;根據(jù)評(píng)估結(jié)果,該長(zhǎng)輸天然氣管線滿足抗震設(shè)計(jì)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(duì)較重。按照《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50251—2015)要求,第1、4、7、9段管線主要分布于在Ⅱ級(jí)地區(qū)和部分在Ⅰ級(jí)地區(qū),管壁厚度較薄。

4 總結(jié)

本文給出了典型長(zhǎng)距離輸油管線的地震易損性分析方法。假定管道屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度以及地震時(shí)所受的軸向組合應(yīng)力服從正態(tài)分布,計(jì)算得到典型輸油管道三態(tài)破壞等級(jí)的發(fā)生概率。進(jìn)而分析管線平均震害率和破壞處數(shù)。結(jié)合國(guó)內(nèi)某實(shí)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(zhǎng)距離輸油管線地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作參考。