(新)浅析管道抗震安全性评价方法和措施.doc

吉林大学远程教育本科生毕业论文（设计） 中文题 工程索赔管理探讨 学生姓名 王 娟 专业 土木工程 层次年级 2007春专升本 学号 207313106020101 指导教师 胡忠君 职称 讲师 学习中心 长春涉外 成绩 2009年 7 月 1 日 摘 要地震波影响的区域要比永久性地土移动所发生的区域广，破坏管道系统薄弱部分的可能性大；但是永久性地土移动比地震波产生的后果要严重得多。由地震引起的大规模永久性地土移动，如地表断裂、沙土液化、塌方等对长输管道的损坏最为严重。从管道损伤的角度来评价损坏的原因；对于规定地震危险等级和工程设施的定点都很重要。抗震安全性评价的依据是管道沿线的地震危险性、地震动影响、地震地质灾害危险性和管道各站工程结构物、设备、管道的基本情况，综合这些基本资料，对长达数百乃至数千公里的管道不可能逐点全线评价，而应该选择典型管段， 包括大型穿跨越，一般跨越和一般场地管段，跨断层、跨液化区管段等， 进行典型分析，对各种站内的建筑物、构筑物、设备、设施逐一进行评价。以四川石油管理局管辖的输气长输管道的抗震安全性评价为例说明了评价这种长大管线的方法 及对各种薄弱环节应采取的抗震措施，所提出的方法和措施对其它管线的抗震问题有借鉴意义。关键词：地震 灾害 输油管道 管道抗震吉林大学远程教育2010届本科生毕业设计（论文）目 录前言 1第一章2 1.1 61.1.1 71.1.2 9第二章62.1 62.1.1 72.1.2 92.2 112.1.2112.1.212第三章 133.1133.1.1153.1.217结论 19参考文献 20致谢 21吉林大学远程教育2010届本科生毕业设计（论文）前言地震是突发式自然灾害，破坏性地震顷刻间就会使一座正常运转的城市瘫痪。尤其是近年来随着经济的飞速发展，城市规模迅速增大，高度的城市化的特点，使城市遭受地震引起的危害性大大增加。美国的北岭地震、日本的阪神地震都对城市造成了严重的破坏，这就使各个国家更加重视对城市抗震防震的研究。而城市防震工作的重点之一就是保障生命线工程系统的安全。生命线工程，如能源、交通、供水、供气等设施必须具备很强的抗震能力，特别是输油、输气管道的抗震能力尤为重要，它的破坏会引起火灾和爆炸。因此如何提高管道抗震能力就成为一个非常重要的课题。吉林大学远程教育2010届本科生毕业设计（论文）第一章 地震灾害对长输管道的影响1.1 地震的危害性地震所产生的危害，是由行进的地震波和永久性的地土变形而引起的。地震波所能影响的区域要比永久性的地土移动发生区域大，破坏管道系统薄弱部分的可能性大。而永久性的地土移动比地震波形成的最大地表变位的后果要严重，它常常造成严重的灾难性破坏。在地震时，永久性的地土移动对地下管道和其它管道造成的最大扭曲，可以看作是地震中最严重的破坏形式。地震波对地下管道产生拉伸作用，但是由此动力激发的惯性效应极小，对管材的屈服点或断裂界限值的构成只占很小的比例。一些遭受腐蚀或焊接质量差的薄弱管段受到过地震波的破坏，而按照当代技术规程和质量控制建设的连续环缝焊接钢管在发生地震中几乎没受到破坏。大规模永久性地土移动，如地表断裂、土壤液化、滑坡对管道的损坏最为严重。1.1.1 地表断裂地表断裂是最显著的一种地动形式，主要原因是因为地表断裂运动给人留下深刻印象，并且一直是许多图表和报告的主题。其实地表断裂相对很少发生，地震等级不到里氏6级，不会产生地表断裂现象；地表断裂位移大到足以使管道损坏，一般地震等级要达到665级。1.1.2 沙土液化通常，对于地下管道，沙土发生液化诱发的地土移动对管道危害最大。流滑事故指完全液化的沙土位移，通常发生在坡度大于5的疏松的、饱和沙土中。侧向扩展指由于下层沙土液化致使表面的土体产生水平运动。最大的位移通常为若干英尺，有时还可以出现在倾斜度0510的缓坡上。沿着侧向扩展的边缘，地土的变形形式趋向于在法线方向和平移断层处反叠。在美国的中西部和东部，对地震问题来说主要关注的是沙土液化。为了减少沙土液化的危害，工程措施要求：(1)评价现场沙土液化的敏感性；(2)评估地土移动的形式和因沙土液化导致的地土破坏。1.1.3 塌方较深的滑移，使大面积的地土移动和发生翻转，造成大灾难并影响大片区域。麦迪逊峡谷的滑坡是因为1959年赫希根湖发生的地震引起的，它致使2800x 104m3以上的岩石和土体滑动。另一个较大的地面滑动发生在1 964年阿拉斯加地震，导致特纳盖恩峰和安克雷奇市的地面滑动。发生强烈的地面滑动事故，管道不受损伤是不可能的。根据上述情况，为了保护管道，最好加固坡或把管道安装在滑动区域以外的地方。因为加固坡不经济，尤其是在边远地区，因此，重点应放在辨明塌方区并避开该区域。1.1.4 土体增密地震时的土体增密，是因循环剪切应变使得无内聚力材料的体积变小，使地面下沉和土体沿边界陷落。此种场合下潜在危险最大的地点位于相对坚硬区和相邻填充区的交界处。比如管道穿过桥墩、泵站以及油罐的连接处。1.1.5 构造上升和下沉这种区域性海拔高程的变化分布较大，因此地下管道的局部变形并不严重。但如果使地下管道下降到水源附近就有可能出现问题，如管道受到腐蚀和局部受到冲刷。1.2 管道的作用管道运输是能源输送的主要手段管道在现代化的工业生产和人们生活中占有相当重要的位置，其在输送水、油、气、煤以及通信、供电、交通、运输和排水等方面得到了广泛的应用，成为现代工业和城镇生活的大动脉，因而被称为生命线工程随着对能源、尤其是天然气等洁净能源需求量的增加，随着我国经济发展逐渐融入世界经济大潮的需要，天然气长距离输气干线和输配系统的建设已引起国家的高度重视。“十五” 期间， 我国建成投产了西气东输工程、陕京输气管道工程、涩宁兰输气管道工程、兰成渝输油管道工程等一大批生命线工程。长达4200多公里，跨越8个省区的“西气东输”工程将使西部燃气资源成为新的经济增长点，变西部资源优势为市场优势的重要举措。据悉，“十一五”期间，石油天然气行业还将有一大批管道和储气库工程开工建设。1.3 地震对管道的影响1.3.1 1964年阿拉斯加地震1964年阿拉斯加发生地震时，地下管道系统遭受到地震引起的沙土液化、地土滑移、地面升降的损害。安克雷奇市附近的塌方破坏了储油罐，1 200 t柴油溢流遍地。在国家医院附近，由于发生地土滑移使石油储罐破坏和高压输气干线破裂，安克雷奇市配气系统破裂了约200处。1964年阿拉斯加的地震说明，如果管道避开地土变形大的区域则几乎不会受损。从基奈半岛到尼克山的29 km原油管道没有受到损坏，从海恩思到费尔班克思的11O0 km 军用成品油管道也没有受到损坏。1.3.2 1971年圣费尔南多地震1971年发生的地震使各种管道破裂总数超过1400处，圣费尔南多市的水、气、污水等管道全部停用。虽然地震产生的地表断层位移面积仅占强地震影响区面积的1200。强地震区管道破裂的25 5O 发生在横断层上和横断层附近。此外，地震引发了1 000处地土滑移，使输水管道和输气管道受损。观察到大约15 m 的纵向位移，在一专用通道西面的最大纵向位移大约不到02 m，沿一过滤厂南北方向测得最大水平位移约05 m。在专用通道中的大部管道没有受到损坏，包括南加里福尼亚天然气公司运营的三条管道和美孚石油总公司运营的一条管道。1.3.3 1976年危地马拉地震1976年在洪都拉斯地区发生的地震，使当地的炼油厂的设备受到了影响。由于地面的颤动，使建筑物和储油罐受到损坏，由于沙土液化，造成当地的管道和码头设施受到损坏。有一处土体在1O0200 m范围上移动了0.6m，采用现代化工艺施工的直径为450 mm 的原油管道受到拉伸变形，但管道没有破裂漏油。1.3.4 1987年厄瓜多尔地震管道受到永久性地土移动损坏的最鲜明的例子，要数在1987年厄瓜多尔发生的地震对横贯厄瓜多尔的一条直径为660 mm的管道的损坏了。该管道大约有40 km受到地震的损坏，在历史上这是最大的单一管道受损长度。该管道受损6个月时间，使国家损失60 的出口收入，停止出口的损失和重修该管道耗资总共约85亿美元。地面颤动最强区域内的管道材料是X一6O级钢，壁厚95 mm。大多数损坏的是地面管道均架在H形支撑桩或支撑在混凝土马鞍形管墩上。震动对管道影响有限，但永久性地土移动的影响不仅严重而且范围大。塌方、泥石流和洪水的冲刷，是管道损坏的主要原因。大量的地震灾害表明，地震不仅直接破坏生命线工程的正常使用功能，而且还可能产生严重的次生灾害(如火灾、爆炸等)，致使城市和工矿企业处于瘫痪状态，其经济损失和人员伤亡常常是很严重的因此，生命线地震工程倍受世界各国的关注，国内外学者在此方面作了大量研究工作目前，现有理论主要认为地上管线的破坏是由于支撑环境的破坏，包括管道与支撑连接件的破坏，或者支撑结构之间大的相对运动所引起的破坏等地震作用通过管架传递给管道，并沿着地震波作用方向振动。因此，进行抗震计算时一般将长输地上管道视为环形截面的多跨梁来研究，计算出管道自身及支撑结构沿着横向和纵向地震作用的近似值地下管线的破坏或严重变形主要是由于地震引起的断层运动、滑坡、或者是由于地层的沉陷和液化，以及岩石、硬土、软土之间断裂面的相对运动引起的地下管线的抗震计算主要有两种方法，一种方法是根据地下建筑物抗震动力理论来研究与土相互作用的管线振动，该理论基于把管线周围的土体在地震时的运动看成是变强度的行波，它只研究与土中管线振动有关的过程而不考虑振动土体的体积这样，地震时地下管线工作条件的研究就归结为求解在相应初始条件及边界条件下的线性或非线性偏微分方程的问题，而未考虑到地震时土壤的运动规律另一种方法则与管道周围土介质地震应力一应变状态的研究及由土介质向管道所传递的动力特性有关，即管道的损伤和破坏与土介质沿管道纵轴的变形(压一拉)有关在这种情况下，理论上将地震作用看成拟静态作用，其中方向与管线纵轴一致的地震波作用所引起的管线破坏或损伤是最常遇到的情况。第二章管道抗震安全性评价方法我国长输管道遍及全国，这些管道一般可以分为二大类，一类是输油管道， 另一类是输气管道，其中很多管道未经抗震设计管线总长达数千公里。有的跨越江、河 有的穿过山地、平原，所过之处地形地貌、工程地质、工程水文、地震活动性等方面均有很大的差异。每条管道由各种工程设施构成 以输气管道为倒，有总站、输气站、配气站、防腐站、输气管线等。管道结构型式不一，类型复杂 有穿越管道、跨越管道、埋地管道，地面管道等等。这些工程的特点是：地质、地貌复杂，地震动参数变化大，危及生产安全的活动断裂发育，抗震设计应考虑的因素比较多。按照中华人民共和国防震减灾法规定，这些工程都必须在建设之前进行地震安全性评价，设计单位按评价结果提供的参数进行抗震设计。如何对整个管道进行抗震安全性评价， 国内外均无统一的模式，经过四川石油管理局和国家地震局工程力学研究所、四川地震局的合作，首次对四川石油管理局所辖输气干线进行了抗震安全性评价，发现了干线中的抗震薄弱环节， 提出了工程措施，取得了很有借鉴意义的成果和巨大经济效益。对这一工作进行恰当的总结，提炼出基本的方法和认识对全国长输管线的抗震安全性评价工作有指导意义。2.1 评价工作计划安排抗震安全性评价的依据是管道沿线的地震危险性、地震动影响、地震地质灾害危险性和管道各站工程结构物、设备、管道的基本情况，综合这些基本资料，对长达数百乃至数千公里的管道不可能逐点全线评价，而应该选择典型管段， 包括大型穿跨越，一般跨越和一般场地管段，跨断层 跨液化区管段等进行典型分折，对各种站内的建筑物、构筑物、设备、设施可逐一进行评价。2.1.1 收集，分析管道基本概况资料管道走向图。图中标有管道沿线的地理状况(道路、村庄、河流等)，站的分布，管道走向，穿、跨越位置等;管道建设的基本资料。各站建筑物、设施概况 建设年代、管材、工艺要求、功能状况等等;管道运行过程中，有关事故、维修、改造、投资花费等情况;管道沿线的地震、地震地质概况资料，包括沿线烈度、地形地貌、地质状况、历史震害以及其它灾害资料。2.1.2 评价工作和技术途径综合分析这些资料后，兼顾工作费用多少，提出评价工作的具体内容及技术途径，比如四川石油管理局经过近四十年的天然气勘探、开发建设，已成为全国最大的天然气工业生产基地。其输气干线不断发展延伸，形成了南、北半环输气网，全长共lOOO多km,沿线建成输气站、配气站、防腐站计百余座，穿越、跨越大、中型江(河)几十处，担负着四川省的沪天化、川化 云南省的云天化，贵州省的赤天化等四大化肥厂，和四川省八市三十二个县直供用户的供气任务，年输气量达30多亿m3 ，是川、滇、黔三省能源、化工原料供给的骨干工程，西南地区国民经济发展的生命线。在管线穿过的区域内，地震烈度七度区沿管线达120多km，6度区达l000多km，6度区以下有200多km ，有些区域地震活动频繁，地震地质条件复杂，对所辖管线，没有做过抗震安全评价。2.2 管道抗震安全性评价方法管道抗震安全性评价是在地震地质灾害评价的基础上进行的， 一般可分为：一般场地管道、一般穿跨越管道、穿过断层管道、穿越液化区管道、大穿越管道， 大跨越管道，配气站建筑物、设备抗震鉴定等几个方面。现就各项的具体评价方法做一简单介绍。3.2.1 一般场地管道评价方法一般场地指没有地震地质灾害的场地。管道的破坏是由于强地震波动造成的，除了地震动的强烈程度以外，还与管线所在的场地条件、管线的材料 接口方式、管道的直径、壁厚等因素有关。根据以往的震害经验得知，地面位移越太，管道破坏越严重，一般软弱地基比基岩地基中的埋设管线震害严重；围管抗震性能要比其它管材为好，管道越细抗震性能越差。埋地钢管的结构形式均为焊接连续管道，计算分析中主要以应力值做为预测量。预测中除了强震地震波造成的管应力外，还叠加了管内介质压力造成的应力、温度应力以及埋深上静压等因素产生的应力，最终以组合应力作为判断指标 在计算分析中考虑到管线敷设时间的长短，以及由于腐蚀造成的壁厚变化带来的影响。计算也应包括直管道、弯曲管道以及三通等接头。管段震害状况可划分为三级：基本完好：管道无破损 无渗漏，无须修复即可正常运行，中等破坏：管道将发生较大变形或屈曲，或有轻度破坏、渗漏， 须采取修复措施才能正常运行，破坏：管道破裂、漏气必须更换管道。管段震害等级的划分以及判断标准是总结唐山、海城以及国外地震管道破坏的实例结果，统计分析得到的。2.2.2 一般穿跨越管道评价方法本节的目的在于讨论非大型穿、跨越管线的抗震安全性。由于穿、跨越管线的评价方法不同，以下分别进行论述：穿越管线评价方法讨论的是非大型的穿越管线，河水较浅，水流不急，管线均为河底沟埋敷设，且上压重物或重块并用卵石填埋。在评价其抗震安全性时，考虑强震地震波、内压、水深和重物压力以及地震时液化形成的不均匀沉陷等因素造成的压力。穿越管线均为焊接连续直管线，计算分析中以应力值作为预测量，同时考虑由于腐蚀造成的壁厚减少带来的影响。腐蚀速率按实测结果取用。管线的破坏状态分为三级，即基本完好、中等破坏，破坏。跨越管线的评价方法的抗震安全性评价，应考虑内压、温差、风载和地震荷载的组合作用。跨越管线均为焊接连续管道，两岸端为固定支撑 外型多为梯型或拱形。四川管线选择了3段跨越，评价其在7，89度地震时的破坏程度 管段的震害程度分为3 级分级准则和一般场地管道相同。在评价跨越管线的抗震安全性时，首先应判断在地震时河床两岸是否会发生向河心的滑移。一般情况下，当河水较深，河岸坡度较陡，且河岸有软塑性土层存在或者有液化可能时，易发生滑坡，否则不会发生滑坡；当发生滑坡时，固定墩体会被滑动土体推向河心滑动将造成较大的管线内应力，使管道破坏。2.2.3 穿越断层区管线评价方法当地下管道与活动断层相交时，地震时的地表断裂运动或断层蠕动会使管道产生纵向应变和横向变形。管道受拉超过极限应变时会发生断裂破坏，而受压时会由于薄壳失稳产生屈服破坏。如1976年的唐山大地震， 秦皇岛至北京共有四条输油管道都在管道与断层相交部位破坏，1971年圣赛尔南多地震，使加里福尼亚州圣费尔南多山谷的地下输气管道和给排水管道遭受重大破坏，共发生450处断裂，平均每km2.4处，其一中一条长10 km 直径406mm的输气钢管道竟有52处破坏,这些破坏几乎都和地面断裂或地面永久变形有关。抗断层运动的计算包括计算管道本身受拉时允许的长度变化量L1 和受压缩时允许的长度变化量Lc，然后再计算出断层错动将引起管道长度的变化量L，最后比较L和L1 以及L和Lc 的大小，得出安全性的结论。2.2.4 穿越液化场地管道的评价方法液化引起的场地破坏形式不同，对管线的影响不同，分析的方法也不同。如果管线所在的土层不会发生液化，但下卧砂层发生液化，这种情况会使震后砂土层中孔隙水压消散引起场地沉陷， 对管线造成危害。 据此应进行液化引起沉陷的管线分析。即计算由于土层沉陷产生的管中应力，如果管线恰恰位于液化砂土层中，则液化发生时，管线将受到上浮作用，这时应进行液化下的管道应力分析。国家地震局工程力学研究所有关于沉陷作用以及液化作用时管道的分析方法和程序，可作为分析使用。2.2.5 大型穿越管线评价方法较早设计的大型穿越管道一般采用沟埋敷设，如1967年5月建成的二龙口长江管线管身结构为4268(20号钢)，外套296(16Mn)mm 的复壁管， 复壁管长度为527m，以保护及加重主管用，两管环形空间灌注水泥浆用以克服管线在水中的浮力。近岸水下管段为浅埋敷设。水下裸露管道采用铁丝石笼，在垂直于管线上下游紧密排列预压，或紧密排列横压管线上部。河漫滩管道采用浅沟埋设，先用粘上覆盖管线、夯实，然后用粒径大干30cm的卵石或块石回填。该段穿越自建成以来 进行多次潜水探测和加固维护处理 虽然潜水检测设备不够完善，检测数据不够准确，但对水下管道设施状况的定性描述是可靠的。多次潜水探测未发现管段悬空状况，但发现石笼锈、腐蚀严重，部分石笼解体，主流区部分外套管撕裂成锯齿形，灌注水泥磨失主管裸露。对这样的沟埋管道安全性评价应做三个方面的分析：水下管段的屈服分析水下管体的稳定性评价和由于液化产生的管道变形应力。在做分析时，应考虑到管道的实际情况，近一些年来 大型穿越管道一般采用钻进穿过的施工方法管道在江底深部土层中穿过，它时抗震安全性评价问题有待进一步研究。2.2.6 大型跨越管道评价方法目前，国内的大型跨越管道多采用悬索管桥或斜拉管桥的结构型式，大者长达几百m ，如涪江跨越，于1983年4月13日竣工，18日投人正常输气 该工程采用双塔斜拉结构形式，塔高50m 主跨320m，两边跨各150 m，全长620m；输气管采用直径720mm的钢管，管壁厚14mm；斜拉索采用镀锌钢丝绳，拉索以索塔为对称轴，每边各设8对威扇形排列，拉索直径由45变化到25.5。设计中考虑到管道的稳定性， 采用了双轴拉索，支承位索的钢塔采用再生腹杆锥形塔架，构件连接均为焊接。对这种大型跨越，评价可分两大部分：一是评价塔架和锚固墩基础的抗震稳定性二是评价塔架、拉索和管线的抗震安全性，涪江跨越斜拉管桥结构由桥塔、拉索和管线组成。构成桥塔的桁架结构可以用等效的变截面空间粱替代，从而可提高整体动力分析程序的效率，输气管道用空间管梁模拟，将拉索看成只受拉而不承压的元件，并考虑其几何非线性影响，这样可以把跨越涪江的斜拉管桥结构处理成空间体系结构，用空间体系有限元的方法进行分析计算。分析时不仅要考虑到地震力，还要组合风力及其它管线荷载，大型跨越是大几何变形的结构。就管道而言又是十分柔性的结构，所以它的动力分析方法和减振措施还有待深入研究。第三章 管道抗震措施3.1 埋地管道抗震措施管道腐蚀是影响管道安全性的重要问题， 对使用年代已久的管线， 需按有关规定做定期检查， 如发现腐蚀严重地段应进行更新改造，以防灾害的发生，今后新建管线要加强防腐措施，尽量减小腐蚀速率， 延长管线使用寿命。在敷设建造时，最好对浅埋管道并用疏松、中等容重的上回填， 这样可以提高管道抗震能力。埋地管线应尽量避免急转弯， 以使用大曲率半径的弯曲为宜。T型接头是管道中的薄弱环节，应采用延性较高的管材或者增加接头管的壁厚， 最好不要用填土直接填埋，而砌筑人孔口，在管道穿过人孔口壁处留一定孔隙， 并用减振材料填塞，使震动发生时能减小T型接头处的应力集中3.2 跨越断层管道浅埋管道适应断层运动的能力和埋深成反比，浅埋可以使作用在管子上层压力的纵向摩擦力减小， 管子在地震时容易变形，不易破坏， 对可能产生大的位移错动断层的管道，可砌筑管沟， 且使管子在沟内能自由地作横向和纵向运动。在活断层区地下铺设的管道埋深最好不超过10米，提高管材的延性。材料的延伸率越高，允许的拉伸应变值就越大。压缩许用应变与管壁厚度成正比，因而采用钢号低(延性大)的厚壁管道最好。还要注意现场焊接的焊缝质量，避免由于壁厚突然变化引起应力集中。 正确选择断层平面与管轴之间的夹角。使管线在断层运动时受拉。避免受压，这是因为管材的耐拉伸性能优于耐压缩性能。正确选择管道穿越断层的位置。断层位移的太小和断裂带宽度在一条断层上并不相同，应尽可能根据有关资料查找断层位移和断裂带宽度最小的地方埋设管道。由于断层线附近地表运动十分复杂，形成宽度不一的错乱地带，管道铺设方向不得与断层线并行。管道适应断层运动的能力与管土之间的摩擦系数及回填土的容重成反比，因而应选取和尽量低的土做回填土。管道适应断层运动的能力与壁厚成正比， 例如壁厚为14mm的管子比壁厚为lOmm的管子适应断层运动的能力大40 。太口径(760mm以上)的油气管道穿越断层区时应采用壁厚不小于l2mm 的管材。实际锚固点即固定墩的位置应远离断层，使管线有足够的滑动长度提供管线允许错动位移，同时也可避免由于断层横向错动将管子剪断。弯头能吸收一部分过渡段的位移，且弯头的曲率半径越太， 吸收变形的能力越强，因而有条件时可在过渡段内设弯头。3.3 穿过液化区的管道合理选择管线走向，在允许的条件下，尽量避开液化区， 当必须通过液化区时，应选择强度极限高的管材，且增大管子的壁厚，以减少管应力。尽量浅埋管线，且用疏松、较轻容重的土回填。 以减小土的弹簧常数， 进而减小管应力。可能的情况下，可将管线地上敷设，管线自由放