4-5a高压燃气管道抗震设计

1、高压燃气管道抗震设计姜东琪中国市政工程华北设计研究总院煤气与热力杂志社1 抗震标准规范GB 504702008 油气输送管道线路工程抗震技术规范GB 183062001 中国地震动参数区划图GB/T 177422008 中国地震烈度表GB 177412005 工程场地地震安全性评价GB 505682010 油气田及管道岩土工程勘察规范GB 500112010 建筑抗震设计规范2 相关基础内容（1） 吉林省抗震设防烈度和设计基本地震加速度概况抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g：前郭尔罗斯，松原。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g：大

2、安。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g：长春（6个市辖区），吉林（除丰满外的3个市辖区），白城，乾安，舒兰，九台，永吉。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g：四平（2个市辖区），辽源（2个市辖区），镇赉，洮南，延吉，汪清，图们，珲春，龙井，和龙，安图，蚊河，桦甸，梨树，磐石，东丰，辉南，梅河口，东辽，榆树，靖宇，抚松，长岭，通榆，德惠，农安，伊通，公主岭，扶余，丰满。2 相关基础内容（2） 地质年代简表表1 地质年代简表2 相关基础内容在表1中，全新世（10000年前至现在）是最年轻的地质年代。这一时期形成的地层称为全新统，它覆盖于所有地层之上。全新世是185

3、0年P. 热尔韦提出的，并被1885年国际地质大会正式通过。全新世时间短，沉积物厚度小，但分布范围广。2 相关基础内容（3）地震波地震波按传播方式分为3种类型：纵波、横波和面波。纵波是推进波，在地壳中传播速度为5.57.0 km/s，最先到达震中，又称P波(Pprimary,第一的)，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波，在地壳中的传播速度为3.24.0 km/s，第二个到达震中，又称S波(Ssecond,第二的)，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波又称L波(Llast,最后的)，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大，振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物等

4、强烈破坏的主要因素。3 剪切波速剪切波速是土层的性质参数之一。剪切波速指震动横波在土层内的传播速度，单位是m/s。对重要区段，采用测量法获取剪切波速。每段用于测量土层剪切波速的钻孔数量不宜少于2个，数据变化较大时可适量增加。测量方法是通过人为激振的方法产生振动波，在相隔一定距离处记录振动信号到达时间，以确定横波在土层内的传播速度。一般有单孔法、跨孔法等，单孔法测量方法见图1。3 剪切波速图1 单孔法测量剪切波速3 剪切波速对一般区段，当无实测剪切波速时，可按照GB 504702008的表5.2.2由土的类型确定剪切波速范围，见表2。由剪切波速范围，结合土的具体性状，进而确定剪切波速。 表2 土

5、的类型划分和剪切波速范围4 管道场地覆盖层厚度管道场地覆盖层厚度是确定等效剪切波速的基础参数。管道场地覆盖层厚度和管道场地土层的等效剪切波速决定了管道的场地类别。按照GB 504702008，管道场地覆盖层厚度应符合下列规定：（1） 一般情况下，应按地面至剪切波速500 m/s的土层顶面的距离确定。4 管道场地覆盖层厚度（2） 当地面5 m以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速2.5倍的土层，且其下卧岩土的剪切波速（该土层的剪切波速）均不小于400m/s时，可按地面至该土层顶面的距离确定。例：对场地1和场地2，管道场地覆盖层厚度均为7m。 地 面 地 面 场地1 场地24m厚, Vs=80 m

6、/s3m厚, Vs=300 m/s6m厚, Vs=530 m/s4m厚, Vs=80 m/s3m厚, Vs=100 m/s6m厚, Vs=420 m/s4 管道场地覆盖层厚度（3） 剪切波速500 m/s的孤石、透镜体，应视同周围土层。 （透镜体：泛指形似透镜状分布的砂层或岩体。它中间厚周边薄，且被非渗透岩层封闭，如有烃源条件，则可能形成岩性油气藏。）（4） 土层中的火山岩硬夹层应视为刚体，其厚度应从覆盖土层中扣除。5 等效剪切波速管道场地土层的等效剪切波速和管道场地覆盖层厚度决定了场地类别。按照GB 504702008，管道场地土层的等效剪切波速应按下列公式计算：5 等效剪切波速Vse=d/

7、td=min覆盖层厚度，20 m式中 Vse场地土层的等效剪切波速，m/s d场地土层计算深度，m t剪切波在地面至计算深度之间的传播时间，s di场地土层计算深度范围内第i土层的厚度，m Vsi场地土层计算深度范围内第i土层的剪切波速，m/s n场地土层计算深度范围内土层的分层数例：上述场地1的等效剪切波速为117 m/s，场地2的等效剪切波速为87.5m/s。6 管道场地类别的确定管道的场地类别，应按照GB 504702008的表5.2.5，由土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度确定，见表3。 表3 各类管道场地覆盖层厚度（m）等效剪切波速（m/s）场 地 类 别类类类IV类Vse500025

8、0Vse50055140Vse25050Vse140806 管道场地类别的确定将GB 504702008 油气输送管道线路工程抗震技术规范的表5.2.5与GB 183062001中国地震动参数区划图的表C1相对照，得到GB 504702008的场地类别与GB 183062001的场地类型的关系，见表4。 表4 GB 50470与GB 18306场地类别（类型）划分对照例：上述场地1、场地2均属于GB 504702008中的类场地类别，对应GB 183062001中的中硬场地类型。标准编号场地类别（类型）划分GB 504702008类类类IV类GB 183062001坚硬中硬中软软弱7 地震动反

9、应谱特征周期GB 183062001中国地震动参数区划图中，附录B中国地震动反应谱特征周期区划图的场地条件为平坦稳定的一般（中硬）场地。管道抗震计算中，按下列步骤确定特征周期：（1） 在中国地震动反应谱特征周期区划图中查得管道场地所处的特征周期分区1区（特征周期为0.35 s）、2区（特征周期为0.40 s）、3区（特征周期为0.45 s）这三者之一。（2） 按照GB 504702008，由土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度确定管道的场地类别。按表4查得GB 183062001中对应的场地类型。（3） 由特征周期分区、场地类型，查GB 183062001的表C1（中国地震动反应谱特征周期调整表）

10、，得到地震动反应谱特征周期。7 地震动反应谱特征周期表C1 中国地震动反应谱特征周期调整表（自GB 183062001）特征周期分区场 地 类 型 划 分坚 硬中 硬中 软软 弱1区0.250.350.450.652区0.300.400.550.753区0.350.450.650.908 地震烈度中国按12个烈度等级划分烈度表，它主要根据人的感觉、房屋震害、其他震害现象、水平向地震动参数划分的。地震烈度的现行国家标准是GB/T 177422008中国地震烈度表。根据GB/T 177422008的表1，选取和补充相关内容，形成地震烈度分析表，见表5。表5 地震烈度分析表地震烈度人的感觉对比栏水平

11、向地震动参数峰值加速度（m2/s）峰值速度（m/s）无感室内个别静止中的人有感觉内少数静止中的人有感觉IV室内多数人、室外少数人有感觉，少数人梦中惊醒V室内绝大多数、室外多数人有感觉，多数人梦中惊醒0.03g =0.294 m2/s0.31（0.220.44）0.03（0.020.04）多数人站立不稳，少数人惊逃户外0.05g =0.49 m2/s0.63（0.450.89）0.06（0.050.09）大多数人惊逃户外，骑自行车的人有感觉，行驶中的汽车驾乘人员有感觉0.1g =0.98 m2/s0.15g =1.47 m2/s1.25（0.901.77）0.13（0.100.18）多数人摇晃颠

12、簸，行走困难0.2g =1.96 m2/s0.3g =2.94 m2/s2.50（1.783.53）0.25（0.190.35）行动的人摔倒0.4g =3.92 m2/s5.00（3.547.07）0.50（0.360.71）X骑自行车的人会摔倒，处不稳状态的人会摔离原地，有抛起感10.00（7.0814.14）1.00（0.721.41）注：表中给出的“峰值加速度”和“峰值速度”是参考值，括弧内给出的是变动范围。9 地震动参数地震动参数包括地震动峰值加速度、地震动反应谱特征周期、地震动峰值速度等。地震动峰值加速度从GB 183062001的图A1（中国地震动峰值加速度区划图）中查得。地震动反

13、应谱特征周期查GB 183062001的图B1中国地震动反应谱特征周期区划图，再结合管道场地类别（由土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度确定），按GB 183062001的表C1确定。在抗震计算估算时，如果资料不齐，水平向地震动峰值速度可暂按GB/T 177422008 中国地震烈度表的表1，基于地震动峰值加速度取值。10 地震动峰值加速度a对抗震设计的影响（1） 当地震动峰值加速度a0.05g时，管道跨越工程应进行抗震设计（a = 0.05g时可不进行地震作用计算）。(2) 当地震动峰值加速度a0.10g时，大中型穿越管道应进行抗拉伸和抗压缩校核，并对边坡、土堤等进行抗震稳定性校核；工程勘察中，

14、场地分布初步判定有可能液化土层时，应再进一步判别。(3) 当地震动峰值加速度a0.20g时，一般埋地管道应进行抗拉伸和抗压缩校核；工程勘察中，对厚层软土分布区宜判别软土震陷的可能性和估算震陷量，并应评价对管道的危害。10 地震动峰值加速度a对抗震设计的影响 (4) 当地震动峰值加速度a0.30g时，通过活动断层的管道应采用有限元方法进行抗震计算。(5) 管道跨越工程一般区段应按本地区的地震动参数等级进行抗震设计，大型管道跨越工程应按提高一个地震动参数等级采取抗震措施，当场地地震动峰值加速度a = 0.40g时，可适当提高抗震措施。10 地震动峰值加速度a对抗震设计的影响(6) 在管道场地地震安

15、全性评价中，当油气输送管道通过全新世活动断层或位于其附近时：管道通过地震动峰值加速度为0.10g0.30g的地区，且管底至基岩土层厚度60 m时，可不分析断层潜在地表断错的影响；管道通过地震动峰值加速度0.30g以上地区，且管底至基岩土层厚度90 m时，可不分析断层潜在地表断错的影响。11 土壤的性能参数当无实测数据时，各种土壤与管道的摩擦系数、内摩擦角、密度可参见表6。 表6 各种土壤与管道的摩擦系数、内摩擦角、密度土壤种类摩擦系数内摩擦角密度/(kgm-3)干的粉砂0.380.5715。1600干的细砂0.6427。1700湿的细砂0.3230。1500含石灰质的干砂0.3930。1600

16、含石灰质的湿砂0.6335。1500干的粉质粘土0.4745。1600湿的粉质粘土0.5540。1600干的高岭土0.3330。1600湿的高岭土0.4535。1500干的沙砾0.4630。1700湿的沙砾0.4435。160012 一般埋地管道抗震设计一般埋地管道抗震设计计算按照GB 504702008进行。拉伸应变为正值，压缩应变为负值。12.1 国产钢材与API 5L钢材对应关系国产钢材与API 5L钢材对应关系见表7。 表7 国产钢材与API 5L钢材对应关系例：X80指钢材的屈服极限为80 klb/in2。1 klb/in2 =6.895 MPa，换算后圆整至5或10 MPa。API

17、ABX42X46X52X56X60X70X80GB/T 9711L210L245L290L320L360L390L415L485L55512.2 应变校核公式地震作用下管道截面轴向的组合应变计算，应将地震动引起的管道最大轴向应变与操作条件下荷载（内压、温差）引起的轴向应变进行组合，并应按下列公式校核：当max+0时： | max+ | cV 当max+0时： max+ tV 式中 max地震动引起管道的最大轴向拉、压应变 由于内压和温度变化产生的管道轴向应变 cV埋地管道抗震设计轴向容许压缩应变 t V埋地管道抗震设计轴向容许拉伸应变12.3 轴向容许压缩应变cV各等级钢材的容许压缩应变c V

18、，应按下列公式取值：X65及以下钢级： c V=0.35/D X70和X80钢级： c V=0.32/D 式中 管道壁厚，m D管道外径，m12.4 轴向容许拉伸应变tV组焊管道材料的容许拉伸应变可按表8选取。表8 组焊管道材料容许拉伸应变拉伸强度极限b/MPa容许拉伸应变tVb5521.0%552b7930.9%793b8960.8%12.5 地震动引起的直管道最大轴向应变埋地直管道在地震动作用下所产生的最大轴向应变，可按下列公式计算，并应取较大值：式中 a设计地震动峰值加速度，m/s2 Tg设计地震动反应谱特征周期，s Vse场地土层等效剪切波速，m/s v设计地震动峰值速度，m/s12.

19、6 内压和温度变化产生的管道轴向应变由于内压和温度变化产生的管道轴向应变，输气管道按照GB 502512003输气管道工程设计规范计算。12.7 计算实例南方某市一段高压天然气管道抗震设计基础参数为：管道沿线抗震设防烈度为8度，设计地震动峰值加速度a=0.2g。管道场地位于地震动反应谱特征周期分区3区，即中硬场地条件下特征周期为0.45 s;设计地震动峰值速度为v=0.25 m/s。管道场地覆盖层厚度为10 m，现场测得场地土层等效剪切波速Vse200 m/s。管道材质为L360MB（相当于X52级），拉伸强度极限b=460 MPa。钢材线膨胀系数1.210-5 K-1，弹性模量E=2.051

20、05 MPa，泊松比=0.3。高压天然气管道设计压力p4.0 MPa。管道安装闭合时的大气温度t15 ，管道内输送介质的温度t2=20 。管道规格初步确定为50811.9。请进行抗震设计计算。12.7 计算实例经查表和计算，容许拉伸应变 tV=1%，容许压缩应变cV=8.2X10-3。由管道场地覆盖层厚度和场地土层等效剪切波速Vse，查表3得管道场地类别为类，特征周期不需调整，Tg=0.45 s。经计算，=-6.0910-5，max=6.2510-4。当max取正值时，max +=5.64110-4， max +tV。当max取负值时，|max +|=6.85910-4， |max +|1时：

21、 X =H cos Y =H sin13.5 管道内的拉伸应变式中 new管道内的拉伸应变L1由断层错动引起的管道几何伸长，mX平行于管道轴线方向的断层位移，mY管道法线方向的断层位移，mZ垂直方向断层位移，m，由地震地质工程勘察确定E1管材应力 应变简化折线中弹性区的材料模量，PaE2应力 应变简化折线中弹塑性区的材料模量，PaH水平方向断层位移，m，由地震地质工程勘察确定活动断层带与管道轴线的夹角，（。），由地震地质 工程勘察确定13.5 管道内的拉伸应变（2） 管道轴向应变引起的物理伸长管道轴向应变引起的物理伸长L2可按下列公式计算：new1时： new1时：式中 L2管道轴向应变引起的

22、物理伸长，m13.6 由断层位错引起的管道最大拉伸应变 13.7 抗断校核由断层位错引起的管道最大拉伸应变按下式计算：式中 由断层位错引起的管道最大拉伸应变抗断校核应符合下列规定： 时，可不采取抗震措施； 时，应采取抗震措施。13.8 计算举例例：一条材质为X56的529X6钢质输气管道通过活动断层带。断层为正断层，预测水平方向的断层位移为2 m，垂直方向的断层位移为0.5 m，断层带与管道轴线的夹角为30。（见图3）。断层带覆盖土层为密实的干粘土，地面至管道轴线的埋深为2 m。土壤与管道的摩擦系数为0.6，土壤密度为1800 kg/m3。计算此管段是否需要抗震加固。13.8 计算举例图3 管

23、道通过断层13.8 计算举例钢管的密度取7850 kg/m3，g取9.81 m/s2。计算中不计管道内燃气的质量。查表9，对X56钢，应变1=0.0021，模量E1=2.1X1011 Pa，应变2=0.056，模量E2=9.62 X108 Pa。取 。经计算，得：W=18682 N/m Wp=759 N/m f = 22874 N/mX=1.732 m Y=1.0 m Z=0.5 mnew1时：解得new=0.0044。new1，与计算条件不符，舍去。13.8 计算举例new1时：解得new=0.0563，是合理的解。 ，应采取抗震措施。14 通用抗震措施（1） 当管道计算的应变值大于轴向容许应变值时，可选用大应变钢管，应经对口焊接试验，采用满足变形要求的组焊管段。 双相组织管线钢的成功开发提高了高钢级管线钢钢管的塑性变形能力，降低了应变时效性能，X80/X100大应变钢管均已成功开发，具备了批量生产能力。西气东输二线在特殊地段成功地采用了基于