地裂缝活动对燃气管道的破坏及采取的措施.doc

地裂缝活动对燃气管道的破坏及采用的措施

1　前言
　　地裂缝是指与地震无直接关系的地面或房屋建筑物的开裂现象，地裂缝主要分布在平原和盆地中。西安市地裂缝是一种独特的城市地质灾害，自50年代后期开始，西安市及近郊出现7个地面沉降中心，最大累积降深达1.035m。1976年唐山大地震以后西安市地裂缝活动显然强化，特别是进入80年代以来，由于过量抽汲承压水导致的地裂缝两侧不均匀地面沉降进一步加剧了地裂缝的活动，地裂缝所经之处，破坏地面及各类建筑物，危及一些著名文物古迹的安全。
　　剧烈的地裂缝活动不仅破坏地面建筑，而且错断地下供水和输气管道。一方面造成了较大经济损失，另一方面给西安市的居民生活带来了严重的安全隐患。
2　西安市天然气工程状况
　　西安市天然气工程是近年国内规模较大的城市天然气工程。该工程气源来自陕西省靖边地区的大型天然气田。工程供气规模为120万m3/d，总投资为6.3亿元人民币。工程主要内容有：门站一座，储配站一座(设10000m3，PN1.06MPa球罐4座)，高-中压调压站7座，高压管道37kin(1.6MPa，DN600)，中压管道160km(0.4MPa，DN100～DN400)。该工程于1997年建成投产，从根本上解决了西安市的大气污染问题，大大树立起国际旅游城市的形象。
3　地裂缝活动对地面建筑及地下管线造成的破坏
　　西安地裂缝活动频繁，不仅造成了对地面建筑的破坏(不少建筑物的墙体被拉裂，而且危及名胜古迹。地面沉降导致象征西安古代文明的钟楼下沉395mm，而唐代的大雁塔竟向西北倾斜了1100多mm)，而且地下供水、供气管道被错断，给城市居民的生活带来严重影响。
　　西安市对西安地裂缝的研究和防治极为重视，己花费了1000多万元用于研究方面，建立了包括分层沉降标的地裂缝长期监测台网。1988年经陕西省城乡建设环境保护厅批准，公布了《西安地裂缝场地勘察与·工程制定规程》，为DBJ240-6-88，要求在西安市建设必须给出地裂缝评价看法和防治措施。
　　但该制定规程主要针对地裂缝活动对地面建筑造成的破坏，规程以建筑物的重要程度为依据，将地裂缝场地划分出：不安全带、次不安全带、次安全带和安全带。避让区宽10m，设防区宽10-24m，40m以外为安全区。
　　但规程关于地裂缝对地下管线设施造成的破坏则未提出明确的处理措施。本文将结合西安市天然气工程的实际状况，就天然气管道穿越地裂缝的问题提出合理的处理措施和建议。
4　波纹膨胀节在处理地裂缝问题中的应用
　　西安市天然气工程于1992年开始制定，一期工程于1997年完成并投入运行。限于当时的实际状况，工程中的高、中压管道几乎全部采纳钢管。材质为Q235A。高压管道制定压力为1.6MPa，中压管道制定压力为0.4MPa，管壁厚度小于10mm。管道埋深一般在1.4～2.4m。依据《管道工程安装修理手册》，材质为Q235A的碳素钢管，当壁厚小于10mm时，其额定许用应力为133MPa。西安市I级地裂缝的垂直活动速率每年大于30mm，最大速率可达到55.06mm/a。自1995年以后，西安市地裂缝活动进入超常活动阶段，而地裂活动具有年变周期，大部分时间地裂缝处于相对稳定或蠕动状态，此时不会对地下管线造成破坏(图1)；但是在短时间内会突然错动产生较大的变形。日积月累，这种变形会对地下末采用任何保护措施的钢性管道造成严重破坏(图2)，据1996年统计，地裂缝活动错断供水、煤气管道达45次之多。

经计算地裂缝不同活动速率对管道产生的应力，在实际工程中，制定人员针对各级地裂缝采用了不同的处理措施(针对钢管)：
4.1　Ⅲ级、Ⅳ级地裂缝
　　高、中压管道在穿越m级、Ⅳ级地裂缝时，以地裂缝为中心，前后各100m的管道管底埋深控制在1.2-2.1m之间，并以中粗砂作回填土，填至管顶以上300mm；距地裂缝前后50m范围内不能设支管。
4.2　Ⅱ级地裂缝
　　①高压管道(PN1.6MPa，DN600)
　　西安市天然气高压管道经过的II级地裂缝达6处，在穿越Ⅱ级地裂缝时，以地裂缝为中心，设置一段总长60m的管沟，在距地裂缝前后各20m的管道上设置一个轴向型内压式波纹膨胀节，工作压力为1.6MPa。管沟内充填松散粗砂，见图3．

　　管道穿越II级地裂缝，采用如图3的措施，在地裂缝活动的影响下，产生的变形状况见下列图4。

　　II级地裂缝的垂直活动速率最大为30mm/a，水平引张速率为垂直活动速率的1/3，最大为14mm/a。以最不利状况来讨论，则每年地裂缝一侧的管道随地面沉降△Y=30mm，水平拉伸量△X=14mm。
　　由于每年管道沉降所产生的倾角A很小，几乎可忽略不计，因此只要能消除管道拉伸变形所产生的应力，就可解决问题。
　　两只波纹膨胀节之间的管道长L=40.Om，发生变形后的管道长为Ll的关系式如下：
　　L12=(L+△X)2+△Y2　　　(1)
　　公式中：L一两只波纹膨胀节之间的管道长，m;
　　△X一水平拉伸量，mm；
　　△Y一管道随地面沉降量，film。
　　当L=40.4m，管道拉伸量△L按如下公式计算：
　　△L=△X+△Z2/2L≈△X(14mm)。
　　选择的波纹膨胀节的同意轴向位移能大于△XX/2(7mm)，工作压力为1.6MPa，即可满足一个活动年的要求。

　②中压管道(PNO.4MPa，DN200--400)
　　中压管道穿越Ⅱ级地裂缝达14处，在穿越Ⅱ级地裂缝时，以地裂缝为中心，设置一段总长40m的管沟，在距地裂缝前后各18m的管道上设置一个轴向型内压式波纹膨胀节，工作压力为0.6MPa。管沟内充填松散粗砂。
　　选择的波纹膨胀节的同意轴向位移能大于△X/2(7mm)，工作压力为0.6MPa，即可满足一个活动年的要求。

4.3　Ⅰ级地裂缝
　　①高压管道(PN1.6MPa，DN600)西安市天然气高压管道穿越I级地裂缝有2处，在穿越I级地裂缝时，以地裂缝为中心，设置一段总长64m的管沟(如图6)，在距地裂缝前后的管道上各设置两个轴向型内压式波纹膨胀节，工作压力为1.6MPa。管沟内充填松散粗砂。
　　选择的波纹膨胀节的同意轴向位移能大于△X/4，工作压力为1.6MPa，即可满足一个活动年的要求。

　　②中压管道(PNO.4MPa，DN200--400)
　　中压管道穿越I级地裂缝有6处，在穿越I级地裂缝时，以地裂缝为中心，设置一段总长40m的管沟(如图7)，在距地裂缝前后的管道上各设置两个轴向型内压式波纹膨胀节，工作压力为0.6MPa。管沟内充填松散粗砂。
　　选择的波纹膨胀节的同意轴向位移能大于△X/4，工作压力为0.6MPa，即可满足一个活动年的要求。
　　合计突发事故发生时可进行切断，在距地裂缝两端各300m左右处各设阀门井一座，也可与管线上相邻阀门井结合设置。为防止地裂缝活动引起的管道破坏，每年应对管沟内的管道以及四周的管道进行检查，重点检查波纹管是否被破坏。
　　西安市天然气工程自1997年投产以来，一直运行正常。管道穿越地裂缝处未受到破坏。

5　结论
　　经过几年的观察，西安市天然气管网运行状况优良，管道穿越地裂缝处由于采用了加设波纹膨胀节等特别措施，消除了管道被错断带来的安全隐患。
　　目前，在燃气工程领域已出现了可以替代钢管的PE(聚乙烯)管道，其中SDR11的PE管最大工作压力可达0.4MPa，由于其具有的优良的柔韧性和伸展性，可代替中压钢管应用在穿越地裂缝处，甚至可以应用在整个中压管网系统中。