典型长距离输油管线地震易损性评估.pdf

第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目()黑龙江省自然科学基金联合引导项目()中国地震局创新团队发展计划资助(中国大陆地区地震灾害模拟与评估)作者简介:王静宜()女硕士研究生从事生命线工程抗震研究:.通信作者:郭恩栋()男研究员从事生命线工程抗震研究:.文章编号:():./.典型长距离输油管线地震易损性评估王静宜 郭恩栋 闫培雷 李长宏 吴厚礼(.中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室 黑龙江 哈尔滨.地震灾害防治应急管理部重点实验室 黑龙江 哈尔滨)摘 要:我国长距离输油管线面临着严峻的地震安全威胁 评估长距离输油管线地震安全风险排查抗震薄弱区段对管线防灾减灾工作具有重大的现实意义 本文基于地震作用下连续焊接管道截面的组合应力值、平均震害率及破坏处数划分了长距离输油管线地震破坏等级给出了典型长距离输油管线的地震易损性评估方法 结合实例给出了典型长距离输油管线地震易损性评估结果进行了管线抗震薄弱部位分析并提出了相应的对策与建议 本文可为一般场地长距离输油管线地震灾害风险排查工作提供指导关键词:长距离输油管线组合应力值平均震害率地震易损性中图分类号:.文献标识码:(.):.:引言石油是国家生存和发展不可或缺的战略资源对保障国家经济发展、社会进步和国防安全有着不可替代的作用 长距离输油管线是运输原油以及成品油最为经济、高效、便捷的一种方式 截止 年底我国陆第 期王静宜等:典型长距离输油管线地震易损性评估上原油管道约 成品油管道约 我国油气管道建设稳步推进形成了西油东调和北油南运的输油格局拥有跨区域、广覆盖和多层次的长距离的输送网络 与此同时我国位于环太平洋火山地震带与喜马拉雅山火山地震带之间受到太平洋板块、印度洋板块和菲律宾板块的挤压面临严峻的地震安全威胁 长距离输油管线由于其距离长和纵深广等特点不可避免的途经地震高发地带地震灾害对长距离输油管线造成的危害不可忽视 年唐山大地震时秦京输油管线遭受了严重的破坏管线途径 度、度和 度区的长度分别为 、和 管线发生多处破坏流失原油 万余吨造成了巨大的经济损失污染了大片农田和河流 近年来我国长距离输油管网规模不断增加地震对管网的威胁不容忽视 因此有必要对长距离输油管道的地震易损性进行分析评估为输油管道工程地震灾害隐患排查提供支撑确保长距离输油管道安全可靠的运行对于均匀土介质下管道的地震反应早在 年代末期 就对此展开了研究 到 年代日本学者就提出了反应位移法将管道简化为弹性地基梁将地震波简化为简谐波 王海波等通过边界元法得出管道埋深越浅地震对管线的危害越大 等在综合分析了 年阿拉斯加地震、年费尔南多地震、年危地马拉地震以及 年厄瓜多尔地震后提出:大规模永久性地表位移是地震造成石油设施损坏的主要原因郭恩栋等根据汶川大地震的地下管道震害数据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冯启民等考虑了埋地管道与土介质的相互作用分析了管道作为薄壳结构的断层位错反应 等为了统一输油管线的置信度方法提出了将泵站与不同等级长距离输油管道视为一个整体建立了不同等级管道对应的设计基准断层位移危险等级分析 等利用大型振动台对埋地长距离管道进行非均匀激励实验证明非均匀地震激励对管道应变与位移影响很大对地表加速度影响较小刘建平等提出了长距离管线震害监测重点在于为震后紧急救援提供决策依据而不是震前预报并介绍了长距离输油管道检测技术在部分管线上的应用本文长距离输油管道易损性评估是基于现有埋地管线震害研究为基础 目前针对原油、成品油管道的抗震研究基本集中在跨断层管线震害分析、场地变形和土壤液化等方面 对于长距离管道的抗震研究也仅仅局限于局部管段的分析缺乏对于上百公里甚至上千公里长距离输油管道抗震性能的定量预测研究 本文通过计算不同地震动加速度作用下连续焊接管段组合应力值实现了对单根管段进行三态破坏预测进而得到每 长距离输油管线平均震害率和破坏处数 以此为依据对长距离输油管网进行五态破坏预测和地震易损性分析评估并结合实际工程案例进行震害预测 对长距离输油管线地震灾害风险评估、薄弱部位排查加固和震后救灾等提供借鉴意义连续焊接管道地震破坏分析埋地管线的破坏一般表现为管线接口破坏、管体破坏和接头损坏等其中接头损坏是最常见的破坏形式 长距离输油管线一般采用连续焊接高速钢通常采取组合应力作为破坏等级判定标准对于一般场地埋地管线震害破坏计算时一般假定管道处于理想状态认为水平剪切波引起的管道轴向变形是管道破坏的主要原因 地震波导致场地不同的点产生相对位移位移通过土体与管线的相互作用传到埋地直管道 地震波造成的管道纵向拉应力根据油气输送管道线路工程抗震技术规范(/)的计算方法求得根据第三强度理论即最大剪应力强度理论一般埋地管道轴向组合应力为:()()()式中:为管道轴向应力为管道环向应力为地震波造成的管道纵向拉应力为温差引起的管道纵向拉应力为内压引起的纵向拉管道应力为土静压引起的管道纵向拉应力为内压引起的管道环向拉应力为土体静压引起的管道环向拉应力本文采用三态破坏准则对管道进行地震可靠性分析其中管道状态破坏一般分为三类破坏状况判断标准为:)管道处于基本完好状态)管道处于中等破坏状态)管道处于严重破坏状态管道基本失去输油功能世 界 地 震 工 程第 卷其中:为管线的组合应力 为管材屈服强度 为管材极限强度 和 为调整系数本文中取.管线破坏等级划分与震害预测.管段破坏概率假设管道截面的组合应力 、管道材料的屈服强度 和极限强度 均服从对数正态分布式中:()为标准正态分布函数均值和方差用 和 表示则可得单根管段破坏概率:()()()式中:为管道基本完好的概率 管道中等破坏的概率 管道毁坏的概率.基于平均震害率的长距离输油管线破坏等级划分根据生命线工程地震破坏等级划分(/)的相关规定长距离输油管道平均震害率与破坏等级对应关系见表 表 长距离输油管线不同地震破坏等级对应的震害率(处/)(/)破坏等级基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏毁坏 基本完好:管线平均每 破坏处数为 基本无破损且基本功能正常轻微破坏:管线平均每 破坏处数大于 且小于等于 有轻微破损和小泄漏点且输油量下降幅度小于 需要进行管道维护中等破坏:管线平均每 破坏处数大于 且小于等于 输油量下降幅度高达 需要进行管道维修严重破坏:管线平均每 破坏处数大于 且小于等于 管道出现破裂和喷漏等明显破损基本失去输油功能需要进行大修后才能恢复正常功能毁坏:管线平均每 破坏处数大于 管线出现断裂、塌落和大面积喷漏等严重破损管道丧失基本功能需要重建.管线震害率假设地震时沿管段长度 ()震害发生是随机独立的埋地管线的破坏概率可以假定服从泊松分布则该段埋地管段在地震作用下的破坏概率 与每公里破坏处数 (处/)的关系为:()()在一定长度范围内假设管线由 个管段焊接而成则该范围内管线总的破坏处数 为:()式中:(处/)为第 段管段的震害率()为第 段管段的长度 进一步可得管线在该长度范围内平均震害率(处/)为:()长距离埋地管线地震易损性是预测结构在不同烈度地震作用下发生结构失效的概率对于长距离输油管线并没有切实可行的表征方法 针对长距离输油管线本文采用组合应力值、平均震害率和破坏处数对进第 期王静宜等:典型长距离输油管线地震易损性评估行地震易损性的预测和评估实例分析.工程简介本文以国内某实际运营长距离同沟铺设原油、成品油管线为例进行地震易损性分析 管线总长一千多公里由一万余个管段焊接而成 管线总长较长东西方向跨度大输油量大 途径穿越多种地貌单元、不同的地理和人文环境地质情况复杂原油干线采用 的 (为美国石油协会管道标准 对应国内 低合金高强度碳素钢)等级的钢管 成品油干线采用 的 等级的钢管以及用 的 等级的钢管 管线中心埋深一般在.左右 根据沿途人口密度等人文条件将管线途径区域分为一级地区、二级地区和三级地区穿越了级地区其中一到四级等级划分标准如表 所示 分别对应原油管道壁厚为、.和 成品油壁厚为.、.和 表 地区等级划分标准 地区等级说明一级地区户数在 户或以下区段二级地区户数在 户以上、户以下的三级地区户数在 户或以上的区段包括市郊、商业区、工业区、不够四级的人口稠区四级地区指地面四层及四层以上楼房普遍集中、交通频繁、地下设施多事的区段 图 原油管线典型截面组合应力.组合应力分析依据实际工程数据与第.节组合应力计算过程将管道基础数据带入到式()、式()和式()中计算得到的连续焊接钢管不同管径和壁厚下的典型截面组合应力结果见表 根据表 中组合应力值结合.节中三态破坏标准中管段不同等级破坏判断标准得到图 成品油管线截面组合应力由图 和图 所示根据上述图表组合应力值随地震动峰值加速度增大而增大峰值加速度在.时组合应力大致呈线性增长且连续焊接管道基本完好 峰值加速度在.时管段发生中等破坏 组合应力在壁厚不同时随地震动峰值加速度增长趋势一致且壁厚越厚组合应力值越小 图 成品油线管径 管段截面组合应力 图 成品油线管径 管段截面组合应力 .世 界 地 震 工 程第 卷表 典型管段截面组合应力值示例()()管道壁厚/埋深/管道截面组合应力/.原油 .成品油 .成品油 .输油管线平均震害率与破坏处数结合实际工程案例将长距离原油和成品油管线按每 划分原油管线共划分为 段成品油管线划分为 段 将.节中计算得到的组合应力带入到.节式()式()和式()和.节式()、式()和式()中来分别计算了两条管线峰值加速度为.下管线平均破坏率及破坏处数如图、图 和表 所示 图 原油管线平均震害率 图 成品油管线平均震害率 .表 不同 下原油管线管段破坏泄漏处数 加速度峰值/管段 管段 管段 管段 管段 管段 管段 管段 管段 管段 管段 管段.第 期王静宜等:典型长距离输油管线地震易损性评估表 不同 下成品油线管段破坏泄露处数 加速度峰值/管段 管段 管段 管段 管段 管段 管段 管段 管段 管段 管段.综上可以发现:当地震加速度峰值为.、.、.、.、.、.和.时各段输油管线基本完好当加速度峰值为.、.、.、.、.、.和.时输油管线各段发生不同程度破坏根据油气输送管道线路工程抗震技术规范(/)的要求管线设防标准采用两个水准:第一水准为一般区段管线在 超越概率 的基本设防地震作用下满足震后正常使用的性能要求第二水准为所有区段管线在 超越概率 的罕遇地震作用下不发生破裂 根据中国地震动参数区划图()所规定遇地震动峰值加速度宜按不低于基本地震动峰值加速度/倍确定罕遇地震动峰值加速度宜按基本地震动峰值加速度.倍确定极罕遇地震动峰值加速度宜按基本地震动峰值加速度.对于该工程长输管线途径区域中最高设防烈度为 度基本地震峰值加速度为.则对应的多遇地震动峰值加速度为.罕遇地震动峰值加速度为.极罕遇地震动峰值加速度为.该工程在多遇地震动作用下管道不会发生破坏基本无破损且功能基本正常在罕遇地震动作用下部分区段管线有部分可能发生轻微破坏经过维修后可以继续运行根据评估结果该长输天然气管线满足抗震设计要求总体上看:在同一加速度峰值下各段管线破坏程度相差不大第、段管线的破坏相对较重 按照输气管道工程设计规范()要求第、段管线主要分布于在级地区和部分在级地区管壁厚度较薄总结本文给出了典型长距离输油管线的地震易损性分析方法 假定管道屈服强度、极限强度以及地震时所受的轴向组合应力服从正态分布计算得到典型输油管道三态破坏等级的发生概率 进而分析管线平均震害率和破坏处数 结合国内某实际工程分析给出了典型输油管线地震易损性结果讨论了典型输油管线的抗震性能可为长距离输油管线地震灾害风险评估工作参考参考文献:郝建斌刘建平.地震灾害对长输油气管道的危害.油气储运.():.():.()艾晓秋.基于随机地震动模型的地下管线地震反应及抗震可靠度研究.上海:同济大学.:.().地震灾害对输油管道的影响.油气储运():.():.()郭恩栋杨丹高霖等.地下管线震害预测实用方法研究.世界地震工程():.():()冯启民赵林.跨越断层埋地管道屈曲分析.地震工程与工程振动():.世 界 地 震 工 程第 卷():.().().():.刘建平付立武郝建斌等.长输油气管道地震监测预警的应用与技术.世界地震工程():.():.()李杰.生命线工程抗震.北京:科学出版社.:.()/油气输送管道线路工程抗震技术规范.北京:中国计划出版社./.:.()郭恩栋刘如山孙柏涛.地下管线工程地震破坏等级划分标准.自然灾害学报():.():.()/生命线工程地震破坏等级划分.北京:中国标准出版社./.:.()李玉芹郭恩栋于天洋等.基.的供水管网震害预测方法和软件.自然灾害学报():.():.().:.():.中国地震动参数区划图.北京:中国标准出版社.:.()