抗震韧性是指工程、建筑等在遭受破坏性地震之后能够维持住一定功能、避免造成次生灾害,并在尽可能短的时间内恢复社会服务的能力(翟长海,2018; 杨静等,2019)。2003年,美国地震工程研究学会(EERI)发布《确保社会抵御地震损失——地震工程研究和推广计划》报告,首次提出了抗震韧性概念(宁晓晴,2018)。随着社会经济的快速发展和风险意识的不断提高,抗震韧性理念越来越多地得到地震工程界的广泛重视。近年来,国际防灾理念有了进一步发展,提高城市和社会的韧性能力已经成为防震减灾研究的前沿领域(Bruneau et al,2003)。

作为关系国计民生的重要生命线工程,输油气管道的抗震韧性也受到了广泛关注。输油气管道是一项复杂的系统性工程,例如长输天然气管道系统通常由集输管网、燃气净化设备、输气干线、压气站、分输阀室、分输站(调压计量站)、管理维修站、通讯与遥控设备、阴极保护站(或其他电保护装置)以及管路附件等组成。输油气管道的抗震韧性是指在遭受破坏性地震之后能够保持基本完好,或者发生一定的变形但是不发生泄漏,避免造成次生灾害,并在尽可能短的时间内恢复运输能力。震害经验表明地震活动断层的位错作用是造成管道破坏的主要原因。我国活动断裂发育,强震频发,输油气管道经常穿越地震活跃地区,一旦发生地震,会造成严重的灾害损失,例如我国西气东输工程,管线全长4 000 km,跨越9个省(市、自治区),东西向横跨多个地震活动地区,通过100多个断层,存在着被地震破坏的高风险隐患。

输油气管道作为线性工程,其抗震韧性评价主要是要评估管道工程对可能要发生的地震灾害风险的应对能力和措施。通过抗震韧性评价,可以识别地震风险,消除解决安全隐患,提升管道抗震韧性水平。当地震灾害发生时,管道工程可以通过保护或者快速恢复重要的基本结构和功能等方法,及时有效地抗御灾害影响和保持灾后快速恢复能力。国内关于城市抗震韧性的研究较少,主要集中于单体结构可恢复性新体系的研发上,对于工程结构、生命线系统以及城市等的抗震韧性的研究较少,对于输油气管道抗震韧性研究更是处于起步阶段,并且大多处于概念阶段,很少进行量化研究。目前输油气管道的抗震设计已经从弹性设计发展到了应变设计,其抗震规范至今也已经发布了5个版本,从早期的石油行业规范上升为国家强制性标准。由于不同服役年龄管道遵循的抗震规范要求不尽相同,加之钢管腐蚀以及环境变化等因素影响,现役输油气管道的抗震韧性差异较大。本文通过总结输油气管道震害经验教训,辨识不同服役年龄的输油气管道的抗震韧性特征,探讨抗震设计、钢管腐蚀、地质灾害防治、应急处置等因素对管道抗震韧性的影响,提出现役输油气管道工程的抗震韧性指标及评价方法。

人们对埋地管道的地震安全问题的重视始于1971年美国圣费尔南多地震。国内外管道的震害调查结果表明:地震对管道的影响从轻到重依

次是地震动、砂土液化和活动断层,其中地震断层的位错作用造成的输气管道破坏最为严重(侯忠良,1990)。笔者汇总了国内外地震对输油气管道的破坏实例,见表1,从表中可以看出地震断层的地表位错是造成输油气管道破坏的主要因素。

目前,国内外输油气管道抗震设计从初期的弹性设计、应力设计已经发展到了应变设计。1991年至今,我国输油气管道抗震设计规范已经颁布了5个版本,见表2。最早的行业规范(1991版、1997版)就已经采用变形控制理论,以充分利用钢材的延性。初期抗震设计规范使用地震烈度,将管道分为重要区段和一般区段,并采取不同的

表1 地震灾害造成的油气管道事故
Tab.1 Oil and gas pipeline accidents caused by earthquake disaster

表2 输油气管道抗震规范
Tab.2 Evolution of seismic code for oil and Gas Pipeline

抗震设防水准; 2004版行业规范采用地震动参数代替地震烈度,对位于设计地震动峰值加速度≥0.2 g地区的管道,规定必须进行抗拉伸和抗压缩校核; 2008版管道抗震规范由行业标准提升为国家标准,增加了抗震施工和抗震验收2个章节; 2017版抗震规范细化了管道与活动断层并行敷设间距的具体要求,补充、完善了管道抗震校核的规定,修订了断层位移作用下的管道容许应变的确定方法。

穿越活动断层的管道抗震校核标准是在设防的断层位错作用下管道变形反应小于管道的允许拉伸应变和压缩应变。1991—2007年建设的输油气管道工程遵循石油行业标准,1991,1997和2004版行业标准,对于走滑断层可以采用Newmark理论方法计算管道的最大轴向应变,与管道的容许应变进行抗震校核。Newmark理论方法简单、方便,但忽略了管道抗弯刚度引起的应变,因此在行业标准实施阶段,采用Newmark方法分析得到的管道应变偏小,校核结果偏于不安全,高估了管道抗震能力,存在一定的风险隐患,2008和2017版的国家标准规范对Newmark理论解的方法进行修正(刘爱文,2002)。如图1所示,一条钢材为X60管道(Φ529×6)以30°交角穿越走滑断层,如果按照早期的行业标准,该管道可以抵抗1.7 m的断层错动量,但按照现行的国家标准,该管道只可以抵御0.8 m的断层错动量。由此可见,在行业标准实施期间,存在一部分高估了抗震能力的管道,考虑到较长时间腐蚀的影响,存在地震风险隐患较大的问题。

图1 不同方法得到的管道应变反应
Fig.1 Pipeline strain response obtained by different methods

风险评价是抗震韧性评价的基础。通常可借鉴的风险评价包括:因果分析法、失效模式分析法、故障树分析(FTA)、事件树分析(ETA)、道化学(DOW)危险指数法、肯特(KENT)危险指数分析法等。其中,基于美国运输部的实际运行经验及其它部门的相关研究结果提出的KENT危险指数分析法,是长输油气管道安全分析评价的主要方法(陈雪峰,于倩秀,2006)。本文采用改进的KENT评价方法进行抗震韧性评价。

现役输油气管道通过活动断层地段的抗震韧性评价包括管道的抗震设计(D)、管道腐蚀状况(C)、断层附近的地质灾害隐患防治情况(G)以及地震应急处置(E)等指标因素。不同指标因素对评价结果的影响大小各异,其中,D影响最大,其次是C,E,G。依据《输气管道工程设计规范》(GB 50251—2003)、《油气输送管道应变设计规范》(SY/T 7403—2008)、《天然气管道运行规范》(SY/T 5922—2003)、《埋地钢质管道沥青防腐层大修技术规定》(SY/T 5918—94)、《石油建设工程质量检验评定标准油田集输管道工程》(SY/T 0453—98)、《输油气管道安全隐患分类导则》(GBT 34346—2017)等,对上述4项影响指标进行了权重分配,见表7。

表7 韧性评价指标权重
Tab.7 Index weight of toughness evaluation

评价影响指标 权重占比抗震设计影响指标(D)40%腐蚀影响评价指标(C)30%地质灾害防治评价指标(G)10%应急处置影响指标(E)20%

采取不同权重配比对上述4个指标(D,C,G,E)进行求和,得到抗震韧性评价分数R:

R=D×40%+C×30%+G×10%+E×20%(1)

通过式(1)可以得到抗震韧性评价分值R,按照表8对应3个评价等级,可以得到抗震韧性评级结果。R越大,管道抗震韧性等级越高,管道越安全。

以格尔木至拉萨的输油管道(简称“格拉管道”)为例进行抗震韧性评分,该管道建造于20世纪70年代中期,通过昆仑山断裂带,工程重点考虑冻土场地管道影响,未考虑抗震设防,也未采取宽管沟敷设、回填疏松砂土等抗震措施。该管道的抗震韧性评价分值为45分,属于低等级抗震韧性。该结论与格拉管道在2001年昆仑山8.1级地震中发生严重变形、管体破裂等震害现象相符(姚志祥,2003)。

表8 输油气管道穿越危险地段抗震韧性评价等级
Tab.8 Evaluation grade of seismic toughness of oil and gas pipeline crossing dangerous area

本文通过对比分析我国不同版本的输油气管道抗震规范发现,遵循行业标准建设的管道工程可能高估了管道的抗震能力。数值分析结果表明较长时间的腐蚀会使得管道抵御断层位错能力进一步降低。对于现役输油气管道,本文通过建立抗震设计、钢管腐蚀、地质灾害防治、应急处置4项抗震韧性评价指标,采用KENT危险指数分析法,提出现役输油气管道穿越活动断层地段的抗震韧性评价流程和方法,为输油气管道的地震风险治理提供参考。

目前,本文工作尚局限于研究通过活动断层的部分管段的抗震韧性评价,后续需要与整条输油气管道的地震风险评价进行有机结合,提出综合的评价方法,同时拟在以下方面进行优化:一是强化评价指标的客观性,尽量减少评价人员主观因素,并进一步量化评价指标; 二是考虑管道修复经济因素及修复难易程度; 三是增强评价方法的实用性和可操作性。