王龍 劉愛文 賈曉輝 李祥秀 王曉輝

摘要：在總結不同時期輸油氣管道抗震規(guī)范特點的基礎上，分析了現役輸油氣管道抗震韌性評價影響因素，確定抗震設計、鋼管腐蝕、地質災害防治、應急處置4項抗震韌性評價指標，采用改進的KENT危險指數分析法，提出適用于現役輸油氣管道穿越活動斷層地段的抗震韌性評價流程和方法，并應用于典型案例分析。初步驗證了所提方法的科學合理性，為輸油管道的地震風險治理提供參考。

關鍵詞：輸油氣管道;活動斷層;鋼管腐蝕;抗震韌性;KENT危險指數分析法;抗震設計規(guī)范

0 引言

抗震韌性是指工程、建筑等在遭受破壞性地震之后能夠維持住一定功能、避免造成次生災害，并在盡可能短的時間內恢復社會服務的能力（翟長海，2018;楊靜等，2019）。2003年，美國地震工程研究學會（EERI）發(fā)布《確保社會抵御地震損失——地震工程研究和推廣計劃》報告，首次提出了抗震韌性概念（寧曉晴，2018）。隨著社會經濟的快速發(fā)展和風險意識的不斷提高，抗震韌性理念越來越多地得到地震工程界的廣泛重視。近年來，國際防災理念有了進一步發(fā)展，提高城市和社會的韌性能力已經成為防震減災研究的前沿領域（Bruneau et al，2003）。

作為關系國計民生的重要生命線工程，輸油氣管道的抗震韌性也受到了廣泛關注。輸油氣管道是一項復雜的系統(tǒng)性工程，例如長輸天然氣管道系統(tǒng)通常由集輸管網、燃氣凈化設備、輸氣干線、壓氣站、分輸閥室、分輸站（調壓計量站）、管理維修站、通訊與遙控設備、陰極保護站（或其他電保護裝置）以及管路附件等組成。輸油氣管道的抗震韌性是指在遭受破壞性地震之后能夠保持基本完好，或者發(fā)生一定的變形但是不發(fā)生泄漏，避免造成次生災害，并在盡可能短的時間內恢復運輸能力。震害經驗表明地震活動斷層的位錯作用是造成管道破壞的主要原因。我國活動斷裂發(fā)育，強震頻發(fā)，輸油氣管道經常穿越地震活躍地區(qū)，一旦發(fā)生地震，會造成嚴重的災害損失，例如我國西氣東輸工程，管線全長4 000 km，跨越9個省（市、自治區(qū)），東西向橫跨多個地震活動地區(qū)，通過100多個斷層，存在著被地震破壞的高風險隱患。

輸油氣管道作為線性工程，其抗震韌性評價主要是要評估管道工程對可能要發(fā)生的地震災害風險的應對能力和措施。通過抗震韌性評價，可以識別地震風險，消除解決安全隱患，提升管道抗震韌性水平。當地震災害發(fā)生時，管道工程可以通過保護或者快速恢復重要的基本結構和功能等方法，及時有效地抗御災害影響和保持災后快速恢復能力。國內關于城市抗震韌性的研究較少，主要集中于單體結構可恢復性新體系的研發(fā)上，對于工程結構、生命線系統(tǒng)以及城市等的抗震韌性的研究較少，對于輸油氣管道抗震韌性研究更是處于起步階段，并且大多處于概念階段，很少進行量化研究。目前輸油氣管道的抗震設計已經從彈性設計發(fā)展到了應變設計，其抗震規(guī)范至今也已經發(fā)布了5個版本，從早期的石油行業(yè)規(guī)范上升為國家強制性標準。由于不同服役年齡管道遵循的抗震規(guī)范要求不盡相同，加之鋼管腐蝕以及環(huán)境變化等因素影響，現役輸油氣管道的抗震韌性差異較大。本文通過總結輸油氣管道震害經驗教訓，辨識不同服役年齡的輸油氣管道的抗震韌性特征，探討抗震設計、鋼管腐蝕、地質災害防治、應急處置等因素對管道抗震韌性的影響，提出現役輸油氣管道工程的抗震韌性指標及評價方法。

1 我國輸油氣管道抗震設計規(guī)范

人們對埋地管道的地震安全問題的重視始于1971年美國圣費爾南多地震。國內外管道的震害調查結果表明：地震對管道的影響從輕到重依 次是地震動、砂土液化和活動斷層，其中地震斷層的位錯作用造成的輸氣管道破壞最為嚴重（侯忠良，1990）。筆者匯總了國內外地震對輸油氣管道的破壞實例，見表1，從表中可以看出地震斷層的地表位錯是造成輸油氣管道破壞的主要因素。

目前，國內外輸油氣管道抗震設計從初期的彈性設計、應力設計已經發(fā)展到了應變設計。1991年至今，我國輸油氣管道抗震設計規(guī)范已經頒布了5個版本，見表2。最早的行業(yè)規(guī)范（1991版、1997版）就已經采用變形控制理論，以充分利用鋼材的延性。初期抗震設計規(guī)范使用地震烈度，將管道分為重要區(qū)段和一般區(qū)段，并采取不同的抗震設防水準;2004版行業(yè)規(guī)范采用地震動參數代替地震烈度，對位于設計地震動峰值加速度≥0.2 g地區(qū)的管道，規(guī)定必須進行抗拉伸和抗壓縮校核;2008版管道抗震規(guī)范由行業(yè)標準提升為國家標準，增加了抗震施工和抗震驗收2個章節(jié);2017版抗震規(guī)范細化了管道與活動斷層并行敷設間距的具體要求，補充、完善了管道抗震校核的規(guī)定，修訂了斷層位移作用下的管道容許應變的確定方法。

穿越活動斷層的管道抗震校核標準是在設防的斷層位錯作用下管道變形反應小于管道的允許拉伸應變和壓縮應變。1991—2007年建設的輸油氣管道工程遵循石油行業(yè)標準，1991，1997和2004版行業(yè)標準，對于走滑斷層可以采用Newmark理論方法計算管道的最大軸向應變，與管道的容許應變進行抗震校核。Newmark理論方法簡單、方便，但忽略了管道抗彎剛度引起的應變，因此在行業(yè)標準實施階段，采用Newmark方法分析得到的管道應變偏小，校核結果偏于不安全，高估了管道抗震能力，存在一定的風險隱患，2008和2017版的國家標準規(guī)范對Newmark理論解的方法進行修正（劉愛文，2002）。如圖1所示，一條鋼材為X60管道（Φ529×6）以30°交角穿越走滑斷層，如果按照早期的行業(yè)標準，該管道可以抵抗1.7 m的斷層錯動量，但按照現行的國家標準，該管道只可以抵御0.8 m的斷層錯動量。由此可見，在行業(yè)標準實施期間，存在一部分高估了抗震能力的管道，考慮到較長時間腐蝕的影響，存在地震風險隱患較大的問題。

2 抗震韌性評價影響指標

我國陸上輸油氣管線節(jié)點多、線路長，管道鋪設所經過地區(qū)地理自然條件復雜，提高輸油氣管道的抗震韌性十分必要。影響輸油氣管道抗震韌性的主要因素是管道的材料、管徑的大小和管道壁厚?，F有技術的限制及經濟因素的影響，客觀上制約了管道的抗震水平，尤其是對于通過地震活動斷層的輸油氣管道，其斷層位錯量往往超過管道抗震極限應變。例如，汶川地震的發(fā)震斷層——龍門山斷裂，最大豎直位錯量達到近10 m，遠遠超出蘭成渝成品油管道的抗震極限應變，因此不得不采取避讓措施。

科學合理的抗震設計直接影響管道的抗震設防水平，是降低地震災害風險最直接有效的途徑。因此，影響管道抗震韌性的首要影響因素是抗震設計，具體包括抗震設防標準的確定、壁厚的選擇、埋深、與斷層的交角等。在管道工程的設計和建設階段就已經基本決定了管道初始的抗震能力。但是對于現役管道，隨著其運行時間不斷增加，除設計施工階段確定的初始抗震能力外，其它破壞性因素會對管道抗震能力產生越來越大的影響，包括管道腐蝕導致管材性能下降、地質災害、第三方破壞、操作失誤、地震應急處置不得當等。本文將從抗震設計、管道腐蝕、地質災害防治和應急處置4個方面來評價抗震韌性，在缺少相應的可靠數據前提下，暫不考慮第三方破壞和操作失誤因素對抗震韌性評價的影響。

2.1 抗震設計

輸油氣管道作為重要的生命線工程，需要嚴格按照建造時期對應的抗震設計規(guī)范進行抗震設計和施工。不同時期建造的現役管道，采取的抗震設防標準不同，抗震設計水平也有差異。對于同一條管道，通過不同區(qū)段時的設防要求也不同，對于重要區(qū)段按照罕遇地震進行抗震設防，一般區(qū)段則按照地震安全性評價結果確定的抗震設防要求進行設防。依據輸油氣管道相關抗震設計規(guī)范，抗震設計指標包括抗震設防要求、抗震設計驗算結果、抗震措施、抗震施工、鋼管材料5項子評價指標，根據其重要性設置分值權重各占20%，各項滿分均為20分，總分100分，見表3。

2.2 管道腐蝕

輸油氣管道一般是鋼質材料，鋼管腐蝕是導致輸油氣管道抗震能力下降的主要因素之一（帥健，許葵，2003）。導致管道腐蝕的因素包括介質腐蝕、管內保護層及其它措施、陰極保護、管道外涂層、土壤腐蝕性、使用年限、其它金屬埋設物、電流干擾、應力腐蝕等。

在不同土壤環(huán)境下，鋼質管道退化本構關系也具有差異性（劉威，2007）?？紤]酸性土壤環(huán)境，以某跨斷層長輸氣主干管線為例，其相關管道參數為：X60鋼管（Φ400×16），管道埋深為2.5 m;斷層運動形式為正斷層，管線與斷層的夾角β=70°，斷層滑動量Δ=1 m。采用鋼管的線性腐蝕模型，管徑和管壁的參數隨服役年限變化。通過殼有限元模型得到不同服役年限鋼管在該斷層位錯作用下的最大應變，如圖2所示，在服役年限超過40年后，鋼管的變形已進入塑性變形階段，管體將嚴重變形處于不安全狀態(tài)。

管道腐蝕指標包括介質腐蝕性、內防腐措施、陰保設計、防腐層材料、防腐層質量、土壤腐蝕性、管道使用年限、缺陷修補等10項子評價指標，各項滿分均為10分，總分100分，見表4。

2.3 地質災害防治

地震活躍地區(qū)一般也是地質災害易發(fā)地區(qū)。發(fā)震斷層的周圍屬于極震區(qū)，近場強震動容易導致地質災害。例如，在汶川地震中蘭成渝管道雖然避開了斷層錯動的威脅，但是山體崩塌的巨石砸損了隨管道敷設的光纜。地質災害防治主要包括對滑坡崩塌、場地液化等地質災害的防治。地質災害防治指標分為地質災害防災預案、危險性評估、治理方案、治理施工、驗收審批等5項子評價指標，評分權重各占20%，各項滿分均為20分，總分100分，見表5。

2.4 地震應急處置

當地震災害發(fā)生后，應急處置得當可以有效減輕災害損失。在災害發(fā)生前也可采取有效的處置措施避免或降低災害損失，包括在斷層兩側設置截斷閥、布設地震監(jiān)測報警系統(tǒng)等。根據《防震減災法》《破壞性地震應急條例》等，地震應急處置指標包括斷層兩側布設截斷閥、布設地震監(jiān)測系統(tǒng)、應急處置預案、應急裝備、應急人員培訓及演練、應急值守6項子評價指標，根據重要性設置各自權重，總分100分，見表6。

4 結論

本文通過對比分析我國不同版本的輸油氣管道抗震規(guī)范發(fā)現，遵循行業(yè)標準建設的管道工程可能高估了管道的抗震能力。數值分析結果表明較長時間的腐蝕會使得管道抵御斷層位錯能力進一步降低。對于現役輸油氣管道，本文通過建立抗震設計、鋼管腐蝕、地質災害防治、應急處置4項抗震韌性評價指標，采用KENT危險指數分析法，提出現役輸油氣管道穿越活動斷層地段的抗震韌性評價流程和方法，為輸油氣管道的地震風險治理提供參考。

目前，本文工作尚局限于研究通過活動斷層的部分管段的抗震韌性評價，后續(xù)需要與整條輸油氣管道的地震風險評價進行有機結合，提出綜合的評價方法，同時擬在以下方面進行優(yōu)化：一是強化評價指標的客觀性，盡量減少評價人員主觀因素，并進一步量化評價指標;二是考慮管道修復經濟因素及修復難易程度;三是增強評價方法的實用性和可操作性。

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