張曉瑞，孫明燁，井 帥，秦業(yè)美, 張增斌, 宋海翔

(1.北京市燃氣集團有限公司，北京 100035；2.唐山市燃氣集團有限公司，河北 唐山 063002)

1 概述

發(fā)生地震時，城市燃氣系統(tǒng)可能會受到破壞，造成燃氣泄漏，進而引發(fā)火災等次生災害。我國幅員遼闊，地震帶分布各不相同，雖然國家發(fā)布了抗震設計的相關標準規(guī)范，但是在實踐中，如何有效降低事故概率、保障安全，還沒有統(tǒng)一的做法。

燃氣系統(tǒng)抗震相關研究可以分為兩個主要方向：① 從系統(tǒng)設計角度出發(fā)，通過提高管材等級、加設抗震措施等，提高系統(tǒng)本身的抗震能力，屬于被動抗震措施；② 通過加設地震緊急處置裝置，在原有抗震設計等級的基礎上，降低因管道破壞導致燃氣泄漏、引發(fā)火災等次生災害的概率，屬于主動抗震措施。

下面介紹燃氣管道抗震設計相關標準規(guī)范、新型抗震措施的研發(fā)情況，地震緊急處置系統(tǒng)及其關鍵設備：地震切斷裝置。

2 抗震相關標準規(guī)范

目前，國內(nèi)城市燃氣系統(tǒng)抗震設計參考的標準包括：GB 50032—2003《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規(guī)范》、GB/T 50470—2017《油氣輸送管道線路工程抗震設計規(guī)范》、GB 50981—2014《建筑機電工程抗震設計規(guī)范》、GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》、GB 50191—2012《構筑物抗震設計規(guī)范》等。

GB 50032—2003第1.0.2條提出了室外燃氣管道抗震設計的一般性要求：當遭遇低于本地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震影響時，一般不致?lián)p壞或不需修理仍可繼續(xù)使用。當遭遇本地區(qū)抗震設防烈度的地震影響時，管網(wǎng)震害可控制在局部范圍內(nèi)，避免造成次生災害。當遭遇高于本地區(qū)抗震設防烈度預估的罕遇地震影響時，管網(wǎng)震害不致引發(fā)嚴重次生災害并便于搶修和迅速恢復使用。同時也提出了燃氣管道建設時的場地選擇、管道材料、地震效應校核等具體要求，尤其是穿越斷層、土壤液化區(qū)等不利地質(zhì)條件的措施。

高壓城市燃氣管道抗震設計還可參考GB/T 50470—2017《油氣輸送管道線路工程抗震設計規(guī)范》。

GB 50981—2014中第6章與第8章詳細規(guī)定了室內(nèi)燃氣管道的抗震設計方法，尤其是對抗震支吊架的設置方式、形式、抗震驗算做了詳細規(guī)定。

燃氣廠站中建構筑物的抗震設計主要遵循GB 50011—2010與GB 50191—2012的要求。

在進行抗震設計時，還涉及一部分基礎參數(shù)相關的規(guī)范。例如，GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》給出了基本地震動參數(shù)，GB/T 17742—2008《中國地震烈度表》給出了地震烈度與地震加速度峰值的對應關系。

上述規(guī)范中針對燃氣管道的抗震措施包括：減少穿越地質(zhì)不利地區(qū)，穿越地質(zhì)不利地區(qū)的措施，提高抗震能力的通用措施等。主要著眼于提高燃氣管道的被動抗震能力，鮮有涉及提高燃氣管道主動抗震能力的內(nèi)容。

行業(yè)標準CJ/T 449—2014《切斷型膜式燃氣表》第6.8.1條提出了達到閾值地震動時切斷燃氣供應的可選功能：當?shù)卣饎訌姸鹊竭_2.5 m/s2時自動切斷燃氣供應并報警。

震后恢復方面的相關標準同樣缺乏，目前已經(jīng)發(fā)布的標準包括：GB/T 18208.1—2006《地震現(xiàn)場工作 第1部分：基本規(guī)定》、GB 18208.2—2001《地震現(xiàn)場工作 第2部分：建筑物安全鑒定》、GB/T 18208.3—2011《地震現(xiàn)場工作 第3部分：調(diào)查規(guī)范》、GB/T 18208.4—2011《地震現(xiàn)場工作 第4部分：災害直接損失評估》、GB/T 24335—2009《建(構)筑物地震破壞等級劃分》、GB/T 24336—2009《生命線工程地震破壞等級劃分》等，這些標準主要著眼于地震調(diào)查的內(nèi)容、時限、方法等，其中GB/T 24336—2009第9章給出了燃氣系統(tǒng)破壞等級的劃分，但缺少對震后系統(tǒng)恢復的指導。

總體而言，目前國內(nèi)燃氣管道抗震相關規(guī)范主要集中于避開不利地質(zhì)條件、惡劣地質(zhì)條件抗震措施、提高被動抗震能力方面，在地震緊急處置、震后恢復方面比較匱乏。

3 燃氣管道抗震措施發(fā)展現(xiàn)狀

燃氣管道抗震措施的相關研究方向包括：震害調(diào)查與預測、抗震規(guī)范實施、新型抗震措施開發(fā)等。

震害調(diào)查指在地震發(fā)生后進行地震觀測、震情分析、災害損失評估等工作。這是開展燃氣管道抗震的重要指導資料，能夠充分反映燃氣管網(wǎng)中的薄弱點，是開展燃氣管道抗震研究的基礎。目前，國內(nèi)公開發(fā)表的燃氣管道震害調(diào)查的文獻較少。高乃輝等[1]介紹了汶川地震中都江堰市燃氣系統(tǒng)的受災情況與恢復過程，王祥建等[2]則系統(tǒng)介紹了汶川地震中21個市縣城區(qū)的城鎮(zhèn)燃氣系統(tǒng)災害情況，葉飛等[3]概述了廬山地震后燃氣系統(tǒng)的震害特點。目前，GB/T 24336—2009提出了燃氣管道的地震破壞等級劃分，但缺少調(diào)壓站、加氣站等地震破壞等級的標準[4]。

震害預測則是在震前預估燃氣管網(wǎng)在不同震級下的破壞情況，能夠發(fā)現(xiàn)抗震薄弱環(huán)節(jié)，從而采取有針對性的防御措施以減輕地震災害損失和影響。常用的方法包括理論分析法(波動法)、經(jīng)驗統(tǒng)計法及理論分析與震害經(jīng)驗相結(jié)合的綜合方法等。

理論分析法通過計算給定震級地震動條件下，剛性管道的應力或接口連接管道的位移，并與許用應力、位移對比，最終給出管道破壞概率。經(jīng)驗統(tǒng)計法則根據(jù)震害統(tǒng)計資料，建立震害率與地震烈度、峰值地面速度(Peak Ground Velocity, PGV)或永久地面位移(Permanent Ground Deformation, PGD)之間的統(tǒng)計關系，并分析場地條件、管材、管徑等參數(shù)的影響[5-6]。管道震害率的預測也是進行地震經(jīng)濟損失估計、制定應急預案的關鍵[7]。具體預測方法的選擇需要考慮地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)翔實程度[8]、計算復雜度、應用場景等因素。

城市燃氣管網(wǎng)抗震建設中涉及到上述主要標準規(guī)范，目前關于規(guī)范實施遇到問題的相關討論較少，且集中在2008年汶川地震后，大多是關于某一地區(qū)燃氣管網(wǎng)抗震設計的內(nèi)容[9-10]，也有學者研究了管道設計參數(shù)、場地情況對管道抗震性能的影響規(guī)律[11-12]。陸成偉[13]介紹了GB 50981—2014在實際應用中所遇到的問題：沒有區(qū)分吊桿和斜撐受壓或受拉情況下的長細比限值且未明確加固措施，關于支吊架安裝斜撐角的相關條文不一致，支吊架與鋼筋混凝土結(jié)構連接用錨固件不明確等。

燃氣管道新型抗震措施的研究相對更少，而且大多針對埋地管道，罕有針對室內(nèi)燃氣管道抗震措施的研究[14]。林巧藝[15]結(jié)合廈門市燃氣公司的運營經(jīng)驗，在抗震規(guī)范的基礎上，提出在人群密集場所燃氣管道上加設緊急切斷閥、在埋地管道每隔300～500 m設置隔斷閥門；豎向管道管徑較大或自重較重時，下部應加設支墩，并給出了詳細的支墩設置方式。

可以看出，自2008年汶川地震以后，詳細震害調(diào)查、燃氣管道抗震校核受到了進一步的重視，但針對新型抗震措施與設備的開發(fā)研究仍然較少。

4 燃氣管道地震緊急處置系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

燃氣管道本體抗震措施能夠降低管道在地震條件下的破壞程度。但這些措施屬于被動措施，按照過高等級地震設防會大大增加燃氣管道的建設成本，設防等級偏低則不能充分降低震害。地震緊急處置系統(tǒng)則在抗震措施的基礎上，根據(jù)地震情況及時調(diào)整燃氣管道運行狀態(tài)，減少管道泄漏引發(fā)的次生災害。

燃氣系統(tǒng)地震緊急處置的原理是在地震發(fā)生時根據(jù)地震烈度情況切斷部分燃氣管道供應，減少地震導致的管道泄漏量，降低火災發(fā)生概率。典型的地震緊急處置系統(tǒng)由地震信息獲取、信息傳輸、綜合決策、緊急處置設備等4部分組成[16]。

地震信息獲取系統(tǒng)需要在城市燃氣系統(tǒng)沿線布設地震儀，監(jiān)測地震動情況?；蛘呓尤雵一虻貐^(qū)地震臺網(wǎng)，根據(jù)地震臺網(wǎng)信息估算燃氣系統(tǒng)當?shù)氐卣饎忧闆r。信息傳輸系統(tǒng)主要解決與地震臺網(wǎng)、緊急處置設備的通信等問題。綜合決策模塊則需要根據(jù)收集的信息，迅速估算燃氣管網(wǎng)不同位置的易損性情況，決定是否切斷高壓廠站、輸配干線的燃氣供應。緊急處置設備既可以是常規(guī)的電動閥門，也可以是專用的地震切斷閥，其主要功能是根據(jù)系統(tǒng)指令切斷燃氣供應，或當?shù)卣饎舆_到設定閾值后自動切斷。

目前，美國、荷蘭、日本已經(jīng)建成了成熟的燃氣管網(wǎng)地震緊急處置系統(tǒng)[17]，例如，日本東京燃氣先后建設了SIGNAL系統(tǒng)、SUPREME系統(tǒng)[18]。我國近年已建成地震動監(jiān)測臺網(wǎng)，但燃氣管網(wǎng)的地震緊急處置系統(tǒng)建設僅在部分地區(qū)小范圍內(nèi)示范運行[19-20]。

建設符合我國實際情況的燃氣管網(wǎng)地震緊急處置系統(tǒng)仍有許多問題需要解決，主要包括：① 國內(nèi)外燃氣供應系統(tǒng)在地震易損性等方面的差異性；② 燃氣供應系統(tǒng)地震緊急處置閾值確定原則和方法；③ 我國燃氣供應系統(tǒng)地震緊急處置閾值的合理取值[17]。

目前，國內(nèi)僅有CJ/T 449—2014針對有限條件確定了切斷閾值。美國土木工程學協(xié)會ASCE 25:2016《燃氣地震自動切斷裝置》第3.5.1條要求，當滿足表1的條件時，燃氣閥門應在5 s內(nèi)自動關閉。美國的Northridge 2000 M75型地震燃氣閥的切斷閾值為5.2級地震，對應峰值加速度為2.45 m/s2，與該標準1.0 s的震動周期條件相吻合[20]。

表1 ASCE 25:2016中燃氣地震自動切斷裝置關閉條件

日本由于地震頻發(fā)，城市燃氣的抗震經(jīng)驗豐富。其戶內(nèi)燃氣表中，幾乎全部內(nèi)置了地震感應切斷裝置，當震級超過5級時自動切斷燃氣供應。中壓B、低壓燃氣管道上同樣設置地震切斷閥門，切斷閾值為2.5 m/s2。

不同位置的切斷閥門閾值決定因素有所不同。燃氣輸配干線、區(qū)域隔斷處，切斷閾值主要由管道系統(tǒng)的抗震性能決定，主要受管道本身的抗震性能和局部場地條件影響。小區(qū)氣源管道處，切斷閾值由管道抗震性能和小區(qū)建筑抗震易損性共同決定。戶內(nèi)切斷裝置的切斷閾值則主要受用戶燃氣設備地震反應特性影響。

李昕[21]提出，設定地震切斷閾值時，可以首先計算燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)在不同地震強度下的破壞情況，根據(jù)計算結(jié)果劃分緊急處置區(qū)塊，確定緊急處置系統(tǒng)的閾值。雖然地震切斷閥門適用于各種壓力級制的管道系統(tǒng)，但是高壓管道不宜設置該類型閥門，應采用遙控切斷方式；為居民供氣的燃氣管道可以設置地震切斷閥門，但為企業(yè)、重要公共設施供氣的燃氣管道宜采用人工切斷方式；因閥門接口是地震時的主要漏氣處，故低壓燃氣管道系統(tǒng)宜僅在氣源干線上設置地震切斷閥門，以降低漏氣隱患。根據(jù)此原則，有研究者研究了唐山市燃氣管網(wǎng)的地震緊急處置系統(tǒng)初步設計問題[22-23]。

確定切斷閾值后，仍需考慮其與儀器烈度參數(shù)間的對應關系。侯寶瑞[24]統(tǒng)計分析了2007—2015年中國大陸的4 518條強震動觀測數(shù)據(jù)，以及日本K-net強震動觀測臺網(wǎng)2000—2012年記錄的強震觀測數(shù)據(jù)，給出了譜烈度SI、加速度峰值PGA與儀器地震烈度I、PGA0.1-10Hz(下標0.1-10Hz表示濾波頻帶)、PGV0.1-10Hz以及P波段位移幅值Pd之間的統(tǒng)計關系，方便了常用切斷閾值的實際推廣應用。

此外，隨著SCADA系統(tǒng)在城市燃氣管網(wǎng)中的廣泛應用，地震緊急處置系統(tǒng)的建設也可以借助SCADA系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，無需重新建設通信系統(tǒng)，充分降低建設成本。通過在管道系統(tǒng)中加設地震儀、地震切斷設備，經(jīng)過與SCADA系統(tǒng)整合即可實現(xiàn)地震緊急處置[25-26]。

5 燃氣管道地震切斷裝置發(fā)展現(xiàn)狀

地震切斷裝置是地震緊急處置系統(tǒng)的關鍵設備，根據(jù)其結(jié)構，可以分為落球式結(jié)構、永磁式結(jié)構與電動結(jié)構等[27]。

落球式地震切斷裝置的理論基礎是建立在一個坐落在帶有凹坑的球座上的鋼球在水平地震力的作用下，鋼球滾出凹坑，從球座上落下，從而觸發(fā)燃氣閥門關閉。落球式地震切斷裝置的具體實現(xiàn)有所差別。高峰等[19]研發(fā)了一種豎向落球式地震切斷閥門結(jié)構，見圖1。當發(fā)生地震時，金屬球脫離球座而堵塞氣體通道；復位時用專用工具擰動轉(zhuǎn)軸帶動撥叉將金屬球撥到球座上。該裝置也可以和燃氣系統(tǒng)中的安全切斷閥配合使用，起到大口徑水平管道的地震切斷作用。

圖1 豎向落球式地震切斷閥門結(jié)構原理

楊學山等[28]介紹了一種可以直接用于大口徑管道的落球式地震切斷閥門，其結(jié)構見圖2。無地震時，齒條頂軸和鋼球?qū)㈤y桿頂起，燃氣可從入口沿著箭頭方向流向出口。當有地震時，鋼球在地震的作用下，脫離開齒條頂軸，閥桿由于重力作用下落，閥門關閉。當需要接通時，使用螺絲刀擰動復位開關，撥動齒條頂軸下移，使鋼球坐落在齒條頂軸上，然后靠復位開關和齒條頂軸的反撥將球和閥桿頂起，閥門開啟。

圖2 大口徑地震切斷閥門結(jié)構原理

崔建文等[20]介紹了美國Northridge 2000 M75型地震燃氣閥在云南的示范應用情況，其結(jié)構同樣是落球式。

落球式地震切斷閥門無需供電，發(fā)生地震時切斷性能可靠。但其靈敏度不可調(diào)節(jié)，管道口徑不宜太大。永磁式地震切斷裝置則克服了靈敏度不可調(diào)的缺點，且可以用于大口徑管道。永磁式地震切斷裝置的原理(有地震時)見圖3。在沒有地震時，重錘通過軟鐵與永磁鐵連接在一起(永磁鐵的下表面與軟鐵的上表面緊密貼合)，保證閥門開啟。當?shù)卣鸢l(fā)生時，重錘在地震加速度的作用下偏離平衡位置，軟鐵與永磁鐵直接產(chǎn)生間隙，吸力大大下降，重錘在重力作用下落，關閉閥門。通過調(diào)節(jié)重錘的質(zhì)量，可以調(diào)整閥門的切斷閾值。

圖3 永磁式地震切斷裝置原理(有地震時)

邵澤華[29]介紹了一種基于機械式的燃氣表專用地震傳感器，其結(jié)構見圖4。連接桿與內(nèi)腔下殼分別通過導線與燃氣表的傳感器檢測模塊連接，地震超過一定強度后會接通閥門切斷信號電路，發(fā)出切斷燃氣供應信號。嵌入燃氣表的處理芯片接收到信號后關閉切斷閥，切斷燃氣供應。燃氣表切斷后可發(fā)出聲光報警，并向總控室發(fā)送燃氣表切斷信息。

圖4 燃氣表專用地震傳感器結(jié)構

機械式切斷裝置的優(yōu)點在于其無需供電，可以安全可靠地切斷燃氣供應；對高頻震動信號不敏感，能夠有效拾取地震能量集中的低頻震動信號[22]。但不能夠設定精確的切斷閾值，比較適用于中低壓管網(wǎng)中供電困難的管段。

除了上述機械式觸發(fā)結(jié)構，也可以采用電控類。例如，崔建文等[20]介紹了一種大管徑燃氣管道地震緊急處置裝置，由地震動檢測儀、燃氣緊急切斷閥和遠程信息通信設備構成。系統(tǒng)設置了主地震動檢測儀、輔助地震動檢測儀，僅當兩套監(jiān)測設備均超過閾值時，才會發(fā)出閥門切斷信號。

電控類地震切斷裝置需要良好的供電條件，但在地震條件下難以保證，比較適用于地震條件下對燃氣輸配系統(tǒng)的預切斷，即中控系統(tǒng)已經(jīng)收到地震信息，但地震波仍未傳遞到地震切斷裝置安裝位置時，通過預判當?shù)氐卣鹆叶阮A先切斷燃氣供應。機械式地震切斷裝置無需供電，但僅能實現(xiàn)就地切斷。兩類裝置應配合使用，實現(xiàn)燃氣輸配系統(tǒng)的最大抗震能力。

6 結(jié)語

本文從抗震標準體系與應用、新型抗震措施研發(fā)、地震緊急處置系統(tǒng)與設備的研發(fā)和示范方面介紹了燃氣管道的抗震減災發(fā)展情況。目前，國內(nèi)燃氣管道抗震相關規(guī)范主要集中于避開不利地質(zhì)條件、惡劣地質(zhì)條件抗震措施、提高被動抗震能力方面，其應用多在于某個地區(qū)燃氣管道的抗震校核，鮮有關于規(guī)范的不足、新型抗震措施的討論。

燃氣管道地震緊急處置系統(tǒng)與裝置在國內(nèi)的研發(fā)已持續(xù)逾10 a，目前關于緊急處置系統(tǒng)結(jié)構、緊急處置裝置結(jié)構設計方面已經(jīng)比較成熟，后續(xù)研究重點與難點在于確定緊急處置切斷閾值。推動緊急處置系統(tǒng)與裝置應用是另一重點任務，可以為系統(tǒng)改進、閾值設定反饋實踐經(jīng)驗，其難點是系統(tǒng)與裝置的標準化。這兩個方面是互相耦合的，切斷閾值無標準可參考限制了緊急處置系統(tǒng)與裝置的推廣應用，缺少應用又反過來限制了利用實踐經(jīng)驗改進的可能，使燃氣系統(tǒng)緊急處置系統(tǒng)與裝置局限于試驗階段。在未來研究中，應更加注意示范應用與實踐經(jīng)驗總結(jié)。

總體而言，我國燃氣管道抗震減災相關研究取得了一定成果，但相關研究工作缺少工程上的銜接與示范，相應的系統(tǒng)建設缺乏規(guī)范指導，導致相應的研究成果缺少實踐反饋修正，對其推廣應用造成了一定障礙，下一步研究中應予以側(cè)重。