1.5　地下管线的抗震设计

1.5.1　各国管道抗震设计规范

管道遭受地震破坏可以追溯到1906年的美国旧金山大地震,而管道的抗震设计得到真正的重视应该是在20世纪70年代以后。多次强烈地震的经验教训促使人们不断地修订已有的管道抗震设计规范。

(1)中国规范。

虽然我国管道的抗震研究起步较晚,在吸取国内外管道震害经验和研究成果的基础上,现在我国的管道抗震设计规范已经从过去的应力设计(强度校核)发展到现在的应变设计(变形校核)。这里包括2003年出版的《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》(GB 50032—2003)[130]和2004年出版的《输油(气)埋地钢质管道抗震设计规范》(SY/T 0450—2004)。

我国最新的《输油(气)埋地钢质管道抗震设计规范》(SY/T 0450—2004)采用了变形控制理论,实行“预防为主”的方针,在遇到地震影响时,避免或减少输油(气)钢质管道的破坏和防止次生灾害发生,便于抢修和迅速恢复使用。该规范采用了最新《中国地震动参数区划图》(GB 18306)的地震动参数代替原来的地震烈度,地震作用的输入包括PGA、PGV和PGD等[131]。

(2)日本规范。

1974年3月,日本基于有关管道地震对策调查报告制定了《输油管道技术基准》。该基准被用于1978年东京成田国际机场燃料输送管道的工程设计。随后日本各管道协会推出了相应的抗震设计规范:1979年日本水道协会出版了《水道设施的耐震工法指针解说》;1982年日本天然气协会出版了《天然气导管耐震设计指针》;1984年日本建设省土木研究所出版了《共同沟耐震设计要领(案)》;NTT筑波场地技术开发中心在1987年出版了《地下管路设备的耐震设计指针(案)》。在这些日本规范中,管道抗震设计主要采用的是应答变位法,即变形反应方法。

1995年日本阪神地震之后,日本各管道协会又分别对各自的规范进行了修订。例如,日本水道协会1997年出版了修订后的《水道设施的耐震工法指针》,将埋地供水管道按照两级地震动水平设计,一级地震动水平GML1规定的地震复发周期为100～200a,二级地震动水平GML2则规定为一直接发生在该城市的M6.8地震,相当于阪神地震那种情况。

(3)美国规范。

1926年,美国标准协会(American Standards Association)启动了B31项目,并于1935年试行了美国压力管道第一本标准规范(American Tentative Standard Code for Pres-sure Piping,B31),1951年颁布了B31.4和B31.8。1971年美国圣费尔南多地震之后,管道等生命线的抗震问题得到重视,相应的学术组织也开始成立。1984年,美国土木工程学会生命线地震工程委员会(ASCE TCLEE)出版了输油、气管道的抗震规范(《Guidelines for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline Systems》)。2001年9·11事件后,美国生命线同盟会(ALA)成立,其目标是减轻生命线系统受自然灾害和人为威胁(如爆炸、恐怖袭击等)风险。ASCE/FEMA于2001年出版了各种埋地钢管在地震、爆炸下的设计指南(《Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe》),ALA/FEMA于2005年出版了《供水管道系统抗震设计指南》(《Seismic Guidelines for Water Pipelines》)。

(4)其他国家的规范。

基于管道应力设计的英国规范为BS8010,规范中要求管道的应变小于0.1%、管径和管壁的比例D/t<60,但是该规范不适用于高温高压管道等需要进行应变设计的情况。一个常被海底管道设计采用的规范是挪威的《Det Norske Veritas(DNV)Pipeline Codes(1996)》。该规范在2000年进行了修订,所以被简称为DNV 2000。在大量的各种管道实验的基础上,该规范给出了跨海管道的极限状态设计方法,并应用于一条穿越黑海的管道设计中。该规范的设计理念是考虑管道所有可能的失效模式,基于各种工况实验得到的数据和大量有限元模拟的结果,判明管道各种失效模式发生的概率,计算管道相应此种失效模式的安全系数,目标是达到管道工程在整个寿命期内的投资最优化设计。

DNV管道设计规范考虑的典型极限状态包括:①管道所能承受的极限压力;②组合外部荷载和管内流体冲击荷载等引起的管道局部屈曲;③管道在被挤压时发生竖向抬升形成的梁式屈曲和海底管道常见的侧向蛇形屈曲:④管道截面的椭圆化变形;⑤在压力和温度以及海流作用下的管材疲劳失效:⑥在循环加温的情况下,沿着管道存在温度差导致管道各点的应变不同有可能出现管道会发生移动的现象。极限状态设计是在大量的研究和实验的基础上才能进行的,这类管道规范还不多见。

1.5.2　基于应变设计的管线抗震设计方法

国内现行的各类管道设计标准大多数都是遵循传统的基于许用应力的设计准则,即保证外荷载产生的管道应力或等效应力不高于管材本身的最低屈服应力。这种设计方法曾经为过去和现在的管道安全运营提供了很好的保障。但当遇到地震、滑坡、泥石流及海底管道敷设等情况时,对于管道应力超过比例极限后的继续变形,基于应力的设计准则已不再适用。同时对于延性高的管材,在荷载作用下产生应变后,外载荷有被管道变形吸收的特点。因此,地下管道的抗震设计采用基于应变的管道设计方法更为合理。

应变设计是一种将结构的应变而非应力作为控制值的设计方法。它对于位移控制载荷为主载荷的管段,在保证管道安全运营的前提下,允许管道的应变超过屈服应变,此时的管道虽发生一定塑性变形,但仍能满足生产要求。在基于应力设计的基础上辅以基于应变的设计方法,解决了特定荷载和极限状态条件下管道设计的问题,能够使管材更充分地发挥作用,从而实现安全与经济的设计。

应变设计广泛应用于高温/高压管道设计、海底管道设计、穿过极地寒冷地区管道的保温设计以及通过在地面变形显著地区(地震断层活动地区、滑坡地区、砂土液化地区及冻土地区等)的管道设计。

挪威船级社(DNV)1982年就提出将基于应变的设计准则与基于应力的设计准则结合起来。基于应变的设计准则研究从20世纪90年代初期开始较大范围地展开。挪威船级社于1996年出版了海底管线的极限设计准则,提出了多种载荷条件下的极限状态分析方法[132]。同年,加拿大标准协会(CSA)公布了CSA Z662-96,在海底管道设计和极限状态设计中也提出了基于应变设计的方式与方法[133]。近10多年来许多机构和个人又提出了多种有借鉴意义的基于应变的设计准则,同时也在继续探讨和完善与应变设计准则相关的理论。

管道科技工作者针对基于应变的设计准则开展了大量的研究。其中以大型有限元软件为分析工具的数值模拟方法为主,同时也做了一些全尺寸实验。Ellinas等人对包括纯弯曲、组合弯曲和内压载荷下的36个不同试件进行了测试,提出了陆地和海底管道基于应变设计的方法,可以利用大型有限元软件ABAQUS进行模拟计算,进而得到屈曲应变的设计公式[134]。Dinovitzer、S.Aaron等人利用二维和三维非线性有限元分析确定了环向缺陷的局部扩展,给出尖锐或平面缺陷失效准则,其失效准则考虑了缺陷长度、材料强化率和材料模型等因素。EMCC公司的Wang Yong-Yi等人分析了存在表面裂纹的环焊缝的许用应变,发现影响环焊缝应变承受能力的因素有缺陷尺寸、管材与焊接材料间的应变强化率、环焊缝强度匹配、断裂韧性、焊帽高度,其中缺陷尺寸最为关键。作出了裂纹尖端张开位移的驱动力和外加应变的关系图,并将其划分为3个区域,对252例有限元数值模拟结果进行了曲线拟合,得到各区域对应的许用应变。Wang Yong-Yi等人把内部缺陷看成表面破裂缺陷的简化方法来研究大纵向应变下,有内部缺陷的环焊缝的力学行为,也利用ABAQUS软件分析研究了内部缺陷对环焊缝拉伸应变极限的影响。2003年由美国管道安全部(OPS)及矿业管理部(MMS)联合主持,爱迪生焊接研究所(EWI)撰写了《以应变为基础的管道设计》这一研究报告,系统地阐述了以应变为基础的管道设计方法与建议。

现行的基于应变的管道设计准则包括挪威船级社2000年出版的《海底管道系统》(DNV—OS—F101)、加拿大标准协会2003年出版的《油气管线系统》(CSA—Z662)、美国石油协会《碳氢化合物海底管道设计、建设、运行和维修》(API RP 1111—1999)、美国土木建筑工程师协会(ASCE)出版的《埋地管道设计指导》、ASME B31.8、API 1104和ABS 2001等[135]。

目前世界范围内已经有多个工程应用了基于应变的设计准则。例如,Shell在Malampaya油田管道的设计建设中针对地震和海床运动应用了极限状态的设计准则;Norman Wells的Enbridge穿越冻土层的管道使用了基于应变的设计方法。

1.5.3　基于性能设计的管线抗震设计方法

管道性能设计是依据管道在震后恢复和救灾的重要程度采取不同的抗震设防水准的一种设计方法。从性能设计的角度,为了达到整个管道系统在震后维持必要的基本服务功能,则需要使系统中的各条管道具备相应其重要性级别的性能可靠度[136]。一条管道在整个系统中的位置越重要,则要求其性能可靠度越高。管道性能可靠度的高低取决于该管道在设计时它的地震安全余度的大小,换句话说,按照地震50a超越概率较低设计的管道抗震能力越强,管道的地震安全余度越大。例如,美国ALA/FEMA于2005年出版的《供水管道抗震设计指南》中,根据管道在系统中的重要性及其服务功能,将供水管网中的各条管道分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等4个级别(表1.1)。同一个供水系统的不同级别的管道按照不同的抗震设防水平(表1.2)进行设计。

目前管道的抗震设计已从过去的弹性设计向塑性设计发展,从原来的应力设计向应变设计发展,相继提出了极限状态设计、性能设计和后果设计的理念。