西氣東輸二線管道在罐罐嶺地震斷裂帶的敷設(shè)

摘 要

摘要：西氣東輸二線甘肅段輸氣管道與罐罐嶺地震斷裂帶有1處相交。天然氣長輸管道在通過地震斷裂帶時，若遭遇高于該地區(qū)基本烈度的地震將會造成管道斷裂、屈曲失穩(wěn)及拉斷等損壞
摘要：西氣東輸二線甘肅段輸氣管道與罐罐嶺地震斷裂帶有1處相交。天然氣長輸管道在通過地震斷裂帶時，若遭遇高于該地區(qū)基本烈度的地震將會造成管道斷裂、屈曲失穩(wěn)及拉斷等損壞。為此，闡述了地震斷裂帶處管道設(shè)計及施工需要注意的問題，介紹了西氣東輸二線管道通過罐罐嶺地震斷裂帶時的敷設(shè)技術(shù)。通過不斷調(diào)整設(shè)計，優(yōu)化了線路與斷裂帶的交角，并對管道壁厚等參數(shù)進行了嚴格的計算分析，在國內(nèi)首次采用了X80 HD2大變形鋼管，以便在遇到地震影響時避免或減少管道破壞并防止發(fā)生次生災害。為確保管道安全運行，強化了抗震、防震設(shè)計理念及技術(shù)措施，為類似工程積累了經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞：西氣東輸二線；天然氣管道；地震斷裂帶；應變設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計；大變形鋼；管道壁厚參數(shù)；安全
1 工程概況
    罐罐嶺地震斷裂(又名天橋溝-黃羊川斷裂)帶位于甘肅省白銀市景泰縣，管道在BL046+409mm附近與罐罐嶺地震斷裂帶相交。西氣東輸二線本段管道所在區(qū)域設(shè)計基本地震加速度值為0.20g(g為重力加速度)，地震動反應譜特征周期為0.45s。管道沿線覆蓋層大部分地段以粉質(zhì)黏土、碎石類土為主，不存在飽和砂土，可不考慮地震液化問題。該處斷裂帶位錯方式為左旋逆斷，水平位錯量為3.5m，垂直位錯量為3.9m。逆走滑斷裂的影響帶寬度為30m。
2 抗震、防震設(shè)計方法
2.1 地震對管道可能引起的破壞
    地震對管道可能引起的破壞有以下幾種：
    1) 地震引起斷層活動將管道錯斷或使管道屈曲失穩(wěn)。
    2) 地震引起土體致密造成管道沉降，場地上傳遞地震剪切波引起管道壓縮或拉伸應變，使管道褶皺屈曲或拉斷。
    3) 地震時地面出現(xiàn)開裂或錯動，使管道斷裂。
    4) 地震引起非黏性土地區(qū)砂土液化，造成管道上浮或設(shè)備基礎(chǔ)沉降災害。
    5) 地震引起塌方或深層土體滑坡，威脅管道安全[1]。
2.2 抗震、防震設(shè)計理念
    油氣長輸管道的抗震、防震設(shè)計重點是管道沿線(包括站場和輔助設(shè)施)經(jīng)過地震斷裂帶的處理方式，同時也應考慮地震波及地震液化地帶對管道的影響。
    管道必須經(jīng)過斷層時，考慮到管道的抗拉能力遠遠大于抗壓能力，應盡可能使管道在斷層位移時處于受拉狀態(tài)。所以，當管道經(jīng)過逆沖斷層時，設(shè)計應做相應的處理[2～3]。
    針對地震對管道的幾種破壞形式，設(shè)計管道通過地震斷裂帶時要做到：
    1) 調(diào)整管道與斷層的交叉角度。調(diào)整角度的原則是盡量使管道整體受拉。管道與斷裂帶穿越交角不大于90°，選定線時應盡量使管道與斷裂帶正交，優(yōu)化管道與斷層交角(對于交角大于90°的應調(diào)整角度到90°)以減少通過地震斷裂帶及其影響區(qū)的長度。
    2) 增加管道延性。通過采用大變形鋼管來增加管道的延性，這是國內(nèi)首次通過這種方式來提高管道延性。
    3) 避免在斷裂帶兩側(cè)各200m范圍內(nèi)出現(xiàn)冷彎彎管和熱煨彎管及彈性敷設(shè)。
    4) 在地震斷裂帶及其影響區(qū)兩側(cè)各200m范圍內(nèi)增加管溝寬度并減少管道埋深，回填些非黏性材料以提高管道的自由度，并保證回填物在較長時間內(nèi)不因雨水浸泡而過于密實。
    5) 在地震斷裂帶及其影響區(qū)兩側(cè)各200m范圍內(nèi)增加管道壁厚，提高抗震能力。
    6) 還應將該段管道所有環(huán)向焊縫進行100%的射線檢查和超聲檢驗，在斷裂帶兩側(cè)適當位置增設(shè)線路截斷閥室等。
    在設(shè)計過程要充分考慮以上幾點，制訂出優(yōu)化的設(shè)計方案，力求將地震帶來的不利影響減少到最低程度[4]。
2.3 管材選取
    西氣東輸二線甘肅段輸氣管道與罐罐嶺地震斷裂帶1處相交。本段管道設(shè)計壓力為12MPa，地區(qū)等級為一級，通過對斷層位移作用下管道進行應變校核得出：壁厚為26.4mm時，采用X80 HD1和X80 HD2兩種鋼管，但考慮到管道與斷層交叉處地形復雜，埋深不好控制，為便于統(tǒng)一采辦。因此管道通過罐罐嶺地震斷裂帶兩側(cè)各200m范圍(BL046+203～BL046+603mm)全部采用Φ1219mm×26.4mm X80 HD2大變形鋼管。
2.4 管溝設(shè)計
    本段地層上部為粉土，黃色，稍密，稍濕，土質(zhì)不均勻，厚度為1.5～2.4m，土石工程分級為Ⅱ級；下部為細砂，黃色，中密，局部夾有薄層礫砂，主要礦物成分為石英，勘察深度范圍內(nèi)未揭穿該層，土石工程分級為Ⅱ級。
    西氣東輸二線輸氣管道罐罐嶺地震斷裂帶施工段采用寬管溝敷設(shè)方式，對于地震斷裂帶兩側(cè)各30m范圍內(nèi)，以斷裂帶為中心，逆氣流方向一側(cè)溝底寬4.819m，管溝挖深4.609m，管溝放坡為1:0.75，管溝底部2.0m深度部分用中砂墊層。順氣流方向一側(cè)溝底寬4.819 m，管溝挖深2.809m，管溝放坡為1:0.75，管溝底部0.2m深度部分用中砂墊層，如圖1、2所示。
圖1、2中各參數(shù)詳見表1。
 

表1 管溝參數(shù)表    m
d
h
H
l
L
備注
1.8
0.2
1
30
200
下盤
1.8
2
1
30
200
上盤
3.1 管溝開挖
3.1.1地震斷裂帶兩側(cè)各30m范圍內(nèi)的管溝開挖
    對于地震斷裂帶兩側(cè)各30m范圍內(nèi)，以斷裂帶為中心，逆氣流方向為Ⅰ-Ⅰ斷面，順氣流方向為Ⅱ-Ⅱ斷面，如圖3所示。
 

    對于圖3中Ⅰ-Ⅰ斷面的管溝，管溝挖深為4.609m，溝底寬度為4.819m，邊坡比為1:0.75，如圖4所示。
 

    對于圖3中Ⅱ-Ⅱ斷面的管溝，管溝挖深為2.809m，溝底寬度為4.819m，邊坡比為1:0.75，如圖5所示。
 

    在開挖過程中，從斷裂帶中心往兩側(cè)各30m范圍內(nèi)，按1:0.75的邊坡比，管溝寬度平緩恢復至正常管溝寬度[7]。
3.1.2地震斷裂帶兩側(cè)各30m范圍外的管溝開挖
    地震斷裂帶兩側(cè)各30m范圍外的管溝開挖，按正常管溝開挖的要求進行施工，即在一般地段管溝挖深不小于2.4m(卵礫石段管溝超挖0.2m)，管溝底寬2.0m(石方段管溝底寬為2.4m)。
3.2 中砂墊層
    在管溝開挖完成后，按設(shè)計要求，用經(jīng)過報驗的中砂鋪設(shè)在溝底。對于Ⅰ-Ⅰ斷面的管溝，管底中砂墊層為2m，如圖4所示；對于Ⅱ-Ⅱ斷面的管溝，管底中砂墊層為0.2m，如圖5所示。
3.3 管道焊接
    穿越活動性斷裂帶段所用大變形鋼管道的焊接，要保證環(huán)焊縫的屈服強度及抗拉強度都要高于管體本身，而不僅僅高于管體規(guī)定最低抗拉強度，以保證地表發(fā)生變形時管體本身優(yōu)越的變形能力能得以充分發(fā)揮[8]。
    西氣東輸二線罐罐嶺地震斷裂帶大變形鋼主線路焊接采用WPS-XQ2-HD-07焊接工藝規(guī)程，即STT根焊+半自動焊填充/蓋面的方法。另外，根焊焊材選用BOEHLER SG3-P(Φ1.2 mm)，填充、蓋面焊材選用HOBART FABSHIELD X80(Φ2.0mm)。
    在無損檢測時，按照線路施工技術(shù)要求，斷裂帶穿越段除1OO%射線照相探傷外，還需進行100%超聲波探傷。射線探傷檢驗和超聲波探傷檢驗，應符合Q/SY GJX 0112《西氣東輸二線管道無損檢測規(guī)范》[9]的規(guī)定，Ⅱ級以上焊縫為合格。
4 結(jié)論
    西氣東輸二線管道通過罐罐嶺斷裂帶時，不斷調(diào)整設(shè)計，優(yōu)化了線路與斷裂帶交角，并對管道壁厚等參數(shù)進行了嚴格的計算分析，在國內(nèi)首次采用了X80 HD2大變形鋼管，以保證管道安全運行，在遇到地震影響時避免或減少管道的破壞和防止發(fā)生次生災害，從設(shè)計理念上增強了抗震、防震措施，拓寬了油氣長輸管道抗震、防震設(shè)計上的視野和思路，為類似工程積累了寶貴的經(jīng)驗。
參考文獻
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[8] 國家發(fā)展和改革委員會.SY-T0450—2004輸油(氣)埋地鋼制管道抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：石油工業(yè)出版社，2004.
[9] 中國石油天然氣股份有限公司管道建設(shè)項目經(jīng)理部.Q/SY GJX 0112—2007西氣東輸二線管道工程無損檢測規(guī)范[S].北京：[出版者不詳]，2007.
 
(本文作者：管軍1 王敏2 1.中國石油天然氣管道局國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計管理部；2.西安長慶科技工程有限責任公司)