中国科技期刊数据库工业Ａ 管道抗震影响分析 张国军 刘杰刘瑞凯 中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘０６２５５０ 摘要：管道运输具有输送费用低、输送能力大、作业方便、建设费用低等优势，因此管道行业的重要性日益凸显，对管道抗 震方法的研究也日益深入。本文结合管道抗震研究的相关理论，分析了地震波动作用下管道的应力与应变，最后提出了提高 管道抗震性的方法。 关键词：管道：抗震性；分析 中图分类号：Ｕ１７１ 文献标识码：Ａ 文章鳊号：１６７１．５７９９（２０１５）０８．０１７１一Ｏ１ 成管道产生的应力以轴向拉应力为主，其次是剪切应力的结 １地震对埋地管道的影响 地震时对埋地管道的影响，可概括为位移（断裂）和振动 两大类。共中，位移是对地基土体的直接剪切的初始剪切位 移，这种位移有时包会引起地下结构物的破坏。这一类影响， 通过覆盖层传到地表层，使地基土体产生较大的位移或使士 体结构丧失稳定性。振动的影响，是假定地基土体在不丧失 结构稳定性的情况下，给予地下结构物的动力效应。这时， 把埋地管道视为一弹性地基上的无限长梁，并考虑到管道周 围土体的摩擦力的存在或改变，就可以比较容易地了解管道 在地震影响下的性状。 埋地管道作为一种地下结构物，它所具有的特点与一般 的海洋固定平台等结构物还有所不同。有效的抗震设计体系 在于所设计的结构物，能以设法顺从（适应）土体这一变形而 不遭受破坏，才是合适的结构抗震设计措施。当然，最好是 在管道工程规划布置中，尽量避开对位移敏感的地基上体地 段，即尽量躲开在软弱地基土体中敷设管道，这是最有利的 方案。但对海底油气管道，要敞剑这一点比较困难，它的路 径多数是由油、气井的位置或平台位置来决定的 。 论。因为管道的最大弯曲变形相对于 一、 一，而言相 当小，所以只有在管外径较大的管道或弯曲管段时，才有必 要考虑地震引起管道弯曲变形产生的弯曲应力。 。 表１不同地基土体类别ＶＰ及Ｔ的数值 地基土体类别 Ｉ坚实地基土体 ＩＩ洪积层土地基 Ⅲ冲积层土地基 （ ） ０．１～Ｏ．２ Ｏ．２～０．４ ０．４～０．６ Ｖ，（ｍ／ｓ） ＞４００ ４００￣２５０ ２５Ｏ～１５０ Ⅳ软弱地基 ０．６～１．０ １５０～５Ｏ ２地震波动作用下管道的应力与应变 ２．１地震波动下地基土体的变形 由于地震时管道的破坏，主要是由于管道周围土体变形 所造成。根据地下管道与地基土体的刚度特性，管道在地震 时将伴随周围土体一起变形。所以，假定管道将承受与周围 土体同样的纵向和横向变形引起的应力与应变。 地基土体（周围土体）的变形，可简单地按表面波理论进 行分析。这样，地震时的地面运动非常近似于正弦波型的平 面弹性波，此时的地面运动特性可描述为［２］： ３．Ｉ柔性接口比刚性接口的抗震性能强 凡与重大设备或其他结构：物联接的管道，无论在水上、 水下或在海底土中，均应静先考虑柔性连接，或留出必要的 变形余量。考虑到地震时管道有较大的轴向变形，改变配管 方式留出一定的变形余量。如采用焊接的弯管段或用挠性元 件进行焊接连接，加大管道的挠性提高其抗震性能。 对于管道分叉部位或主管上接出支管的三通，应采取在 分叉部位或三通局部予以加强（或采取补强）的办法，以提高 分叉部位局部的抗震能力。 ３．２管道在定轴线时要选择合适的地段 管道在定轴线时要尽可能避开倾斜度大的地基土壤地 段、基底深坑洼陷地段和沟坎等复杂地形的地段，这些地段 如地震发生时会引起更犬的地基土体变形，稳定性差，管道 易遭震害。如必须穿越这些地段时，应对管道采取相应的加 固措施。 ３．３改进工艺布置和规划 管道布置工艺的改进对管道抗震性能影响很大。由于管 道的管路液流不应留有死端或盲管，若工艺设计上必须设置 管路死端或官管，则应在管路上每隔一定距离设置节制阀， 预防地震时产生过大的内部动水压力和水击压力。节制阀设 置间距由核算确定，有时仅为１公里。 ． ３．４增强管道与各设备连接的柔性 管道与油罐等设备的连接应具有一定的柔性。这样当油 罐、设备等连接的管道受地震震动力的作用会发生相对变 位，由于互相牵制都会破坏。现在采取的措施是在罐前采用 波纹管补偿器的办法，使管道与油罐之间的连接增加柔性， 在一定程度上可以吸收它们之间的相对变位，达到减轻或防 止地震造成的损害。 ４结语 总的来说，管道抗震性及抗震措施有很多，这些都是在 历次地震救灾中总结出来的经验，根据不同的需要和不同的 地理环境，因地制宜地采取不同的抗震措施，以达到抗震防 灾目的。 （ ）＝ａｏ Ｓｉｎ２ ｚ ．吾） 其中式中ｙ（ｘ，ｆ）为地震时地基土体的位移量；ａ。为地面 运动的位移振幅；ｘ为水平距离；Ｔ为地面运动的卓越周期； ｔ为时间；ｖ为地震波的传播速度，对于纵波为ｖ ，横波为ｖ 。 通过对公式中的Ｘ微分，则可得地基土体应变，然后分 别将纵波传播速度ｖ 及横波传播速度ｖ 代入地基土体应变， 即可得地基土体的纵向和横向应变。 ２．２地震时管道应力 地震时管道具有同周围土体同样的变形所引起的附加 应力，即把前面求得的地基土体最大变形强加于管道，从而 求得地震时的附加应力，分别为： 一 ＫｇＴ一 Ｚ，Ｚ￣ｐ 一 ＫｇＴ一 ＝ 一・ ＝ 一占 ｆ盯Ｈｘ＝ 一・０：：。＝－＝一“ Ｚ７ 式中的Ｅ、Ｇ，分别为管材的弹性模量和剪切模量。这 样，就可以用上述公式分别求得地震时管道所受的轴向拉应 力 一和用地震时管道承受的最大剪切应力ｆ一。 般纵波传播速度ｖ 、横波传播速度ｖ 及地面运动卓 越周期Ｔ，都与地基土体类别有关。地震系数Ｋ，与所处地 段的地震烈度有关。ｖ 、 及Ｔ与地基土体类别的关系，如 表１所示。根据相关理论可证明了地震时由于土体应变，造 参考文献 ［１］亢会明，曹润苍，李束为．油气管道通过活动断层抗震设 防安全性探讨［Ｊ］．天然气与石油．２０１１（０６） ［２］刘建平，付立武，郝建斌，詹美萍．长输油气管道地震监测 预警的应用与技术［Ｊ］．世界地震工程．２０１０（０２） ２０１５年８期１７１