城镇燃气系统地震灾损分析及灾后思考

摘 要

摘要：整理了历年来多个典型地震对燃气管网设施破坏的资料，分析了燃气管网的地震灾害特点和统计规律，回顾了地下管道抗震研究的现状和成果，燃气设施抗震的国家规范、法律法规的历
摘要：整理了历年来多个典型地震对燃气管网设施破坏的资料，分析了燃气管网的地震灾害特点和统计规律，回顾了地下管道抗震研究的现状和成果，燃气设施抗震的国家规范、法律法规的历程。介绍了日本东京燃气企业应对地震的主要对策，提出我国抗震研究的发展方向。
关键词：燃气设施；地震灾害；抗震；灾损分析
Earthquake Disaster Analysis and Post-disaster Reflection for City Gas System
XIAO Jiu-ming，YING Yuan-nong，XI Dan
Abstract：The data for many typical earthquake damage cases to gas network facilities in past years are systemized. The statistical characteristics of earthquake damage to gas network are analyzed，and the current status and achievements of seismic research of underground pipelines and the evolvement of national laws and codes for seismic resistance of gas facilities are reviewed. The major earthquake countermeasures of Tokyo Gas Corporation are introduced，and the development direction of seismic research in China is pointed out.
Key words：gas facilities；earthquake disaster；seismic resistance；disaster analysis
    随着西气东输、川气东送、进口LNG工程的实施，我国进入了燃气快速发展期，越来越多的城镇使用上燃气，燃气管道及其附属设施成了人们现代化生活的一部分，被称为城市生命线工程。因此，部分区域和城镇需认真考虑地震对城镇燃气系统的破坏，城镇越现代化、人口越集中、燃气系统越健全，地震时受到的破坏和损失就越严重，所以需要做好燃气系统抗震。
1 地震的破坏形式
    地震是地球内部介质局部发生急剧的破裂，释放出巨大能量，激发出地震波，在一定范围内引起地面振动的自然现象，有构造地震、火山地震和陷落地震，其中构造地震次数最多，破坏力也最大。地震波主要分为体波和面波，体波可以在三维空间中向任意方向传播，又可分为纵波和横波。纵波振动方向与波的传播方向一致，传播速度较快；横波振动方向与波的传播方向垂直，传播速度比纵波慢。受太平洋板块、印度洋板块和菲律宾板块的挤压作用，我国地震断裂带十分发育，地震活动的范围广、强度大、频率高，而且绝大多数是浅源地震，许多人口稠密地区，如广东、福建、四川、云南、山东中部和渤海湾等，都处于地震带上，我国约有一半城市处于地震多发区或强震波及区。
地震对燃气设施的破坏形式主要体现在地震波的行进和地表变形，前者包括对燃气管道的压缩、拉伸等变形，对土壤的应变，引起的土壤液化、管道内部流体冲击压力破坏等；后者包括断层错动、地表塌陷和变形，以及由其引起的建筑物和构筑物的破坏或倒塌，地面破坏(如地裂缝)，山体等自然物的破坏(如山崩)，水体的振荡(如海啸、湖震)等，从而严重损坏燃气设施。燃气设施一旦遭破坏导致燃气泄漏，极易引起火灾、中毒等次生灾害。
2 历史上地震对燃气设施的巨大影响
地震对城市生命线工程造成极大破坏，逐步引起人们的关注。近年来，对发生在城镇附近的强烈地震灾害，大多进行了生命线工程系统尤其是地下管道的灾损状况调查。
    ① 1906年4月17日，美国旧金山发生7.9级地震。地震导致烟囱倒塌、火炉翻倒、电线拉断和天然气管道破裂并引发大火。很多消火栓只能流出几滴水。许多在地震中幸存的人，却在火场中丧生。
    ② 1923年9月1日，日本关东发生了8.3级大地震。在距震中逾90km的横滨，大火烧了3天3夜；在距震中逾100km的东京，地震半小时后就有139处起火，地震毁坏的50×104所房屋中，有40×104所是被大火烧掉的，死亡的14×104人中有约12×104人是被大火烧死的。东京市长82km的给水铸铁管道有逾32×104个管道接口，震后破坏达26×104个，破坏率超过80%，其中渗漏约占71%[1]。
    ③ 1964年6月16日的日本新泻地震，造成储油罐破坏引起极大经济损失。这次地震震级为7.5级，距震中约20km的新泻炼油厂储油罐被破坏，引起爆炸及火灾等二次灾害，当时动用了全日本90%的泡沫灭火剂也未能控制火势。大火持续两周，烧毁储油罐84个，波及整个工厂，损失非常严重[2]。
    ④ 1971年美国圣费尔南多地震(6.6级)，造成供水系统管道破坏达856处，铸铁管平均破坏率达0.95处/km；天然气管道(多为DN 50～100mm的焊接钢管)有450处遭受破坏，破坏率为0.12处/km。
    ⑤ 1985年9月19日发生的墨西哥地震，造成墨西哥市供水管网、燃气管网的大面积破坏。供水管网主干管道破坏逾800处，燃气中压管道破坏逾400处。由于燃气干管断裂引起燃气爆炸，在墨西哥市区引起多处火灾。由于供水管网的破坏，使救火受到影响。
    ⑥ 1989年10月17日美国Loma Prieta地震中，230kV和500kV的高压变电站破坏严重，供水管网系统发生350处需要修复的严重破坏。城市燃气系统出现漏气逾100处，软土地基上的油罐大量破坏。
    ⑦ 1994年1月17日美国Northridge地震中，出现桥梁的严重破坏，导致交通系统部分处于瘫痪状态。一批高压输电塔因砂土液化而倾倒或损坏，110×104户用户失去供电。供水系统出现1400处需要修复的破坏，其中逾100处位于供水管网主干管上。燃气系统出现高达15×104处漏气，燃气系统的破坏引发多起火灾。
    ⑧ 1995年1月17日的日本阪神大地震，是近代发生在人口稠密的现代城市的直下型地震，也是近代地震中的生命线工程系统破坏调查最为详尽的一次。这次地震造成5438人死亡，交通系统遭到大面积破坏。地震区6条铁路线均遭到严重破坏，许多高架桥倒塌或部分倒塌。地下铁路亦出现大量破坏，神户港受到毁灭性打击，堤岸有80%遭到破坏。主干燃气管道破坏了5190处，其中中压管道遭破坏109处。85.7×104户用户中断供气，修复工作持续了3个月。由于燃气管道破裂、燃气泄漏，引起熊熊大火，火场有逾200处，火烧数天，火灾造成的损失比地震直接损失高3倍[1]。
    ⑨ 1999年9月21曰，我国台湾南投县集集镇发生7.3级地震，铁路、公路桥梁均遭受重大损害，地面破裂隆起，房屋与桥梁倒塌，给排水、天然气、电力、通信、输油等管线也受到严重破坏。
    ⑩ 2008年5月12日，我国汶川发生8.0级地震，地震破坏地区超过105km2，造成损失8451亿元，遇难和失踪者超过8.7×104人，损失中约有1/3是次生地质灾害引起的损失。燃气设施损失未见权威统计。有关资料显示，a.中石油西南油气田输气管理处：重灾区内有的用户管道或设备受损非常严重，信息无法沟通。输气干线压力持续异常上升，爆管可能发生。无法利用SCADA系统对46座关键厂站实施监控，无法利用生产运行系统进行网络调度。依靠唯一畅通的石油内线进行指挥，并委托外部通信畅通的作业区帮助信息沟通。b.都江堰燃气公司：办公(调度)大楼剧烈抖动，天花板、墙板大量剥落，所有人员都被摔倒在地，通信完全中断，门站和次高压管道沿线阀室建筑遭到不同程度损坏，未发现天然气泄漏，因地震导致路面严重变形造成个别埋地管道损坏，部分埋地阀门存在内泄漏和无法启闭[3～5]。
3 燃气管道灾损分析
3.1 阪神地震城市管网损坏分析
    ① 管道灾损与地质地理特征的关系。地震时堤岸移动，背后土壤下沉，管道在此处被拉。
    ② 管道灾损与管道材料的关系。钢管没有遭到破坏。
    ③ 管道灾损与管径的关系。DN 500mm以下管道的灾损率为2.2处/km，DN 1000～1500mm管道的灾损率为0.4处/km。即大管径管道破坏的数量少，小管径管道破坏的数量多。
    ④ 管道灾损与接口的关系。承插式接口、机械式接口容许变形量较小，承受不了地震波所造成的管道变形，因供水管中90%以上用的是铸铁管，实际灾损比预测的严重，管子自身破坏的很少，接头损坏的却很多，损坏率为0.05～6.27个/km。燃气管道的破坏主要是低压管道螺栓式硬接头部分，因硬接头周围的土层沿接头轴向变形，接头遭到破坏，造成用户停气和多处火灾。
    ⑤ 管道灾损与地面最大加速度的关系。管道灾损率和地面最大加速度的增大成正比。1964年新泻地震，新泻市土壤液化面积很大；1983年日本中部海地震，能代市土壤液化也很严重，所以这2个城市的管道灾损率很高。
    ⑥ 阪神灾损表明，埋地管道的受损率低于架空管道，例如地下电缆、电线的受损率仅为架空时的1/6倍，每1km地下天然气中压管道仅有0.92处断裂[6]。
3.2 我国台湾9.21集集地震灾损分析
    垂直断层走向的管道灾损率均大于平行断层的管道灾损率，其比例为1.1～2.0倍，与日本1995年阪神地震的天然气管道灾损分析结果相当接近。在灾损点方面，支管(DN 65mm以下)的灾损点数量约为干管(DN 65mm及以上)灾损点数量的4倍[7]。
3.3 其他灾损分析
    一般，地下管道的破坏率基本上随着地震烈度(地震加速度幅度)的增高而增大；但场地的影响也非常明显。1976年唐山地震灾损调查和国外其他灾损资料表明，一般情况下地下管道平均破坏率在坚硬场地较小，在柔软场地最重[1]。不均匀场地中的管道，其灾损率明显高于均匀场地。
    当公称管径为75～500mm时，加大管径可以提高管道的抗震可靠度：当公称管径大于500mm时，管径的增加不会提高管道的抗震能力。柔性接口的灾损率明显低于刚性接口；断层对通过其埋设管道的影响巨大；管道与附属设备或建筑物的连接部位因两者动力特性不同，出现大量破坏。
    震中区及8～9级地震时地震波垂直灾损明显。1923年关东地震，地下混凝土管道埋深影响明显，统计表明埋深小于2.4m时事故随埋深而增加，埋深大于2.4m时事故明显减少[1、6、7]。神户地震和汶川地震资料显示，PE管灾损较少[4、6]。燃气、供水、电力、通信等城市生命线工程在灾损中相互关联和影响，放大灾损程度[1]。
4 地下管道抗震研究成果和现状
    地震对地下管道的巨大破坏，促使人们不断深入研究管道抗震机理，研究范围不断扩大，从单一管道到管网，从单一性质管网到区域复杂管网，从单一管道抗震到系统功能可靠性。理论模型和研究工具不断更新，利用专门软件，结合GIS进行分析、预测和仿真模拟等。
   对单一地下管道抗震的研究主要是地震反应分析和稳定性研究，前者主要分析弹性均匀土介质中的管道、不均匀土介质中的管道、穿越土壤液化区和通过断层的管道等，后者分为梁型失稳、壳型失稳和三通接头失稳等。梁型失稳与管道的初始整体缺陷有很大关系，壳型失稳与管道的管径、径厚比、管内介质的质量、管壁本身材料性质、管道的埋深、开挖沟底的平整性、管道的局部缺陷等因素有很大关系。
    1967年，Newmark忽略了惯性力影响，假定管道与土一起运动来研究地下管道地震反应。随后日本学者提出了管道与土相互作用模型，即所谓的反应位移法[2]。
   Wallg于1981年提出了拟静态分析方法，发现地震波输入相位差和场地不均匀是影响地下管道的两个最主要的因素[2]。
   Takada于1990年采用壳模型和有限元方法对具有分支的小管径燃气管道进行了分析，发现分支处有较高的应力集中现象[2]。
   Datta等人分别于1982年、1983年、1984年、1985年采用圆柱壳模型对半无限空间和无限空间中管道进行了系统分析，发现铺设管道的回填土对管道应力有重大影响，入射波的波长和土介质的刚度对管道也有很大影响[2]。
    Hindy和Novik于1979年首次引入了土与管道动力相互作用的概念，得出了管道轴向应力远大于弯曲应力；土与管道动力相互作用可降低管道的应力，尤其是轴向应力；柔性接头可大大降低管道的应力，尤其是在软土中，但该理论只适用于深埋管道[2]。
    叶耀先等人于1982年通过直管和弯管在不同管沟回填方式下的爆炸振动试验，探讨了管土间共同变形问题，提出了管道地震应力计算模型[2]。
    梁建文等人分别于1993年、1994年求解了半无限空间中通过不均匀介质管道的反应，发现不均匀介质中管道应力可达到均匀介质中管道应力的2倍以上，而当波从硬土到软土时，管道应力最大[2]。
    梁建文于1995年采用地震波理论对穿越非发震断层的管道进行了地震反应分析，发现非发震断层虽然对分别建筑在断层两侧的建筑物影响不会太大，但对穿越断层的管道影响却很大，可使管道的应力放大数倍[2]。
    梁建文等人于1991年、1992年、1994年对管道三通接头的强度和稳定性进行了拟静力分析，发现三通采用直埋敷设方式对抗震有利。三通在地震荷载作用下，既可能出现强度破坏，又可能出现失稳破坏。而且由于土介质的影响，三通既可能出现局部失稳，又可能出现整体失稳。三通是管道破坏的薄弱环节[2]。
    由许多单一管道、设备通过功能性连接组成的城市生命线工程抗震是近年发展的新兴研究课题，1974年美国土木工程协会(ASCE)成立生命线地震工程技术委员会，1984年召开第一次世界生命线地震工程学术会议。2001年美国生命线工程联合会(ALA)发表了《石油、燃气管道系统抗震设计条例》。1994年我国出版第一本生命线工程抗震的著作(作者：赵成刚、冯启民)，通过研究区域内的复杂生命线工程的相互关系，提高其网络连通可靠性和系统功能可靠性，控制危害放大[1]。我国生命线工程抗震研究在给水、电力的地震灾害预测、灾害评估、政府应急组织等方面也进行了有益探讨。
5 抗震的启示和对策
    人类在灾害中学习，在灾害中成长。1976年唐山大地震后，我国加强了对地下管道抗震的研究。从灾损调查、理论分析、实验研究和工程应用等方面做了大量工作，吸纳当时最新研究成果，逐步形成抗震规范。与燃气管道相关的规范及其修订过程：1978年，实施了《室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范》TJ 32—78，《工业与民用建筑抗震设计规范》TJ 11—78；1982年，实施了《室外煤气热力工程设施抗震鉴定标准》GBJ 44—82；1989年，实施了《建筑抗震设计规范》GBJ 11—89；2001年，实施了《建筑抗震设计规范》GB 50011—200l，2008年又进行了局部修订；2003年，实施了《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》GB 50032—2003；2007年，实施了《城市抗震防灾规划标准》GB 50413—2007；2008年，实施了《油气输送管道线路工程抗震技术规范》GB 50470—2008，修订了《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223—2008；2009年，实施了《建筑抗震鉴定标准》GB 50023—2009。
    《城市抗震防灾规划标准》GB 50413—2007从城市整体规划对抗震、防止燃气中毒、着火等二次伤害角度进行了规定。《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223—2008中规定20×104人以上的城镇的燃气设施及其建筑应提高一级为重点设防类。《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》GB 50032—2003中强制条文规定，设防烈度为6度及以上的须进行抗震设计，对燃气(包括管道、储气柜、站房等)抗震规划、场地选择、地震作用、抗震验算进行了规定。随着城镇规模的扩大、跨省管道的建设，跨区域、大管径和高压燃气管道越来越多，《油气输送管道线路工程抗震技术规范》GB 50470—2008规定了此类工程的抗震设计，其中包括地震安全性评价、地质勘察、一般埋地管道抗震设计、通过断层的管道抗震设计、土壤液化区的管道抗震设计、震陷区的管道抗震设计、穿越钻越的管道抗震设计、河流跨越的管道抗震设计等，对材料、施工、记录等进行了规定。
    国家在法律法规方面也加强了抗震管理，1995年出台《破坏性地震应急条例》，1998年出台了《中华人民共和国防震减灾法》、《地震预报管理条例》，2002年出台《地震安全性评价管理条例》，2004年出台《地震监测管理条例》。许多城镇制定了抗震防灾规划、地震应急预案，并进行演练。
    燃气设计、施工、经营企业以及工程(或抗震专用)材料、设备等供应企业，应在设计、施工、验收等环节严格执行国家法律法规、标准规范的要求，规范内的许多技术措施、材料选择是震灾调查、研究成果的体现，认真执行规范可有效提高抗震效果。经营企业应认真做好应急预案，定期演练；并配备足够、具备先进水平的管道抢修装备和器具，定期更新竣工资料，提高震灾紧急处理和恢复供气能力。
    日本燃气公司在应对地震方面积累了丰富经验，尤其是东京燃气公司的以下3点对策可供地震高发区的燃气公司参考[8]。
    ① 注重两方面的工作：一是为防止灾害扩大或因燃气管道受损引起次生灾害，在灾害发生之前或发生早期，切断受影响区域的燃气输送；另一方面，尽快恢复因灾害破坏的燃气设施，减少损失，关闭需要抢修的管道，对没有破坏的区域和用户维持供气。
    ② 东京燃气公司开发了在地震发生时能高精度推测燃气管道破坏情况的警报系统SIGNAS(Seismic Information Gathering and Network Alert System)。SIGNAS由地震监测系统、震源推断系统和破坏情况推断系统3个部分构成。在地震监测系统中，感应器能够在地震发生约3min内自动获得燃气供应区域内地震强弱的分布。在震源推断系统中，根据地震仪所获得的波形数据，可以推断出地震的震级和震源位置，早期把握地震概况。破坏情况推断系统则包括燃气供应区域的划分、地质条件分类、管道情况和用户情况等的数据库系统和地质破坏预测系统两部分。当地震发生时，实时的地震监测信息输入到该系统中，专用计算机可迅速推断燃气管道及建筑物的破坏状况，并进行统计分析。所有的信息收集与分析可在地震发生后10min内完成，为燃气公司的决策、管理提供依据。
    ③ 安装地震动感知器。在每个用户端安装内含地震动感知器的智能燃气表，当地震动超过设定报警值时自动关闭燃气阀。在各小区燃气管道调节阀附近安装地震动感知器，当地震动超过设定报警值时切断燃气供应。在高、中压燃气管网和供应源布设地震动感知器，通过快速评估进行综合决策，并由控制中心远程控制切断阀的关闭。
6 几点思考
    (1) 从以上灾损调查、研究分析中可看出，影响地下管道灾损的因素包括地震烈度、场地条件、管材、管径、管道接口、施工水平和腐蚀等。但以上统计限于燃气灾损调查资料缺乏，定量数据更缺乏，这些应逐步纳入灾损调查资料。
    (2) 从研究分析中可看出抗震的效果与施工质量相关，如管沟宽度、基础处理、回填土密实度、埋深等。平时施工中常见的地基夯实不足、回填夯实不足将大大增加地震时的管道损害，材料缺陷或管道施工中损伤缺陷也可能在地震中暴露出来。
    (3) 现在城镇燃气设施包含的范围大大增加，除以前的城区中低压管网、低压储气罐、调压柜(箱)、用户室内管道外，还有：城镇外围的高压管道、门站、高-高(高-中)压调压站、高压球罐、LNG卫星站、CNG母(子)站等，现有抗震规范未涉及其抗震要求。
    (4) 现有城镇燃气系统趋向复杂化、巨型化，对其灾损的控制和预测、预警等难度增加，建议发展分布式燃气供应系统或分区域调度监控系统。
    (5) 城镇外围的高压干线，其地震分析时应考虑到内压对自身振动率、地震响应的影响。
    (6) 现大量使用PE管及其管件、阀门，虽然经受了最近的几次地震考验，但现有抗震规范中并未涉及，其管材材质、热熔接口、电熔接口、弯头、阀门等的抗震验算、地震反应分析尚为空白。需要做地震破坏模拟实验，得到不同几何参数接口的允许轴向拉伸变形量等。
    (7) 需注意到，PE管优良的延展性是建立在时间函数的基础上的，随着时间延长其延展性会下降，并且PE管对施工过程中的划伤敏感，有损伤的PE管可能在地震时易被破坏。
    (8) 作为重要功能节点，门站、调压站、LNG卫星站的架空管道、设备的抗震设计尤为重要，但现只可参考冶金、化工行业的要求或国外相关规范来设计。依附建筑的户外立管、高层室内燃气管，其地震响应与建筑物不同，如何有效地进行抗震设计，相关资料也较少。
    (9) 腐蚀影响着钢管的刚度、强度，钢管的阴极保护有利于抗震，应严格定期检查评估阴极保护系统。
    (10) 在港华燃气集团公司，现推广使用的直埋阀(仅留有手井)，取代原有的阀门井，防止了地震时井壁对穿井壁管道的损害，采用焊接直埋阀将提高抗震质量；港华燃气集团公司内部加快更换铸铁管，推广PE管，强化钢管阴极保护的举措将使管网增强抗震能力。
   (11) 汶川大地震建筑灾损分析表明，许多房屋未执行或未全部执行现行抗震规范、施工质量控制不严，导致严重的财产损失和人员伤害，这提示我们在震区的燃气设计施工中须严格执行现行抗震规范，严格施工质量监控。
   汶川大地震后，建筑、道路等专业方面的灾损调查文献较多，有的还进一步分析和反思了现行抗震规范的不足，但尚无燃气专项灾损调查资料、灾害恢复的经验总结、损失统计等，更无对抗震规范的反思，值得我们进一步探讨。
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(本文作者：肖久明 应援农 席丹 港华投资有限公司 广东深圳 518026)