西氣東輸二線管道在罐罐嶺地震斷裂帶的敷設

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，若遭遇高于該地區基本烈度的地震將會造成管道斷裂、屈曲失穩及拉斷等損壞
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，若遭遇高于該地區基本烈度的地震將會造成管道斷裂、屈曲失穩及拉斷等損壞。為此，闡述了地震斷裂帶處管道設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技術。通過不斷調整設計，優化了線路與斷裂帶的交角，并對管道壁厚等參數進行了嚴格的計算分析，在國內首次采用了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生次生災害。為確保管道安全運行，強化了抗震、防震設計理念及技術措施，為類似工程積累了經驗。
關鍵詞：西氣東輸二線；天然氣管道；地震斷裂帶；應變設計；優化設計；大變形鋼；管道壁厚參數；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域設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。
    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) 地震時地面出現開裂或錯動，使管道斷裂。
    4) 地震引起非黏性土地區砂土液化，造成管道上浮或設備基礎沉降災害。
    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、防震設計理念
    油氣長輸管道的抗震、防震設計重點是管道沿線(包括站場和輔助設施)經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。所以，當管道經過逆沖斷層時，設計應做相應的處理[2～3]。
    針對地震對管道的幾種破壞形式，設計管道通過地震斷裂帶時要做到：
    1) 調整管道與斷層的交叉角度。調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，優化管道與斷層交角(對于交角大于90°的應調整角度到90°)以減少通過地震斷裂帶及其影響區的長度。
    2) 增加管道延性。通過采用大變形鋼管來增加管道的延性，這是國內首次通過這種方式來提高管道延性。
    3) 避免在斷裂帶兩側各200m范圍內出現冷彎彎管和熱煨彎管及彈性敷設。
    4) 在地震斷裂帶及其影響區兩側各200m范圍內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不因雨水浸泡而過于密實。
    5) 在地震斷裂帶及其影響區兩側各200m范圍內增加管道壁厚，提高抗震能力。
    6) 還應將該段管道所有環向焊縫進行100%的射線檢查和超聲檢驗，在斷裂帶兩側適當位置增設線路截斷閥室等。
    在設計過程要充分考慮以上幾點，制訂出優化的設計方案，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。本段管道設計壓力為12MPa，地區等級為一級，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，為便于統一采辦。因此管道通過罐罐嶺地震斷裂帶兩側各200m范圍(BL046+203～BL046+603mm)全部采用Φ1219mm×26.4mm X80 HD2大變形鋼管。
2.4 管溝設計
    本段地層上部為粉土，黃色，稍密，稍濕，土質不均勻，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方式，對于地震斷裂帶兩側各30m范圍內，以斷裂帶為中心，逆氣流方向一側溝底寬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中各參數詳見表1。
 

表1 管溝參數表    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地震斷裂帶兩側各30m范圍內的管溝開挖
    對于地震斷裂帶兩側各30m范圍內，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各30m范圍內，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地震斷裂帶兩側各30m范圍外的管溝開挖
    地震斷裂帶兩側各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，按設計要求，用經過報驗的中砂鋪設在溝底。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定最低抗拉強度，以保證地表發生變形時管體本身優越的變形能力能得以充分發揮[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范》[9]的規定，Ⅱ級以上焊縫為合格。
4 結論
    西氣東輸二線管道通過罐罐嶺斷裂帶時，不斷調整設計，優化了線路與斷裂帶交角，并對管道壁厚等參數進行了嚴格的計算分析，在國內首次采用了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生次生災害，從設計理念上增強了抗震、防震措施，拓寬了油氣長輸管道抗震、防震設計上的視野和思路，為類似工程積累了寶貴的經驗。
參考文獻
[1] 秦光，鮑宇.陜京輸氣管道復雜地段的設計[J].油氣儲運，1998，17(3)：18-20.
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[3] 中國石油天然氣股份有限公司管道建設項目經理部.Q/SY GJX0136—2008西氣東輸工程二線管道工程強震區和活動斷層區段埋地管道基于應變設計導則[S].北京：[出版者不詳]，2008.
[4] 中國石油天然氣股份有限公司管道建設項目經理部.Q/SY GJXO109—2008西氣東輸二線管道工程線路施工技術規范[S].北京：[出版者不詳]，2008.
[5] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50251—2003輸氣管道工程設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.
[6] 王敏，龍飛，鄭強，等.西氣東輸二線輸氣管道在濕地中的敷設[J].天然氣工業，2009，29(3)：85-87.
[7] 顧曉婷，張宏，王國麗，等.大口徑天然氣管線穿越斷層的管溝設計研究[J].天然氣工業，2009，29(8)：106-108.
[8] 國家發展和改革委員會.SY-T0450—2004輸油(氣)埋地鋼制管道抗震設計規范[S].北京：石油工業出版社，2004.
[9] 中國石油天然氣股份有限公司管道建設項目經理部.Q/SY GJX 0112—2007西氣東輸二線管道工程無損檢測規范[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事業部設計管理部；2.西安長慶科技工程有限責任公司)