压力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是在20世纪70年代。1971年圣费尔南多地震给圣安德烈斯断层附近的埋地输气管道造成了破坏,管网毁坏严重。在这次地震之后世界各国开始出台管道的抗震规范。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。地震对管道产生破坏可分为:强地面运动;地面的永久变形,如由断层运动、砂土液化、滑坡等引起的破坏。


1. 中国管道抗震设计的比较


 ①. GB/T 20801《压力管道规范 工业管道》规定,同时满足以下条件时,应考虑地震荷载:


  a. GC1级管道以及介质为有毒或可燃的GC2类管道;


  b. 地震设防烈度大于或等于6度,且设计基本地震加速度大于或等于0.1


 ②. GB 50160《石油化工企业设计防火标准》规定,为了防止储罐与管道之间产生的不均匀沉降引起破坏,储罐的进出口管道应采用柔性连接。


 ③. SH/T 3007《石油化工储运系统罐区设计规范》规定,储罐的主要进出口管道,应采用柔性连接方式,并应满足地基沉降和抗震要求


  管道与储罐等设备的连接采用柔性连接,对预防地震作用和不均匀沉降等所带来的不安全影响有好处。对于储罐来说,在地震作用下,罐壁发生翘高、倾斜、基础不均匀沉降,使储罐和配管连接处遭到破坏是常见的震害之一。此外,由于罐基础处理不当,有一些储罐在投入使用后其基础仍会发生较大幅度的沉降,致使管道和罐壁遭到破坏。为防止上述破坏情况的发生,采取增加储罐配管的柔性(如设金属软管、弹簧支吊架、自然弯曲补偿等)来消除相对位移的影响是必要的,而且也有利于罐前阀门的安装与拆卸和消除局部管道的热应力。


  ④. GB50074《石油库设计规范》规定,与储罐等设备连接的管道,应使其管系具有足够的柔性,并应满足设备管口的允许受力要求。


 ⑤. GB/T 50470《油气输送管道线路工程抗震设计规范》用于陆上新建、扩建和改建钢质油气输送管道线路工程的抗震勘察、设计、施工及交工。对埋地管道抗震设计、通过活动断层的埋地管道、液化区埋地管道、震陷区埋地管道、管道穿越工程、管道跨越工程的抗震设计提出了要求。


 ⑥. SH/T 3039《石油化工非埋地管道抗震设计规范》规定了石油化工非埋地管道的地震作用、抗震验算和抗震措施的基本要求。适用于设计基本地震加速度不大于0.40g,或抗震设防烈度9度及以下的地区、公称压力不大于42MPa的石油化工非埋地金属管道的抗震设计。不适用于长输管道的抗震设计。


  ⑦. 我国压力管道其他抗震设计规范还有《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》GB 50032等。



2. 日本管道抗震设计的比较


  日本是一个地震多发国家,管道系统的抗震研究也开展得较早。1974年3月,日本制定了《输油管道技术基准》,随后日本各管道协会推出了相应的抗震设计规范:《管道设施的耐震工法指南》《天然气管道抗震设计指南》[该规范包括高压天然气管道、一般压力(中、低压)天然气管道两个部分];《地下管路设备的抗震设计指南》。在这些规范中,管道抗震设计主要采用的是变形反应方法。



3. 美国管道抗震设计的比较


  1971年 San Fernando 地震之后,管道的抗震问题得到重视,相应的学术组织也开始成立。1974年美国土木工程学会(American Society of Civil Engineers,ASCE)成立了生命线地震工程委员会(Technical Council on Lifeline Earthquake Engineering, TCLEE), 1975年美国机械工程学会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)也成立了类似的生命线学科组。各种管道有关的抗震规范也都相继出版,例如ASME B31E《地上管道系统的抗震设计和改造用标准》、ASME B 31.1、ASME B 31.3、ASME B 31.4、ASME B31.8等规范,均提出了地震工况管道的设计要求。



4. 英国、挪威管道抗震设计的比较


  英国规范BS 8010《管道的实用规程》,要求管道的应变小于0.1%、管径和管壁的比例/t<6060,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。


  海底管道设计采用的规范是挪威的《Det NorskeVeritas(DNV)Pipeline CoCodes》。该规范给出了跨海管道的极限状态设计方法,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,以达到管道工程在整个寿命期内的投资最优化设计。


  典型极限状态包括:


   ①. 管道的极限压力;


   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够进行的。



7. 计算机辅助应力分析工作程序


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