張強1 戴聯(lián)雙2

1.國家管網(wǎng)集團科學技術(shù)研究總院；2.國家管網(wǎng)集團公司

1994年1月17日凌晨４時31分，美國洛杉磯市西北200多公里的圣費爾南多谷的北嶺（Northrige）地區(qū)發(fā)生了6.6級地震，持續(xù)約30 s，造成斷層位錯產(chǎn)生地面裂縫以及大范圍的砂土液化和土壤破壞，并引發(fā)了11 000多起山體滑坡，造成1.1萬余間房屋倒塌，震中30 km范圍內(nèi)的高速公路、高層建筑被毀壞。穿越斷層的天然氣管道被拉斷，氣體泄漏引發(fā)火災(zāi)近100處，燒毀上百幢住宅樓，從油田到煉油廠的輸油管道破裂，原油泄漏引發(fā)火災(zāi)并污染河流，3條供水管道破裂后大量水流嚴重阻礙了市內(nèi)交通，震中地區(qū)供氣供水中斷約7天（圖 1）。造成62人死亡，9000多人受傷，25萬人無家可歸，財產(chǎn)損失達400多億美元[1]。

圖 1 地震現(xiàn)場情況

北嶺地震共造成南加州燃氣公司（SoCalGas）709起燃氣管道（低壓、小口徑、管徑406 mm）的泄漏，大多數(shù)泄漏發(fā)生在老舊管道且本身存在腐蝕情況。35起輸氣管道（高壓、大口徑、管徑914 mm）泄漏發(fā)生在老舊管道（1930年代）的焊縫連接處，管道失效主要因地面位移引起。根據(jù)美國土木工程師協(xié)會（ASCE）的評估，對地震中容易受到損壞的管道材質(zhì)進行排序，從高到低依次為石棉水泥管、陶土管、鑄鐵管、聚氯乙烯（PVC）管、混凝土管、鋼管、球墨鑄鐵管、聚乙烯（PE）管。PE管道在地震中表現(xiàn)良好，僅有27起失效報告。

巴爾博亞大道是一條南北方向的街道，位于加利福尼亞南部圣費爾南多山谷北部，地震發(fā)生時在大道以北形成了一個約600 m×600 m的地震變形和地面失效區(qū)域。在最大拉伸變形區(qū)域有許多橫向地面裂縫，其上游約275 m～300 m處形成了一個最大壓縮變形區(qū)域，該區(qū)域可觀察到帳篷狀的隆起（圖 2）。沿該大道共敷設(shè)了8條管道（表 1），地震導(dǎo)致1條高壓輸氣管道、1條燃氣管道和2條高壓輸水管道破裂，另外4條管道未受損，受損管道均發(fā)生在最大拉伸和壓縮變形區(qū)域[2]。

圖 2 地震導(dǎo)致的管道泄漏起火及地面變形

表 1 管道基本參數(shù)

以舊Line120管道為例，在拉伸和壓縮地面變形區(qū)域的環(huán)焊縫處發(fā)生了失效，兩個失效點相距約275 m。在地面拉伸變形區(qū)域，環(huán)焊縫端出現(xiàn)了大約250 mm的分離；在壓縮變形區(qū)域，對屈曲段（殼體屈曲）的測量顯示，管道壓縮了大約340 mm。根據(jù)調(diào)查，管道失效顯示出循環(huán)加載的證據(jù)，即管道在地震期間經(jīng)歷了多次的拉伸和壓縮應(yīng)力變化。對該管道拉伸失效環(huán)焊縫進行分析，結(jié)果表明斷裂起始于一個焊接起/止點，該點疊加在一個小型焊接缺陷上。盡管斷裂起始于焊縫，并且焊縫中存在其他缺陷，但裂紋主要沿著焊縫旁邊的熱影響區(qū)傳播，而不是穿過焊縫本身。焊接區(qū)域存在缺陷并不一定會導(dǎo)致管道的整體強度顯著下降。在評估管道的完整性和安全性時，需要考慮到焊接缺陷和熱影響區(qū)的性能，以及它們在實際工作環(huán)境中的行為。

該處唯一的燃氣管道在拉伸和壓縮地面變形區(qū)域均發(fā)生了失效。管道在拉伸變形區(qū)域一個8°斜接的焊接接頭處斷裂，經(jīng)對斷裂的環(huán)焊縫觀察，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。在壓縮變形區(qū)域，管道失效顯示出循環(huán)加載的證據(jù)，即管道在地震期間經(jīng)歷了多次的拉伸和壓縮應(yīng)力變化。

地震期間共發(fā)生9起石油管道泄漏，其中8起發(fā)生在ARCO-Four Corners管道公司運營的一條10 in/254 mm的輸油管道，全長196.4 km，最嚴重的泄漏發(fā)生在圣克拉拉河附近的一個泵站下游，原油泄漏量估計為654 805升（約173 000加侖）。泄漏的原油與破裂供水管道中的水混合，形成了高度流動的混合物流入街道和雨水排水溝，最終污染了長達12英里的圣克拉拉河。這次泄漏對河流生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重破壞，并給緊急響應(yīng)和清理工作帶來了重大挑戰(zhàn)，清理費用在最初兩個月內(nèi)超過了1500萬美元。事故調(diào)查分析，管道乙炔焊接部分88.4 km、電弧焊接108 km。所有泄漏均發(fā)生在乙炔焊接的部分，大約每11公里發(fā)生1次破裂，其受損率顯著高于電弧焊接，說明乙炔焊接是所有管道失效的一個促成因素，可能同時存在環(huán)焊縫和焊縫未焊透的問題[3]。

地震災(zāi)害給我們帶來的啟示：

（1）強烈地震引起的輸油氣管道破裂失效后果極其嚴重，在管道的設(shè)計、施工、運營、維護等各個階段均要做好避震防震工作。管道選址應(yīng)該避開地震地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，如活動斷層、崩塌、滑坡、泥石流、砂土液化等。震后針對管體位移、管道變形要進行全面檢測，深入評價管道完整性，評估地震對管體的損傷。

（2）高后果區(qū)、高風險點應(yīng)急預(yù)案應(yīng)詳細考慮地震因素，特別是地處斷層附近的油氣管道。應(yīng)急預(yù)案應(yīng)包括潛在泄漏點的識別、脆弱性分析、損失估計和減災(zāi)、備災(zāi)計劃。

（3）輸油氣管道抗震能力與管道實際運行工況、埋設(shè)環(huán)境緊密相關(guān)，應(yīng)進一步研究地震災(zāi)害作用下埋地管道的破壞機理，如準確描述地震災(zāi)害發(fā)生時的管土相互作用，積累數(shù)據(jù)資料，建立地震災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，用理論研究成果指導(dǎo)油氣管道防震抗震工作[4]。

參考文獻：

[1]劉蒲雄，袁一凡，楊主恩，等.1994年1月17日美國加州北嶺地震現(xiàn)場考察報告[J].國際地震動態(tài)，1994，(05)：15-23.

[2]Bain C A, O’Rourke T D, Bray J D. Pipeline Response to Seismic Displacement at Balboa Boulevard during the 1994 Northridge Earthquake[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2024,150(2): 04023139.

[3]Linden M K, Perry R W. Hazardous Materials Releases in the Northridge Earthquake: Implications for Seismic Risk Assessment[J]. Risk Analysis, 1997, 17(2): 147-155.

[4]王龍.現(xiàn)役輸油氣管道跨斷層抗震能力評估[D].中國地震局地球物理研究所，2022.

作者簡介：張強，1986年生，高級工程師，注冊安全工程師、二級安全評價師、管道檢驗員，主要從事管道風險評價和完整性相關(guān)的研究與應(yīng)用工作。先后參與制修訂行業(yè)、企業(yè)標準5項，獲得國家石油天然氣管網(wǎng)集團科技進步獎、中國職業(yè)安全健康協(xié)會科學技術(shù)獎、河北省石油學會科技進步獎等獎項。聯(lián)系方式：0316-2072640，zhangqiang14@pipechina.com.cn。