我国城市燃气系统抗震减灾技术发展现状

张晓瑞，孙明烨，井 帅，秦业美, 张增斌, 宋海翔

(1.北京市燃气集团有限公司，北京 100035；2.唐山市燃气集团有限公司，河北 唐山 063002)

1 概述

发生地震时，城市燃气系统可能会受到破坏，造成燃气泄漏，进而引发火灾等次生灾害。我国幅员辽阔，地震带分布各不相同，虽然国家发布了抗震设计的相关标准规范，但是在实践中，如何有效降低事故概率、保障安全，还没有统一的做法。

燃气系统抗震相关研究可以分为两个主要方向：① 从系统设计角度出发，通过提高管材等级、加设抗震措施等，提高系统本身的抗震能力，属于被动抗震措施；② 通过加设地震紧急处置装置，在原有抗震设计等级的基础上，降低因管道破坏导致燃气泄漏、引发火灾等次生灾害的概率，属于主动抗震措施。

下面介绍燃气管道抗震设计相关标准规范、新型抗震措施的研发情况，地震紧急处置系统及其关键设备：地震切断装置。

2 抗震相关标准规范

目前，国内城市燃气系统抗震设计参考的标准包括：GB 50032—2003《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》、GB/T 50470—2017《油气输送管道线路工程抗震设计规范》、GB 50981—2014《建筑机电工程抗震设计规范》、GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》、GB 50191—2012《构筑物抗震设计规范》等。

GB 50032—2003第1.0.2条提出了室外燃气管道抗震设计的一般性要求：当遭遇低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不致损坏或不需修理仍可继续使用。当遭遇本地区抗震设防烈度的地震影响时，管网震害可控制在局部范围内，避免造成次生灾害。当遭遇高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，管网震害不致引发严重次生灾害并便于抢修和迅速恢复使用。同时也提出了燃气管道建设时的场地选择、管道材料、地震效应校核等具体要求，尤其是穿越断层、土壤液化区等不利地质条件的措施。

高压城市燃气管道抗震设计还可参考GB/T 50470—2017《油气输送管道线路工程抗震设计规范》。

GB 50981—2014中第6章与第8章详细规定了室内燃气管道的抗震设计方法，尤其是对抗震支吊架的设置方式、形式、抗震验算做了详细规定。

燃气厂站中建构筑物的抗震设计主要遵循GB 50011—2010与GB 50191—2012的要求。

在进行抗震设计时，还涉及一部分基础参数相关的规范。例如，GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》给出了基本地震动参数，GB/T 17742—2008《中国地震烈度表》给出了地震烈度与地震加速度峰值的对应关系。

上述规范中针对燃气管道的抗震措施包括：减少穿越地质不利地区，穿越地质不利地区的措施，提高抗震能力的通用措施等。主要着眼于提高燃气管道的被动抗震能力，鲜有涉及提高燃气管道主动抗震能力的内容。

行业标准CJ/T 449—2014《切断型膜式燃气表》第6.8.1条提出了达到阈值地震动时切断燃气供应的可选功能：当地震动强度到达2.5 m/s2时自动切断燃气供应并报警。

震后恢复方面的相关标准同样缺乏，目前已经发布的标准包括：GB/T 18208.1—2006《地震现场工作 第1部分：基本规定》、GB 18208.2—2001《地震现场工作 第2部分：建筑物安全鉴定》、GB/T 18208.3—2011《地震现场工作 第3部分：调查规范》、GB/T 18208.4—2011《地震现场工作 第4部分：灾害直接损失评估》、GB/T 24335—2009《建(构)筑物地震破坏等级划分》、GB/T 24336—2009《生命线工程地震破坏等级划分》等，这些标准主要着眼于地震调查的内容、时限、方法等，其中GB/T 24336—2009第9章给出了燃气系统破坏等级的划分，但缺少对震后系统恢复的指导。

总体而言，目前国内燃气管道抗震相关规范主要集中于避开不利地质条件、恶劣地质条件抗震措施、提高被动抗震能力方面，在地震紧急处置、震后恢复方面比较匮乏。

3 燃气管道抗震措施发展现状

燃气管道抗震措施的相关研究方向包括：震害调查与预测、抗震规范实施、新型抗震措施开发等。

震害调查指在地震发生后进行地震观测、震情分析、灾害损失评估等工作。这是开展燃气管道抗震的重要指导资料，能够充分反映燃气管网中的薄弱点，是开展燃气管道抗震研究的基础。目前，国内公开发表的燃气管道震害调查的文献较少。高乃辉等[1]介绍了汶川地震中都江堰市燃气系统的受灾情况与恢复过程，王祥建等[2]则系统介绍了汶川地震中21个市县城区的城镇燃气系统灾害情况，叶飞等[3]概述了庐山地震后燃气系统的震害特点。目前，GB/T 24336—2009提出了燃气管道的地震破坏等级划分，但缺少调压站、加气站等地震破坏等级的标准[4]。

震害预测则是在震前预估燃气管网在不同震级下的破坏情况，能够发现抗震薄弱环节，从而采取有针对性的防御措施以减轻地震灾害损失和影响。常用的方法包括理论分析法(波动法)、经验统计法及理论分析与震害经验相结合的综合方法等。

理论分析法通过计算给定震级地震动条件下，刚性管道的应力或接口连接管道的位移，并与许用应力、位移对比，最终给出管道破坏概率。经验统计法则根据震害统计资料，建立震害率与地震烈度、峰值地面速度(Peak Ground Velocity, PGV)或永久地面位移(Permanent Ground Deformation, PGD)之间的统计关系，并分析场地条件、管材、管径等参数的影响[5-6]。管道震害率的预测也是进行地震经济损失估计、制定应急预案的关键[7]。具体预测方法的选择需要考虑地下管网数据翔实程度[8]、计算复杂度、应用场景等因素。

城市燃气管网抗震建设中涉及到上述主要标准规范，目前关于规范实施遇到问题的相关讨论较少，且集中在2008年汶川地震后，大多是关于某一地区燃气管网抗震设计的内容[9-10]，也有学者研究了管道设计参数、场地情况对管道抗震性能的影响规律[11-12]。陆成伟[13]介绍了GB 50981—2014在实际应用中所遇到的问题：没有区分吊杆和斜撑受压或受拉情况下的长细比限值且未明确加固措施，关于支吊架安装斜撑角的相关条文不一致，支吊架与钢筋混凝土结构连接用锚固件不明确等。

燃气管道新型抗震措施的研究相对更少，而且大多针对埋地管道，罕有针对室内燃气管道抗震措施的研究[14]。林巧艺[15]结合厦门市燃气公司的运营经验，在抗震规范的基础上，提出在人群密集场所燃气管道上加设紧急切断阀、在埋地管道每隔300～500 m设置隔断阀门；竖向管道管径较大或自重较重时，下部应加设支墩，并给出了详细的支墩设置方式。

可以看出，自2008年汶川地震以后，详细震害调查、燃气管道抗震校核受到了进一步的重视，但针对新型抗震措施与设备的开发研究仍然较少。

4 燃气管道地震紧急处置系统发展现状

燃气管道本体抗震措施能够降低管道在地震条件下的破坏程度。但这些措施属于被动措施，按照过高等级地震设防会大大增加燃气管道的建设成本，设防等级偏低则不能充分降低震害。地震紧急处置系统则在抗震措施的基础上，根据地震情况及时调整燃气管道运行状态，减少管道泄漏引发的次生灾害。

燃气系统地震紧急处置的原理是在地震发生时根据地震烈度情况切断部分燃气管道供应，减少地震导致的管道泄漏量，降低火灾发生概率。典型的地震紧急处置系统由地震信息获取、信息传输、综合决策、紧急处置设备等4部分组成[16]。

地震信息获取系统需要在城市燃气系统沿线布设地震仪，监测地震动情况。或者接入国家或地区地震台网，根据地震台网信息估算燃气系统当地地震动情况。信息传输系统主要解决与地震台网、紧急处置设备的通信等问题。综合决策模块则需要根据收集的信息，迅速估算燃气管网不同位置的易损性情况，决定是否切断高压厂站、输配干线的燃气供应。紧急处置设备既可以是常规的电动阀门，也可以是专用的地震切断阀，其主要功能是根据系统指令切断燃气供应，或当地震动达到设定阈值后自动切断。

目前，美国、荷兰、日本已经建成了成熟的燃气管网地震紧急处置系统[17]，例如，日本东京燃气先后建设了SIGNAL系统、SUPREME系统[18]。我国近年已建成地震动监测台网，但燃气管网的地震紧急处置系统建设仅在部分地区小范围内示范运行[19-20]。

建设符合我国实际情况的燃气管网地震紧急处置系统仍有许多问题需要解决，主要包括：① 国内外燃气供应系统在地震易损性等方面的差异性；② 燃气供应系统地震紧急处置阈值确定原则和方法；③ 我国燃气供应系统地震紧急处置阈值的合理取值[17]。

目前，国内仅有CJ/T 449—2014针对有限条件确定了切断阈值。美国土木工程学协会ASCE 25:2016《燃气地震自动切断装置》第3.5.1条要求，当满足表1的条件时，燃气阀门应在5 s内自动关闭。美国的Northridge 2000 M75型地震燃气阀的切断阈值为5.2级地震，对应峰值加速度为2.45 m/s2，与该标准1.0 s的震动周期条件相吻合[20]。

表1 ASCE 25:2016中燃气地震自动切断装置关闭条件

日本由于地震频发，城市燃气的抗震经验丰富。其户内燃气表中，几乎全部内置了地震感应切断装置，当震级超过5级时自动切断燃气供应。中压B、低压燃气管道上同样设置地震切断阀门，切断阈值为2.5 m/s2。

不同位置的切断阀门阈值决定因素有所不同。燃气输配干线、区域隔断处，切断阈值主要由管道系统的抗震性能决定，主要受管道本身的抗震性能和局部场地条件影响。小区气源管道处，切断阈值由管道抗震性能和小区建筑抗震易损性共同决定。户内切断装置的切断阈值则主要受用户燃气设备地震反应特性影响。

李昕[21]提出，设定地震切断阈值时，可以首先计算燃气管网系统在不同地震强度下的破坏情况，根据计算结果划分紧急处置区块，确定紧急处置系统的阈值。虽然地震切断阀门适用于各种压力级制的管道系统，但是高压管道不宜设置该类型阀门，应采用遥控切断方式；为居民供气的燃气管道可以设置地震切断阀门，但为企业、重要公共设施供气的燃气管道宜采用人工切断方式；因阀门接口是地震时的主要漏气处，故低压燃气管道系统宜仅在气源干线上设置地震切断阀门，以降低漏气隐患。根据此原则，有研究者研究了唐山市燃气管网的地震紧急处置系统初步设计问题[22-23]。

确定切断阈值后，仍需考虑其与仪器烈度参数间的对应关系。侯宝瑞[24]统计分析了2007—2015年中国大陆的4 518条强震动观测数据，以及日本K-net强震动观测台网2000—2012年记录的强震观测数据，给出了谱烈度SI、加速度峰值PGA与仪器地震烈度I、PGA0.1-10Hz(下标0.1-10Hz表示滤波频带)、PGV0.1-10Hz以及P波段位移幅值Pd之间的统计关系，方便了常用切断阈值的实际推广应用。

此外，随着SCADA系统在城市燃气管网中的广泛应用，地震紧急处置系统的建设也可以借助SCADA系统的硬件系统，无需重新建设通信系统，充分降低建设成本。通过在管道系统中加设地震仪、地震切断设备，经过与SCADA系统整合即可实现地震紧急处置[25-26]。

5 燃气管道地震切断装置发展现状

地震切断装置是地震紧急处置系统的关键设备，根据其结构，可以分为落球式结构、永磁式结构与电动结构等[27]。

落球式地震切断装置的理论基础是建立在一个坐落在带有凹坑的球座上的钢球在水平地震力的作用下，钢球滚出凹坑，从球座上落下，从而触发燃气阀门关闭。落球式地震切断装置的具体实现有所差别。高峰等[19]研发了一种竖向落球式地震切断阀门结构，见图1。当发生地震时，金属球脱离球座而堵塞气体通道；复位时用专用工具拧动转轴带动拨叉将金属球拨到球座上。该装置也可以和燃气系统中的安全切断阀配合使用，起到大口径水平管道的地震切断作用。

图1 竖向落球式地震切断阀门结构原理

杨学山等[28]介绍了一种可以直接用于大口径管道的落球式地震切断阀门，其结构见图2。无地震时，齿条顶轴和钢球将阀杆顶起，燃气可从入口沿着箭头方向流向出口。当有地震时，钢球在地震的作用下，脱离开齿条顶轴，阀杆由于重力作用下落，阀门关闭。当需要接通时，使用螺丝刀拧动复位开关，拨动齿条顶轴下移，使钢球坐落在齿条顶轴上，然后靠复位开关和齿条顶轴的反拨将球和阀杆顶起，阀门开启。

图2 大口径地震切断阀门结构原理

崔建文等[20]介绍了美国Northridge 2000 M75型地震燃气阀在云南的示范应用情况，其结构同样是落球式。

落球式地震切断阀门无需供电，发生地震时切断性能可靠。但其灵敏度不可调节，管道口径不宜太大。永磁式地震切断装置则克服了灵敏度不可调的缺点，且可以用于大口径管道。永磁式地震切断装置的原理(有地震时)见图3。在没有地震时，重锤通过软铁与永磁铁连接在一起(永磁铁的下表面与软铁的上表面紧密贴合)，保证阀门开启。当地震发生时，重锤在地震加速度的作用下偏离平衡位置，软铁与永磁铁直接产生间隙，吸力大大下降，重锤在重力作用下落，关闭阀门。通过调节重锤的质量，可以调整阀门的切断阈值。

图3 永磁式地震切断装置原理(有地震时)

邵泽华[29]介绍了一种基于机械式的燃气表专用地震传感器，其结构见图4。连接杆与内腔下壳分别通过导线与燃气表的传感器检测模块连接，地震超过一定强度后会接通阀门切断信号电路，发出切断燃气供应信号。嵌入燃气表的处理芯片接收到信号后关闭切断阀，切断燃气供应。燃气表切断后可发出声光报警，并向总控室发送燃气表切断信息。

图4 燃气表专用地震传感器结构

机械式切断装置的优点在于其无需供电，可以安全可靠地切断燃气供应；对高频震动信号不敏感，能够有效拾取地震能量集中的低频震动信号[22]。但不能够设定精确的切断阈值，比较适用于中低压管网中供电困难的管段。

除了上述机械式触发结构，也可以采用电控类。例如，崔建文等[20]介绍了一种大管径燃气管道地震紧急处置装置，由地震动检测仪、燃气紧急切断阀和远程信息通信设备构成。系统设置了主地震动检测仪、辅助地震动检测仪，仅当两套监测设备均超过阈值时，才会发出阀门切断信号。

电控类地震切断装置需要良好的供电条件，但在地震条件下难以保证，比较适用于地震条件下对燃气输配系统的预切断，即中控系统已经收到地震信息，但地震波仍未传递到地震切断装置安装位置时，通过预判当地地震烈度预先切断燃气供应。机械式地震切断装置无需供电，但仅能实现就地切断。两类装置应配合使用，实现燃气输配系统的最大抗震能力。

6 结语

本文从抗震标准体系与应用、新型抗震措施研发、地震紧急处置系统与设备的研发和示范方面介绍了燃气管道的抗震减灾发展情况。目前，国内燃气管道抗震相关规范主要集中于避开不利地质条件、恶劣地质条件抗震措施、提高被动抗震能力方面，其应用多在于某个地区燃气管道的抗震校核，鲜有关于规范的不足、新型抗震措施的讨论。

燃气管道地震紧急处置系统与装置在国内的研发已持续逾10 a，目前关于紧急处置系统结构、紧急处置装置结构设计方面已经比较成熟，后续研究重点与难点在于确定紧急处置切断阈值。推动紧急处置系统与装置应用是另一重点任务，可以为系统改进、阈值设定反馈实践经验，其难点是系统与装置的标准化。这两个方面是互相耦合的，切断阈值无标准可参考限制了紧急处置系统与装置的推广应用，缺少应用又反过来限制了利用实践经验改进的可能，使燃气系统紧急处置系统与装置局限于试验阶段。在未来研究中，应更加注意示范应用与实践经验总结。

总体而言，我国燃气管道抗震减灾相关研究取得了一定成果，但相关研究工作缺少工程上的衔接与示范，相应的系统建设缺乏规范指导，导致相应的研究成果缺少实践反馈修正，对其推广应用造成了一定障碍，下一步研究中应予以侧重。