张强1 戴联双2

1.国家管网集团科学技术研究总院；2.国家管网集团公司

1994年1月17日凌晨４时31分，美国洛杉矶市西北200多公里的圣费尔南多谷的北岭（Northrige）地区发生了6.6级地震，持续约30 s，造成断层位错产生地面裂缝以及大范围的砂土液化和土壤破坏，并引发了11 000多起山体滑坡，造成1.1万余间房屋倒塌，震中30 km范围内的高速公路、高层建筑被毁坏。穿越断层的天然气管道被拉断，气体泄漏引发火灾近100处，烧毁上百幢住宅楼，从油田到炼油厂的输油管道破裂，原油泄漏引发火灾并污染河流，3条供水管道破裂后大量水流严重阻碍了市内交通，震中地区供气供水中断约7天（图 1）。造成62人死亡，9000多人受伤，25万人无家可归，财产损失达400多亿美元[1]。

图 1 地震现场情况

北岭地震共造成南加州燃气公司（SoCalGas）709起燃气管道（低压、小口径、管径406 mm）的泄漏，大多数泄漏发生在老旧管道且本身存在腐蚀情况。35起输气管道（高压、大口径、管径914 mm）泄漏发生在老旧管道（1930年代）的焊缝连接处，管道失效主要因地面位移引起。根据美国土木工程师协会（ASCE）的评估，对地震中容易受到损坏的管道材质进行排序，从高到低依次为石棉水泥管、陶土管、铸铁管、聚氯乙烯（PVC）管、混凝土管、钢管、球墨铸铁管、聚乙烯（PE）管。PE管道在地震中表现良好，仅有27起失效报告。

巴尔博亚大道是一条南北方向的街道，位于加利福尼亚南部圣费尔南多山谷北部，地震发生时在大道以北形成了一个约600 m×600 m的地震变形和地面失效区域。在最大拉伸变形区域有许多横向地面裂缝，其上游约275 m～300 m处形成了一个最大压缩变形区域，该区域可观察到帐篷状的隆起（图 2）。沿该大道共敷设了8条管道（表 1），地震导致1条高压输气管道、1条燃气管道和2条高压输水管道破裂，另外4条管道未受损，受损管道均发生在最大拉伸和压缩变形区域[2]。

图 2 地震导致的管道泄漏起火及地面变形

表 1 管道基本参数

以旧Line120管道为例，在拉伸和压缩地面变形区域的环焊缝处发生了失效，两个失效点相距约275 m。在地面拉伸变形区域，环焊缝端出现了大约250 mm的分离；在压缩变形区域，对屈曲段（壳体屈曲）的测量显示，管道压缩了大约340 mm。根据调查，管道失效显示出循环加载的证据，即管道在地震期间经历了多次的拉伸和压缩应力变化。对该管道拉伸失效环焊缝进行分析，结果表明断裂起始于一个焊接起/止点，该点叠加在一个小型焊接缺陷上。尽管断裂起始于焊缝，并且焊缝中存在其他缺陷，但裂纹主要沿着焊缝旁边的热影响区传播，而不是穿过焊缝本身。焊接区域存在缺陷并不一定会导致管道的整体强度显著下降。在评估管道的完整性和安全性时，需要考虑到焊接缺陷和热影响区的性能，以及它们在实际工作环境中的行为。

该处唯一的燃气管道在拉伸和压缩地面变形区域均发生了失效。管道在拉伸变形区域一个8°斜接的焊接接头处断裂，经对断裂的环焊缝观察，未发现任何缺陷。在压缩变形区域，管道失效显示出循环加载的证据，即管道在地震期间经历了多次的拉伸和压缩应力变化。

地震期间共发生9起石油管道泄漏，其中8起发生在ARCO-Four Corners管道公司运营的一条10 in/254 mm的输油管道，全长196.4 km，最严重的泄漏发生在圣克拉拉河附近的一个泵站下游，原油泄漏量估计为654 805升（约173 000加仑）。泄漏的原油与破裂供水管道中的水混合，形成了高度流动的混合物流入街道和雨水排水沟，最终污染了长达12英里的圣克拉拉河。这次泄漏对河流生态系统造成了严重破坏，并给紧急响应和清理工作带来了重大挑战，清理费用在最初两个月内超过了1500万美元。事故调查分析，管道乙炔焊接部分88.4 km、电弧焊接108 km。所有泄漏均发生在乙炔焊接的部分，大约每11公里发生1次破裂，其受损率显著高于电弧焊接，说明乙炔焊接是所有管道失效的一个促成因素，可能同时存在环焊缝和焊缝未焊透的问题[3]。

地震灾害给我们带来的启示：

（1）强烈地震引起的输油气管道破裂失效后果极其严重，在管道的设计、施工、运营、维护等各个阶段均要做好避震防震工作。管道选址应该避开地震地质灾害高发区，如活动断层、崩塌、滑坡、泥石流、砂土液化等。震后针对管体位移、管道变形要进行全面检测，深入评价管道完整性，评估地震对管体的损伤。

（2）高后果区、高风险点应急预案应详细考虑地震因素，特别是地处断层附近的油气管道。应急预案应包括潜在泄漏点的识别、脆弱性分析、损失估计和减灾、备灾计划。

（3）输油气管道抗震能力与管道实际运行工况、埋设环境紧密相关，应进一步研究地震灾害作用下埋地管道的破坏机理，如准确描述地震灾害发生时的管土相互作用，积累数据资料，建立地震灾害数据库，用理论研究成果指导油气管道防震抗震工作[4]。

参考文献：

[1]刘蒲雄，袁一凡，杨主恩，等.1994年1月17日美国加州北岭地震现场考察报告[J].国际地震动态，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]王龙.现役输油气管道跨断层抗震能力评估[D].中国地震局地球物理研究所，2022.

作者简介：张强，1986年生，高级工程师，注册安全工程师、二级安全评价师、管道检验员，主要从事管道风险评价和完整性相关的研究与应用工作。先后参与制修订行业、企业标准5项，获得国家石油天然气管网集团科技进步奖、中国职业安全健康协会科学技术奖、河北省石油学会科技进步奖等奖项。联系方式：0316-2072640，zhangqiang14@pipechina.com.cn。