·失效分析與預(yù)防·

油氣輸送管失效案例與原因分析

楊鋒平1卓海森2羅金恒1張良1賈海東3

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院中國石油集團石油管工程重點實驗室陜西西安710077；

2.中海福建天然氣有限責(zé)任公司福建莆田351100；3.中國石油西部管道公司新疆烏魯木齊830012)

摘要：文章介紹了油氣輸送管失效概率、失效模式以及近幾年幾起失效案例，并分析其中原因。其中管體失效與鋼管本身質(zhì)量基本無關(guān)，其失效主因為外力損傷及腐蝕，其防治重點應(yīng)放在日常維護上。環(huán)焊縫失效主因為焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，特別是根焊以及返修、補焊質(zhì)量較差，也有個別是附加載荷引起，而腐蝕因素則沒有發(fā)現(xiàn)，其防治重點應(yīng)放在管線建設(shè)質(zhì)量控制上。管件失效基本由制造因素引起，其防治重點應(yīng)放在管件生產(chǎn)加工質(zhì)量控制上。對于在役管件而言，通過便攜式硬度、金相、化學(xué)成分檢測是有效檢查措施。

關(guān)鍵詞：油氣管道；失效分析；失效概率；失效原因；失效案例

作者簡介：第一楊鋒平，男，1982年生，工程師，2010年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)獲博士學(xué)位，主要從事油氣長輸管道完整性評價與失效分析工作。E-mail:yangfengping008@cnpc.com.cn

文章編號：中圖法分類號：TE832

收稿日期：(2014-06-26編輯：屈憶欣)

Study of Failure Cause in Some Failure Cases in Oil and Gas PipelineYANG Fengping1ZHUO Haisen2LUO Jinheng1ZHANG Liang1JIA Haidong3

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,CNPCKeyLaboratoryforPetroleumTubularGoodsEngineering,Xi’an,Shaanxi710077,China;

2.CNOOCFujianGasCo.,Ltd.Putian,Fujian351100,China;3.PetrochinaWestPipelineCompany,Urumchi,Xinjiang830012,China)

Abstract：In order to research failure reason and take out some prevention measures, failure frequency, failure mode and some failure cases in recent years were introduced. It is found that for pipe body, rather than construction/produce defect, external interference and corrosion are the major cause of pipe failure. So more resources should be input on routine maintenance of pipeline to prevent pipe body failure. For girth welds, the main failure cause is pool welding in pipeline construction, especially the quality of root welding, repair welding is not stable. External interference is infrequent and corrosion is rare in our cases. So the key of prevention should be focus on welding quality in construction. For pipe fittings, such as flange, elbow, substandard pipe fitting itself is the main cause. And production quality control in factory is the main way. For fittings in service, portable hardness inspection, metallographic inspection and chemical analysis are the effective approach to check the fitting quality.

Key word： oil and gas pipeline, failure analysis, failure frequency,failure cause,failure case

0引言

十一五、十二五期間，中國石油以前所未有的速度，建成了西氣東輸二線、中緬管線、中亞管線(B、C)、中俄原油管道、陜京三線、中貴線等。截至2014年7月，我國陸上油氣管道總里程超過12萬公里，覆蓋31個省區(qū)市和特別行政區(qū)，近10億人受益，標(biāo)志著我國油氣骨干管網(wǎng)保障格局基本形成，在保障國家能源安全方面發(fā)揮了重要作用。

油氣管道服役初期以及長時間服役后，會因外部干擾、腐蝕、管材和施工質(zhì)量等因素發(fā)生失效事故，導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒，進而可能造成重大人員傷亡、經(jīng)濟損失及環(huán)境污染。相比過去，近年來隨著高鋼級、大口徑、高壓力天然氣管道的大量服役，一次失效造成的損失更大。因此，避免油氣管道出現(xiàn)失效事故，是管道科研、設(shè)計、建設(shè)、運行等各階段的一個重要任務(wù)。失效分析是指在油氣管道失效事故發(fā)生后，及時對失效模式、機理、原因進行分析和診斷的一種措施，這對減少管道失效事故、防止類似事故重演具有重要意義。因此，失效分析一直是保障油氣管道安全運行的重要技術(shù)手段。本文以天然氣管道為主，介紹近幾年幾起失效事故以及防止措施，為油氣管道的安全運行提供一定參考。

1國內(nèi)外管道失效概率對比

根據(jù)文獻[1]，美國OPS(Office of Pipeline Safety)統(tǒng)計結(jié)果顯示，1970-1984年，美國共發(fā)生天然氣管道失效事故5 872起，平均每年404起；1985-1992年，平均每年238起，直接經(jīng)濟損失超過3 500萬美元。

根據(jù)文獻[2、3]，EGIG(European Gas Pipeline Incident Date Group)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：1970-2010年間，歐洲天然氣管道失效事故共生1 249起，40年間的平均失效概率為0.351次/(1 000 km.a)，且隨著時間的推移，失效概率越來越低，2006-2010年間，平均失效僅為0.162次/(1 000 km·a)，詳細(xì)情況見表1。

表1　 EGIG失效事故統(tǒng)計表

與歐美國家相比，我國油氣管道安全性依然有一定的差距，2014年，國家安全監(jiān)管總局發(fā)布消息顯示[4]，我國陸上油氣管道30%以上已經(jīng)運行了10年以上，千公里泄露事故率年均4次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國和歐洲。同時，在國家層面或部委層面，缺少一個機構(gòu)對全國油氣管道失效事故進行統(tǒng)計和管理。2013年，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局開始組織全國創(chuàng)建安全科技支撐平臺，中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院申報的“石油管及裝備安全技術(shù)創(chuàng)新中心”，有望依托安監(jiān)總局力量，開展全國性油氣管道失效數(shù)據(jù)收集、整理工作。

2管道失效模式及機理

2.1失效模式

李鶴林院士提出[5]，油氣管道失效模式是失效的表現(xiàn)形式，一般認(rèn)為裝備的失效模式主要包括：斷裂、變形、表面損傷3 大類。考慮到油氣管道的特殊性，又將爆炸失效單列一類，這樣，油氣管道的失效模式就包括爆炸、斷裂、變形、表面損傷4 大類，如圖1所示。

2.2失效原因

油氣管道的失效原因通常可以劃分為：外部干擾、腐蝕、焊接和材料缺陷、設(shè)備和操作及其他，如圖2所示。

EGIS將天然氣管道失效的主要原因歸為6類：外部干擾/外力損傷、材料缺陷/建設(shè)質(zhì)量、腐蝕、地層移動、帶壓開孔操作失當(dāng)、其他/未知，其占事故比例見圖3，可知外部干擾所占比例將近一半，材料缺陷/建設(shè)質(zhì)量和腐蝕各占約1/6。

圖1　油氣管道的主要失效模式

圖2　油氣管道的主要失效原因

圖3　EGIS各種失效原因比例圖

3幾起管道失效案例

3.1管體失效

(1)2013年11月22日，中石化東黃輸油管道由于外腐蝕，導(dǎo)致原油泄漏后進入青島市政排水暗渠，油氣積聚發(fā)生燃爆，造成62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟損失75 172萬元[6]。管道局部腐蝕如圖4所示。

(2)2010年7月和9月，某管段兩次試壓后，在排水即將結(jié)束時，分別發(fā)生管道爆裂事件，爆管均發(fā)生在排水末端，如圖5所示。通過分析排水過程中氣液兩相流機理、彌合水擊產(chǎn)生機理，以及配合鋼管理化性能分析、斷口分析、兩次斷裂相似特征分析等手段，確定鋼管的爆裂是由水擊引起的異常瞬時過載造成的。

圖4　斷口附近管體腐蝕形貌圖

圖5　某管道試壓排水爆管照片

3.2環(huán)焊縫

筆者收集了2011-2013年以來8起環(huán)焊縫失效事故，發(fā)現(xiàn)如圖6(a)-6(d)所示規(guī)律。除1起事故未知外，其余7起均為內(nèi)壁首先起裂；同時，8道失效焊縫中，有5道存在返修記錄，意味著返修口的失效比例更高；從是否是連頭口角度看，8道口中有2道為連頭口(死口)，由于連頭口本來就少，因此該比例不低，說明連頭口最后組對的時候可能存在強力組對，從而在焊縫上產(chǎn)生附加載荷。將焊接質(zhì)量不合格等因素歸為內(nèi)因，將地層移動、外力損傷等因素歸為外因，則統(tǒng)計顯示，75%的失效屬于內(nèi)因為主的失效，且根焊未熔合為主要內(nèi)因，說明環(huán)焊縫失效與其自身質(zhì)量有重要因果關(guān)系。

(1)2013年3月，某天然氣管道開始投產(chǎn)前通氣，管線達(dá)到設(shè)計壓力并保壓約48 h后，某環(huán)焊縫發(fā)生泄漏，經(jīng)檢測，發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫6點處存在一處穿透裂紋，裂紋斷口為脆性斷口。裂紋處焊縫存在焊接缺陷，如圖7所示，焊接缺陷是引起環(huán)焊縫開裂的主要原因。

(2)2012年2月，某輸油管道環(huán)焊縫發(fā)生開裂泄漏，開裂長度幾乎貫穿環(huán)焊縫整個周長，如圖8所示。通過管道服役工況調(diào)查、斷口宏觀檢測、理化性能分析、附加應(yīng)力估算及斷裂失效評估后發(fā)現(xiàn)：管道運行中，承受了地層移動導(dǎo)致的附加彎曲應(yīng)力、內(nèi)壓以及焊接殘余應(yīng)力等載荷，按照API 579-2007《適用性評價方法》評估，環(huán)焊縫將在焊接缺陷處引發(fā)起裂和最終斷裂，附加彎曲應(yīng)力是造成焊口開裂的主要原因。

圖6環(huán)焊縫失效分析圖 (樣本數(shù) 8)

圖7　J6焊接接頭橫截面宏觀形貌

圖8　開裂管段照片

3.3管件

以法蘭為例，筆者收集了17起法蘭失效的信息，發(fā)現(xiàn)如圖9所示規(guī)律：因法蘭材質(zhì)或與材質(zhì)相關(guān)引起的失效占比77%，說明法蘭失效的主要原因是材質(zhì)問題；其62%的失效是環(huán)向開裂引起；54%的失效發(fā)生在法蘭與管道連接的環(huán)焊縫附近。

(1)2011年5月，某天然氣站場壓縮機進出口工藝管線在試壓過程中發(fā)生爆裂事故，爆裂處為進口管線短節(jié)前法蘭，如圖10所示。失效分析后發(fā)現(xiàn)，該法蘭晶粒度粗大，夏比沖擊功極低，法蘭材質(zhì)鍛造及熱處理不當(dāng)是失效事故的主要原因。

圖10　法蘭斷裂照片

(2)2014年6月，某天然氣管道閥室埋地彎頭在水壓試壓時發(fā)生爆裂，如圖11所示，爆裂時試壓壓力為4.57 MPa，爆裂位置位于彎頭內(nèi)側(cè)母材上，爆裂口最大寬度約540 mm，最大長度約1 400 mm，爆裂口沿焊縫邊緣縱向撕裂，延伸至彎頭兩端后穿過環(huán)焊縫在鋼管母材上橫向止裂。失效分析后發(fā)現(xiàn)，彎頭各項理化性能指標(biāo)均滿足要求，試壓時管道壓力監(jiān)控失當(dāng)可能是彎頭爆裂的原因。

圖11　彎頭失效后現(xiàn)場情況

4結(jié)論

(1)相比美國和歐洲，我國目前管道失效頻率偏高。

(2)從幾起管道失效事故可知，對于管體，外力損傷和腐蝕是管道失效主要原因，與鋼管本身質(zhì)量基本無關(guān)。

(3)對于環(huán)焊縫，焊接質(zhì)量不合格是失效的主要原因，應(yīng)從控制焊接質(zhì)量入手，減少失效發(fā)生概率。

(4)對于管件，出廠質(zhì)量不合格是其失效主因，應(yīng)從加強駐廠監(jiān)理等角度控制管件生產(chǎn)期間的質(zhì)量。對于已經(jīng)服役的疑似問題管件，應(yīng)通過便攜式硬度、金相、化學(xué)成分等檢測，確定管件是否存在問題。

參 考 文 獻

[1] 劉國志，彭英偉，伍東，等. 天然氣管道失效分析與防范對策[J], 安全與環(huán)境工程，2012,19(3):100-104.

[2] 吳策宇，耿曉梅，趙煥省. 歐洲天然氣管道發(fā)展特點及事故原因[J], 油氣儲運，2014,33(2):148-152.

[3] European Gas Pipeline Incident Data Group. 8thEGIG report[R/OL]. 2011-12-01[2013-04-10].http://www.egig.eu/.

[4] 張艷玲，中國陸上油氣管道總里程達(dá)12萬公里30%運行超10[EB1OL].北京：中國網(wǎng)，[2014-07-29]http://news.china.com.cn/2014-07/29/ content_33084 535.htm

[5] 李鶴林. 油氣管道失效控制技術(shù)[J]. 油氣儲運，2011,30(6)401-410.

[6] http:// www.chinasafety.gov.cn /newpage/Contents/Ch annel _21679 /2014/ 0110/ 244575/ content_244575.htm