長輸管道彎管清管破裂失效分析

宮少濤 劉迎來 聶向輝 王高峰 趙金蘭

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院石油管力學(xué)與環(huán)境行為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西710077)

長輸管道彎管清管破裂失效分析

宮少濤 劉迎來 聶向輝 王高峰 趙金蘭

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院石油管力學(xué)與環(huán)境行為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西710077)

通過對某長輸管線在清管過程中彎管段發(fā)生縱向開裂原因的分析，發(fā)現(xiàn)清管器的選型不合適，在經(jīng)過彎管時(shí)與彎管外弧側(cè)發(fā)生刮擦是導(dǎo)致彎管失效的根本原因。建議針對帶有彎管的管線進(jìn)行清管時(shí)，結(jié)合管線設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照彎管的曲率半徑和彎曲角度進(jìn)行計(jì)算，確定清管器規(guī)格，并適當(dāng)降低清管器的過盈量，縮短長度。

長輸管線；彎管；清管；破裂；失效分析

清管作業(yè)是油氣管道投產(chǎn)前后清理管腔、保障管道安全運(yùn)行的重要手段，主要分為新建管道投產(chǎn)清管和運(yùn)行管道清管。對新建管道進(jìn)行清管作業(yè)，可清除管道內(nèi)的毛刺、鐵屑以及焊條、石塊等遺留雜物，還可在用水試壓后對管道進(jìn)行排水、干燥等作業(yè)；對運(yùn)行管道進(jìn)行清管作業(yè)，可以清除管道內(nèi)的積水、結(jié)蠟，提高管道所輸介質(zhì)品質(zhì)，降低站間壓耗等[1-2]。

彎管是石油天然氣輸送管線的重要組成部分，管線在設(shè)計(jì)施工時(shí)，考慮到后續(xù)的清管作業(yè)，避免出現(xiàn)清管器在彎管段造成卡堵，彎管的曲率半徑有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求。但是符合設(shè)計(jì)要求的某管線在清管過程中，清管器運(yùn)行至彎管時(shí)，外弧側(cè)發(fā)生破裂。通過對破裂彎管的外觀、理化性能進(jìn)行綜合分析，查找了失效原因，并提出避免此類事故發(fā)生的措施。

1 事故概況

某管線在投用前的第一次清管過程中，按照操作規(guī)程，先后使用4個(gè)清管器(按照入管先后順序編號分別為1#—4#)對管道進(jìn)行清管作業(yè)。清管器規(guī)格為3CP-457B。

圖1 清管壓力隨時(shí)間變化Figure 1 The pressure variation with time during pigging

1#清管器順利完成首次清管作業(yè)，帶有掃管鋼刷的2#清管器經(jīng)過彎管時(shí)卡在管道內(nèi)，此時(shí)發(fā)送3#清管器，繼續(xù)進(jìn)行清管作業(yè)，注氣持續(xù)升壓(圖1)，2#清管器通過，3#清管器隨之由彎管外弧側(cè)穿出，停止清管，4#清管器停在管道內(nèi)。

2 宏觀分析

圖2為3#清管器沖破彎管的全貌。經(jīng)測量彎管破裂長度約2100 mm，裂口最大寬度約750 mm。

接收到的2#清管器上用來固定鋼刷和橡膠墊的鋼板及螺栓變形嚴(yán)重，如圖3所示。圖4為穿出彎管的3#清管器的外形，可以看出其表面開裂，并且螺釘及芯軸嚴(yán)重變形，出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。

對破裂彎管進(jìn)行解剖，內(nèi)表面損傷形貌如圖5所示。檢查發(fā)現(xiàn)彎管受擠壓，變形嚴(yán)重，壁厚減薄明顯，同時(shí)有大量的刮傷及劃痕，斷口處最大減薄量為3.1 mm，并且減薄量由開裂處沿鋼管周向逐漸減?。粌?nèi)壁最長劃痕尺寸1000 mm×22 mm×2.3 mm，并且劃痕底部不光滑，存在尖細(xì)的劃痕槽；開裂沿劃槽擴(kuò)展(如圖6)。

3 理化分析

3.1 化學(xué)分析

使用ARL 4460直讀光譜儀對破裂彎管母材試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表明彎管的化學(xué)成分符合工程技術(shù)規(guī)格書要求。

圖2 破裂彎管形貌Figure 2 The appearance of ruptured elbow pipe

圖3 2#清管器Figure 3 2# pigging instrument

圖4 3#清管器Figure 4 3# pigging instrument

圖6 破裂彎管裂紋尖端Figure 6 The top end of crack of ruptured elbow pipe

3.2 拉伸試驗(yàn)

在彎管直管段(包括管體和焊縫)、過渡區(qū)和內(nèi)弧側(cè)取拉伸試樣，并依據(jù)ASTM A370要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表1。上述試樣的拉伸性能結(jié)果符合工程技術(shù)規(guī)格書要求。

3.3 夏比沖擊試驗(yàn)

在彎管直管段(包括管體和焊縫)、過渡區(qū)和內(nèi)弧側(cè)取夏比沖擊試樣，并依據(jù)ASTM A370要求進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表2。上述試樣的的夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果符合工程技術(shù)規(guī)格書要求。

表1 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The tested results of tensile property

表2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of impact test

表3 彎管金相檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of metallographic examination of elbow pipe

(a)正常組織(b)變形組織

圖7 彎管內(nèi)壁劃痕處組織形貌
Figure 7 The microstructure of scratches on the inner wall of elbow pipe

3.4 微觀組織分析

在彎管各處取金相試樣，進(jìn)行微觀組織分析，并且在一個(gè)內(nèi)壁劃痕處進(jìn)行顯微硬度測試，結(jié)果見表3。彎管的顯微組織、晶粒度和夾雜物級別符合工程技術(shù)規(guī)格書的要求。通過內(nèi)壁劃痕處的顯微硬度檢測可以看出，變形部分的硬度遠(yuǎn)高于正常組織，變形層有加工硬化傾向。彎管未發(fā)生變形處和裂口附近微觀組織如圖7所示，可見彎管裂口處受到撕裂，顯微組織變形嚴(yán)重。

4 綜合分析

彎管直管段、內(nèi)弧側(cè)以及過渡區(qū)的理化性能試驗(yàn)結(jié)果均符合工程技術(shù)規(guī)格書要求。

彎管晶粒度和夾雜物等級符合工程技術(shù)規(guī)格書要求。在彎管裂口附近，內(nèi)表面劃傷及劃痕處周圍組織有變形，并可見凹坑及裂紋。彎管破裂處維氏硬度(HV0.5)比遠(yuǎn)離破裂處維氏硬度高約100HV。

通過對彎管損傷形貌和清管器損壞程度的綜合分析，彎管發(fā)生破裂的過程如下：1#清管器不帶有鋼刷，與彎管內(nèi)壁結(jié)合阻力較小，順利通過鋼管；2#清管器帶有鋼刷，與彎管內(nèi)壁摩擦增大，如遇到異物，容易發(fā)生堵卡，導(dǎo)致前行受阻；3#清管器受壓繼續(xù)前行，在2#和3#清管器之間的壓力增大，當(dāng)壓力大于2#清管器與彎管內(nèi)壁摩擦力時(shí)，2#清管器瞬時(shí)快速前行，通過彎管，但其螺栓與彎管內(nèi)壁刮擦，導(dǎo)致彎管外弧發(fā)生加工硬化，壁厚減薄，形成劃槽。由于2#清管器已通過彎管，3#清管器前段壓力驟然釋放，迅速前行，沖擊已被2#清管器損傷的彎管外弧側(cè)內(nèi)壁，滑槽處產(chǎn)生裂紋，并快速擴(kuò)展，3#清管器由彎管裂口沖出。

綜上所述，彎管破裂的原因如下：2#清管器因?yàn)閹в袖撍?，與橡膠碗相比，鋼刷與鋼管之間的阻力會增大，如果這兩者之間夾雜異物，阻力將會進(jìn)一步增加，并且會使鋼刷變形，但如果清管器長度較長，會使清管器在彎管內(nèi)回轉(zhuǎn)不暢，導(dǎo)致清管器沿彎管切線方向前行，從而鋼刷與彎管內(nèi)壁發(fā)生嚴(yán)重刮擦，導(dǎo)致隨后彎管破裂失效。

目前，為了避免清管時(shí)在彎管段出現(xiàn)卡堵情況，常用方式是在管線設(shè)計(jì)時(shí)對彎管的曲率半徑進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定，防止使用不匹配曲率半徑的彎管。由于在設(shè)計(jì)時(shí)采取了相應(yīng)的措施，因此管線在清管時(shí)，容易忽視由于清管器選擇不當(dāng)，而在彎管處造成卡堵的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對帶有彎管的管線進(jìn)行清管時(shí)，建議嚴(yán)格按照彎管的曲率半徑和彎曲角度進(jìn)行計(jì)算，確定清管器規(guī)格，并適當(dāng)降低過盈量，縮短長度，避免出現(xiàn)清管器卡堵現(xiàn)象。

此外，在清管過程中，隨著時(shí)間推移，清管壓力逐漸升高，雖然未達(dá)到管線設(shè)計(jì)壓力，但卻反映出清管器在管線內(nèi)有異常，此種情況下，可暫停清管作業(yè)，對管道及清管器進(jìn)行檢查，避免發(fā)生事故。

5 結(jié)論

(1)彎管直管段、內(nèi)弧側(cè)以及過渡區(qū)的理化性能試驗(yàn)結(jié)果均在正常值范圍內(nèi)，符合工程技術(shù)規(guī)格書要求。

(2)彎管內(nèi)壁受到清管器嚴(yán)重?cái)D壓及刮擦，導(dǎo)致壁厚減薄，形成劃槽，并且隨著清管器前進(jìn)，彎管在受力最大的外弧側(cè)起裂，隨之裂紋沿劃痕槽擴(kuò)展，從而導(dǎo)致彎管開裂。

(3)建議在制定清管操作規(guī)程時(shí)，要考慮到管線中的彎管對清管過程的影響，謹(jǐn)慎選擇清管器，并且在清管過程中密切注意壓力變化情況。

(4)針對帶有彎管的管線進(jìn)行清管時(shí)，建議嚴(yán)格按照彎管的曲率半徑和彎曲角度進(jìn)行計(jì)算，確定清管器規(guī)格，并適當(dāng)降低過盈量，縮短長度，避免出現(xiàn)清管器卡堵現(xiàn)象。

[1] 唐奕，范小霞，龔劍，等．付納輸氣管道清管器運(yùn)行距離和時(shí)間預(yù)測[J]．油氣儲運(yùn)，2010，29(8):627-629．

[2] 陳欣，余國核，王茜.清管器的設(shè)計(jì)與選用[J]．清洗世界，2011，27(3):19-23．

編輯 杜青泉

Failure Analysis of Rupture on Elbow Pipe of Long Distance Pipeline During Pigging Operation

Gong Shaotao,Liu Yinglai,Nie Xianghui,Wang Gaofeng,Zhao Jinlan

By analyzing the causes for longitudinal cracks appeared on elbow pipe of a certain long distance pipeline during pigging operation,it is found that the selection of type for pigging instrument is inappropriate.The primary cause leading the failure of elbow pipe is that the pigging instrument scrapes on the external arc side of elbow pipe when it goes through.It is supposed that by combining the pipeline design,the calculation shall be performed strictly in accordance with the radius of curvature and the angel of bend.Meanwhile,the specification of pigging instrument shall be determined.The magnitude of interference of pigging instrument shall be reduced properly,and the length shall be shortened as well.

long distance pipeline; elbow pipe; pigging; rupture; failure analysis

2016—08—20

宮少濤(1980—)，男，高級工程師，從事長輸管線研究工作。

TE973

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