長(zhǎng)輸油氣管道裂紋失效案例調(diào)研

雷錚強(qiáng)，王富祥，陳 健，王 婷，鄭洪龍

（中國(guó)石油管道科技研究中心/油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065000）

長(zhǎng)輸油氣管道裂紋失效案例調(diào)研

雷錚強(qiáng)，王富祥，陳 健，王 婷，鄭洪龍

（中國(guó)石油管道科技研究中心/油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065000）

裂紋是管道的一種嚴(yán)重缺陷，可導(dǎo)致管道的突然開(kāi)裂失效。通過(guò)對(duì)美國(guó)和加拿大管道裂紋失效案例調(diào)研，對(duì)比分析了北美地區(qū)國(guó)家及國(guó)內(nèi)油氣管道裂紋失效情況。結(jié)合典型失效案例從管道裂紋類(lèi)型、失效原因等角度梳理了管道裂紋失效的主要風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型、管控經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，為國(guó)內(nèi)油氣管道裂紋失效的風(fēng)險(xiǎn)分析和相關(guān)決策支持提供參考。關(guān)鍵詞：油氣管道；裂紋；失效案例；完整性

1 管道裂紋失效案例及分類(lèi)

從公開(kāi)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)看，北美國(guó)家關(guān)于長(zhǎng)輸油氣管道裂紋失效的相關(guān)報(bào)道較多[1-3]，國(guó)內(nèi)僅有一篇關(guān)于管道應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）的報(bào)道[4]。因此本文首先對(duì)加拿大運(yùn)輸安全局（TSB）及美國(guó)管道運(yùn)輸及?；钒踩芾聿浚≒HMSA）官方網(wǎng)站公布的管道失效事故進(jìn)行了調(diào)查，失效案例整理分析結(jié)果（見(jiàn)表1）。表1匯總了近20年來(lái)有較詳細(xì)失效分析報(bào)告的31起管道裂紋失效案例，其中加拿大10起、美國(guó)15起及中國(guó)6起。加拿大及美國(guó)管道失效的平均服役年限是44年，且SCC相關(guān)失效案例較多。國(guó)內(nèi)管道以新建管道的環(huán)焊縫焊接裂紋失效為主，北美國(guó)家也發(fā)生焊縫相關(guān)的裂紋失效，其中數(shù)起與ERW直焊縫焊接裂紋有關(guān)。這些失效案例中，國(guó)內(nèi)外管道主要的裂紋失效類(lèi)型存在明顯差異，這可能與不同年代的制管工藝、實(shí)際服役年限及管道管理水平等因素有關(guān)。

這31起失效案例中，服役環(huán)境因素導(dǎo)致的失效為20起，占65%，包括SCC失效18起、氫致開(kāi)裂（HIC）失效1起和疲勞裂紋失效1起；施工因素導(dǎo)致的失效為11起，占35%，包括焊接裂紋失效10起，機(jī)械損傷底部裂紋失效1起。由此可見(jiàn)，SCC和焊接裂紋是最主要的管道裂紋失效風(fēng)險(xiǎn)。

2 典型失效案例經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

2.1 管道裂紋失效分類(lèi)

由于美國(guó)及加拿大管道裂紋失效占全部管道失效事故的比例非常低，且大部分管道裂紋失效屬于SCC類(lèi)型，因此相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道中關(guān)于SCC的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較多，而關(guān)于HIC、焊接裂紋、疲勞裂紋等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較少。加拿大TSB將“腐蝕/環(huán)境致使開(kāi)裂”作為失效統(tǒng)計(jì)的一個(gè)門(mén)類(lèi)[5]，統(tǒng)計(jì)資料顯示1985-1995年間加拿大CEPA會(huì)員公司管道共發(fā)生48起爆裂事故，其中由SCC引起的事故為8起，占17%[6]。美國(guó)PHMSA將“環(huán)境致開(kāi)裂”進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，1985-2015年間美國(guó)共發(fā)生52起環(huán)境致開(kāi)裂失效（主要是SCC），分別占輸氣和輸油管道失效的1.3%和0.4%。對(duì)于焊接裂紋缺陷，加拿大沒(méi)有進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)將材料、焊接、設(shè)備失效歸并統(tǒng)計(jì)，其中焊接裂紋缺陷引起失效比例未知。

結(jié)合上述31起國(guó)內(nèi)外管道裂紋失效案例及管理現(xiàn)狀，本文按照油氣管道裂紋產(chǎn)生的原因?qū)⑵浞譃閮煞N類(lèi)型，分別是：服役環(huán)境因素導(dǎo)致和施工因素導(dǎo)致（見(jiàn)圖1），服役環(huán)境因素導(dǎo)致管道裂紋包括SCC、HIC及疲勞裂紋，施工因素導(dǎo)致的管道裂紋包括焊接裂紋缺陷和機(jī)械損傷底部裂紋。需要指出的是，這里所說(shuō)的疲勞裂紋是指狹義上的應(yīng)力循環(huán)導(dǎo)致的疲勞開(kāi)裂。廣義上來(lái)說(shuō)，管道SCC和HIC的發(fā)生與材料、應(yīng)力、時(shí)間及腐蝕環(huán)境等因素的相互作用有關(guān)，也可以歸為疲勞裂紋失效范疇。

圖1 油氣管道裂紋失效案例分類(lèi)

2.2 管道SCC失效

管道SCC失效是加拿大管道失效的主要原因之一。據(jù)報(bào)道，1984-2003年間加拿大管道失效的三個(gè)最主要原因從大到小依次是管道外腐蝕、SCC及第三方破壞[7]；美國(guó)油氣管道也同樣面臨SCC風(fēng)險(xiǎn)，1965年人們?cè)诿绹?guó)的一條輸氣管道上發(fā)現(xiàn)了第一起SCC失效，為高pH SCC失效。最初，人們認(rèn)為SCC失效事故僅在美國(guó)沿海的黏土環(huán)境中的輸氣管道發(fā)生，后來(lái)越來(lái)越多的案例表明SCC也可以在其他不同土壤類(lèi)型中發(fā)生，1985年人們?cè)诩幽么蟀l(fā)現(xiàn)首例近中性pH SCC[8]失效。

管道SCC失效已經(jīng)成為北美地區(qū)管道失效的主要威脅之一。為解決高后果區(qū)內(nèi)輸氣管道SCC失效風(fēng)險(xiǎn)，2006年加拿大及美國(guó)成立聯(lián)合研究項(xiàng)目（JIP-1）對(duì)北美地區(qū)在役管道SCC失效進(jìn)行了調(diào)研，并于2012年發(fā)布了相關(guān)研究結(jié)果[3]。JIP-1調(diào)研對(duì)象包括1965年至2010年所有輸氣管道近中性pH SCC和高pH SCC失效案例，不同年份SCC發(fā)生頻次統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見(jiàn)表2）。

表2 美國(guó)及加拿大在役輸氣管道SCC失效統(tǒng)計(jì)[3]

表2中共統(tǒng)計(jì)了過(guò)去50年北美地區(qū)發(fā)生的85起管道SCC失效事故，這些事故的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)顯示管道發(fā)生高pH SCC和近中性pH SCC失效與較高應(yīng)力、較長(zhǎng)服役年限及非FBE涂層類(lèi)型有關(guān)（見(jiàn)表3）。SCC失效案例的進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[6]?；谝陨瞎艿繱CC失效案例經(jīng)驗(yàn)積累，加拿大、美國(guó)也逐漸形成SCC的推薦做法和標(biāo)準(zhǔn)。早在1997年，加拿大能源管道協(xié)會(huì)（CEPA）就發(fā)布了第一版SCC推薦做法，2007年發(fā)布了第二版。2004年，NEB發(fā)布了6項(xiàng)提高公眾安全的措施：（1）對(duì)所有管道實(shí)行SCC管控；（2）改變管道的設(shè)計(jì)；（3）持續(xù)研究；（4）建立 SCC 失效數(shù)據(jù)庫(kù)；（5）改善應(yīng)急響應(yīng)措施；（6）持續(xù)信息共享。這6條舉措有助于管道運(yùn)營(yíng)管理者對(duì)管道SCC實(shí)施持續(xù)監(jiān)控。

表3 加拿大及美國(guó)管道SCC失效案例經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[3]

直到2002年，美國(guó)發(fā)布了ASME B31.8S《輸氣管道完整性管理》，引用了聯(lián)邦政府規(guī)章第49條內(nèi)容，為管道SCC提供了指導(dǎo)。ASME B31.8S給出了管道SCC的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程、檢測(cè)要點(diǎn)和開(kāi)挖檢測(cè)流程等。2003年，美國(guó)PHMSA部門(mén)的管道安全辦公室（OPS）發(fā)布了油氣管道SCC風(fēng)險(xiǎn)公告，建議在油氣管道完整性管理計(jì)劃中考慮SCC風(fēng)險(xiǎn)。2004年，美國(guó)腐蝕工程學(xué)會(huì)（NACE）發(fā)布了第一版應(yīng)力腐蝕直接評(píng)估方法（SCCDA），于2015年發(fā)布修訂版NACE 0204-2015。NACE 0204-2015綜合了ASME B31.8S和CEPA標(biāo)準(zhǔn)，給出了管道SCC的直接評(píng)估方法，代表了目前管道SCC管控的先進(jìn)做法。2014年API和美國(guó)輸油管道協(xié)會(huì)（AOPL）意識(shí)到發(fā)布裂紋缺陷指南的必要性，成立管道完整性工作組開(kāi)始起草并于2016年發(fā)布了API RP 1176-2016《Recommended practice for assessment and management of cracking in pipelines》標(biāo)準(zhǔn)。API RP 1176-2016標(biāo)準(zhǔn)引用了ASME B31.8S和NACE 0204-2015標(biāo)準(zhǔn)并推薦管道SCCDA方法，除此之外該標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)油氣管道裂紋管控的一般原則和方法、管道主要裂紋類(lèi)型、裂紋缺陷評(píng)價(jià)、裂紋管控措施、修復(fù)等內(nèi)容進(jìn)行了全面規(guī)定。

2.3 焊接裂紋失效

管道焊接裂紋缺陷可能出現(xiàn)在螺旋焊縫、直焊縫以及環(huán)焊縫中。其中管道直焊縫和螺旋焊縫在出廠(chǎng)前經(jīng)過(guò)嚴(yán)格無(wú)損檢測(cè)，焊接質(zhì)量可控，經(jīng)出廠(chǎng)驗(yàn)收合格的管道直焊縫和螺旋焊縫一般不會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋。從失效案例情況看，管道焊接裂紋缺陷主要出現(xiàn)于現(xiàn)場(chǎng)施工的環(huán)焊縫中。由于殘余應(yīng)力和裝配應(yīng)力存在，管道焊接施工過(guò)程中可能出現(xiàn)熱裂紋、冷裂紋、未熔合及熱處理裂紋等焊接裂紋缺陷。環(huán)焊縫焊接裂紋可出現(xiàn)在焊縫或母材中，對(duì)管道安全服役構(gòu)成極大威脅。

國(guó)內(nèi)和國(guó)外都發(fā)生過(guò)管道環(huán)焊縫失效案例。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明[9]，1993-1997年間加拿大油氣管道環(huán)焊縫失效占全部管道失效案例的比例為5.5%，1984-2004年間美國(guó)天然氣管道環(huán)焊縫失效比例為2.1%，這些案例中與焊接裂紋相關(guān)的失效比例情況未知。2011年以來(lái)，中國(guó)石油共發(fā)生8起新建管道的環(huán)焊縫失效，其中4起與未熔合等焊接裂紋缺陷有關(guān)[10]，西二線(xiàn)彭家灣穿越段管道環(huán)焊縫未熔合缺陷失效（見(jiàn)圖2）。相關(guān)失效案例的經(jīng)驗(yàn)分析表明，大多數(shù)管道環(huán)焊縫失效不僅與焊接缺陷有關(guān)，還與較高的管道附加軸向應(yīng)力有關(guān)，引起管道軸向附加應(yīng)力的因素有管道周邊土體移動(dòng)、溫度變化等。

圖2 西二線(xiàn)彭家灣穿越段管道環(huán)焊縫失效

管道焊接施工和管段竣工驗(yàn)收階段進(jìn)行超聲、射線(xiàn)及水壓試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)大部分焊接裂紋缺陷，但仍然存在一些處于臨界尺寸以下的焊接裂紋缺陷不能被檢測(cè)出。由于余高的影響，環(huán)焊縫處的裂紋缺陷檢測(cè)仍然是內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)?，F(xiàn)有的管道裂紋內(nèi)檢測(cè)技術(shù)如超聲裂紋內(nèi)檢測(cè)及電磁超聲裂紋內(nèi)檢測(cè)技術(shù)主要適用于管體及直焊縫的裂紋缺陷檢測(cè)，還難以對(duì)環(huán)焊縫、螺旋焊縫處的裂紋缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)。通過(guò)漏磁內(nèi)檢測(cè)信號(hào)分析可識(shí)別部分環(huán)焊縫未熔合、未焊透等類(lèi)裂紋缺陷[10]，但對(duì)于細(xì)小的焊接裂紋仍無(wú)法識(shí)別。2015年國(guó)際管道研究協(xié)會(huì)（PRCI）立項(xiàng)開(kāi)展環(huán)焊縫異常的內(nèi)檢測(cè)牽拉試驗(yàn)研究，以探討常用的漏磁及超聲內(nèi)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于環(huán)焊縫類(lèi)裂紋缺陷檢測(cè)識(shí)別的適用性[11]。總體上，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)有效的管道焊接裂紋缺陷內(nèi)檢測(cè)識(shí)別方法和標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 其他類(lèi)型管道裂紋失效

管道HIC是由于氫原子進(jìn)入金屬內(nèi)部富集在硫化物夾雜周?chē)?，造成沿材料軋制方向出現(xiàn)臺(tái)階狀裂紋。HIC由氫原子引發(fā)，常發(fā)生在含濕氣H2S環(huán)境、含MnS夾雜物的鋼和溫度25℃、pH值小于4的條件下。含H2S等酸性油氣和高強(qiáng)度鋼管容易發(fā)生HIC[8]。1994年2月15日，加拿大Foothills公司X70天然氣管道發(fā)生開(kāi)裂，失效分析發(fā)現(xiàn)裂紋起始于管道內(nèi)壁孔隙，HIC是孔隙產(chǎn)生的主要原因。此次HIC失效被認(rèn)為主要與含硫天然氣有關(guān)，隨后加拿大運(yùn)輸安全局對(duì)類(lèi)似工況的輸氣管道采取了輸送工藝的整改措施。

管道機(jī)械損傷通常是機(jī)械設(shè)備、挖掘機(jī)或其他土木工程器械意外接觸管道所致，包括建造時(shí)的意外損傷和第三方破壞損傷等。嚴(yán)重的管道機(jī)械損傷可直接導(dǎo)致管體裂紋，也可能在隨后的管道運(yùn)行壓力波動(dòng)下萌生疲勞裂紋。針對(duì)第三方破壞的光纖預(yù)警技術(shù)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)相關(guān)的管道機(jī)械損傷。

疲勞裂紋容易在管道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位產(chǎn)生，如環(huán)焊縫、彎管、支管、凹陷等位置的局部不連續(xù)處，局部不連續(xù)包括：（1）焊縫的咬邊、錯(cuò)邊、未焊滿(mǎn)、余高不足等；（2）機(jī)械損傷的溝槽狀劃傷；（3）發(fā)生凹陷變形管段的劃傷等局部金屬損失等。

3 結(jié)論

本文調(diào)研了北美地區(qū)及國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道裂紋失效的典型案例，總結(jié)分析了管道裂紋失效的兩大因素：服役環(huán)境因素導(dǎo)致和施工因素導(dǎo)致，分別以SCC和焊接裂紋缺陷為主。梳理了加拿大及美國(guó)對(duì)管道SCC管控的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)發(fā)展現(xiàn)狀，為下一步國(guó)內(nèi)油氣管道裂紋失效的風(fēng)險(xiǎn)分析和相關(guān)決策支持提供參考。

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Case studies of pipeline cracking related failures

LEI Zhengqiang，WANG Fuxiang，CHEN Jian，WANG Ting，ZHENG Honglong
（National Engineering Laboratory of Transportation Safety of Oil&Gas Pipeline，PetroChina Pipeline R&D Center，Langfang Hebei 065000，China）

Cracking is one of the common failure modes in pipelines and it may be the most dangerous since fracture can occur instantaneously without advance warning.Case studies of pipeline cracking related failures in North America and China are performed to review the typical cases of pipeline cracking.Then all the typical cases are classified regarding their causes,also major risks of pipeline cracking and management experiences are summarized,with the purpose of giving a guide for the risk management of pipeline cracking in China.

oil&gas pipeline；crack；case of failure；integrity

TE88

A

1673-5285（2017）10-0009-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.003

2017－09-24

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科研項(xiàng)目“油氣管道裂紋風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)前期研究”，項(xiàng)目編號(hào)：2016B-3107-0502；中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科研項(xiàng)目“油氣管道輸送實(shí)（試）驗(yàn)新方法和新技術(shù)開(kāi)發(fā)”，項(xiàng)目編號(hào)：2015D-5008-39（GF）。

雷錚強(qiáng)，男（1984-），工程師，2013年博士畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所力學(xué)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事管道檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)的研究工作，郵箱：leizhengqiang@yeah.net。