長輸油氣管道裂紋失效案例調研

雷錚強，王富祥，陳 健，王 婷，鄭洪龍

（中國石油管道科技研究中心/油氣管道輸送安全國家工程實驗室，河北廊坊 065000）

長輸油氣管道裂紋失效案例調研

雷錚強，王富祥，陳 健，王 婷，鄭洪龍

（中國石油管道科技研究中心/油氣管道輸送安全國家工程實驗室，河北廊坊 065000）

裂紋是管道的一種嚴重缺陷，可導致管道的突然開裂失效。通過對美國和加拿大管道裂紋失效案例調研，對比分析了北美地區國家及國內油氣管道裂紋失效情況。結合典型失效案例從管道裂紋類型、失效原因等角度梳理了管道裂紋失效的主要風險類型、管控經驗及相關法規標準，為國內油氣管道裂紋失效的風險分析和相關決策支持提供參考。關鍵詞：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

從公開的文獻數據看，北美國家關于長輸油氣管道裂紋失效的相關報道較多[1-3]，國內僅有一篇關于管道應力腐蝕開裂（SCC）的報道[4]。因此本文首先對加拿大運輸安全局（TSB）及美國管道運輸及?；钒踩芾聿浚≒HMSA）官方網站公布的管道失效事故進行了調查，失效案例整理分析結果（見表1）。表1匯總了近20年來有較詳細失效分析報告的31起管道裂紋失效案例，其中加拿大10起、美國15起及中國6起。加拿大及美國管道失效的平均服役年限是44年，且SCC相關失效案例較多。國內管道以新建管道的環焊縫焊接裂紋失效為主，北美國家也發生焊縫相關的裂紋失效，其中數起與ERW直焊縫焊接裂紋有關。這些失效案例中，國內外管道主要的裂紋失效類型存在明顯差異，這可能與不同年代的制管工藝、實際服役年限及管道管理水平等因素有關。

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

2 典型失效案例經驗總結

2.1 管道裂紋失效分類

由于美國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類型，因此相關文獻報道中關于SCC的統計數據較多，而關于HIC、焊接裂紋、疲勞裂紋等統計數據較少。加拿大TSB將“腐蝕/環境致使開裂”作為失效統計的一個門類[5]，統計資料顯示1985-1995年間加拿大CEPA會員公司管道共發生48起爆裂事故，其中由SCC引起的事故為8起，占17%[6]。美國PHMSA將“環境致開裂”進行分類統計，1985-2015年間美國共發生52起環境致開裂失效（主要是SCC），分別占輸氣和輸油管道失效的1.3%和0.4%。對于焊接裂紋缺陷，加拿大沒有進行分類統計，美國將材料、焊接、設備失效歸并統計，其中焊接裂紋缺陷引起失效比例未知。

結合上述31起國內外管道裂紋失效案例及管理現狀，本文按照油氣管道裂紋產生的原因將其分為兩種類型，分別是：服役環境因素導致和施工因素導致（見圖1），服役環境因素導致管道裂紋包括SCC、HIC及疲勞裂紋，施工因素導致的管道裂紋包括焊接裂紋缺陷和機械損傷底部裂紋。需要指出的是，這里所說的疲勞裂紋是指狹義上的應力循環導致的疲勞開裂。廣義上來說，管道SCC和HIC的發生與材料、應力、時間及腐蝕環境等因素的相互作用有關，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

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。據報道，1984-2003年間加拿大管道失效的三個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]；美國油氣管道也同樣面臨SCC風險，1965年人們在美國的一條輸氣管道上發現了第一起SCC失效，為高pH SCC失效。最初，人們認為SCC失效事故僅在美國沿海的黏土環境中的輸氣管道發生，后來越來越多的案例表明SCC也可以在其他不同土壤類型中發生，1985年人們在加拿大發現首例近中性pH SCC[8]失效。

管道SCC失效已經成為北美地區管道失效的主要威脅之一。為解決高后果區內輸氣管道SCC失效風險，2006年加拿大及美國成立聯合研究項目（JIP-1）對北美地區在役管道SCC失效進行了調研，并于2012年發布了相關研究結果[3]。JIP-1調研對象包括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發生頻次統計結果（見表2）。

表2 美國及加拿大在役輸氣管道SCC失效統計[3]

表2中共統計了過去50年北美地區發生的85起管道SCC失效事故，這些事故的經驗總結顯示管道發生高pH SCC和近中性pH SCC失效與較高應力、較長服役年限及非FBE涂層類型有關（見表3）。SCC失效案例的進一步統計分析結果參見文獻[3]和文獻[6]?；谝陨瞎艿繱CC失效案例經驗積累，加拿大、美國也逐漸形成SCC的推薦做法和標準。早在1997年，加拿大能源管道協會（CEPA）就發布了第一版SCC推薦做法，2007年發布了第二版。2004年，NEB發布了6項提高公眾安全的措施：（1）對所有管道實行SCC管控；（2）改變管道的設計；（3）持續研究；（4）建立 SCC 失效數據庫；（5）改善應急響應措施；（6）持續信息共享。這6條舉措有助于管道運營管理者對管道SCC實施持續監控。

表3 加拿大及美國管道SCC失效案例經驗總結[3]

直到2002年，美國發布了ASME B31.8S《輸氣管道完整性管理》，引用了聯邦政府規章第49條內容，為管道SCC提供了指導。ASME B31.8S給出了管道SCC的風險評價過程、檢測要點和開挖檢測流程等。2003年，美國PHMSA部門的管道安全辦公室（OPS）發布了油氣管道SCC風險公告，建議在油氣管道完整性管理計劃中考慮SCC風險。2004年，美國腐蝕工程學會（NACE）發布了第一版應力腐蝕直接評估方法（SCCDA），于2015年發布修訂版NACE 0204-2015。NACE 0204-2015綜合了ASME B31.8S和CEPA標準，給出了管道SCC的直接評估方法，代表了目前管道SCC管控的先進做法。2014年API和美國輸油管道協會（AOPL）意識到發布裂紋缺陷指南的必要性，成立管道完整性工作組開始起草并于2016年發布了API RP 1176-2016《Recommended practice for assessment and management of cracking in pipelines》標準。API RP 1176-2016標準引用了ASME B31.8S和NACE 0204-2015標準并推薦管道SCCDA方法，除此之外該標準還對油氣管道裂紋管控的一般原則和方法、管道主要裂紋類型、裂紋缺陷評價、裂紋管控措施、修復等內容進行了全面規定。

2.3 焊接裂紋失效

管道焊接裂紋缺陷可能出現在螺旋焊縫、直焊縫以及環焊縫中。其中管道直焊縫和螺旋焊縫在出廠前經過嚴格無損檢測，焊接質量可控，經出廠驗收合格的管道直焊縫和螺旋焊縫一般不會產生焊接裂紋。從失效案例情況看，管道焊接裂紋缺陷主要出現于現場施工的環焊縫中。由于殘余應力和裝配應力存在，管道焊接施工過程中可能出現熱裂紋、冷裂紋、未熔合及熱處理裂紋等焊接裂紋缺陷。環焊縫焊接裂紋可出現在焊縫或母材中，對管道安全服役構成極大威脅。

國內和國外都發生過管道環焊縫失效案例。統計數據表明[9]，1993-1997年間加拿大油氣管道環焊縫失效占全部管道失效案例的比例為5.5%，1984-2004年間美國天然氣管道環焊縫失效比例為2.1%，這些案例中與焊接裂紋相關的失效比例情況未知。2011年以來，中國石油共發生8起新建管道的環焊縫失效，其中4起與未熔合等焊接裂紋缺陷有關[10]，西二線彭家灣穿越段管道環焊縫未熔合缺陷失效（見圖2）。相關失效案例的經驗分析表明，大多數管道環焊縫失效不僅與焊接缺陷有關，還與較高的管道附加軸向應力有關，引起管道軸向附加應力的因素有管道周邊土體移動、溫度變化等。

圖2 西二線彭家灣穿越段管道環焊縫失效

管道焊接施工和管段竣工驗收階段進行超聲、射線及水壓試驗，可以發現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出。由于余高的影響，環焊縫處的裂紋缺陷檢測仍然是內檢測技術的難點?，F有的管道裂紋內檢測技術如超聲裂紋內檢測及電磁超聲裂紋內檢測技術主要適用于管體及直焊縫的裂紋缺陷檢測，還難以對環焊縫、螺旋焊縫處的裂紋缺陷進行有效檢測。通過漏磁內檢測信號分析可識別部分環焊縫未熔合、未焊透等類裂紋缺陷[10]，但對于細小的焊接裂紋仍無法識別。2015年國際管道研究協會（PRCI）立項開展環焊縫異常的內檢測牽拉試驗研究，以探討常用的漏磁及超聲內檢測技術對于環焊縫類裂紋缺陷檢測識別的適用性[11]?？傮w上，目前國內外尚無有效的管道焊接裂紋缺陷內檢測識別方法和標準。

2.4 其他類型管道裂紋失效

管道HIC是由于氫原子進入金屬內部富集在硫化物夾雜周圍，造成沿材料軋制方向出現臺階狀裂紋。HIC由氫原子引發，常發生在含濕氣H2S環境、含MnS夾雜物的鋼和溫度25℃、pH值小于4的條件下。含H2S等酸性油氣和高強度鋼管容易發生HIC[8]。1994年2月15日，加拿大Foothills公司X70天然氣管道發生開裂，失效分析發現裂紋起始于管道內壁孔隙，HIC是孔隙產生的主要原因。此次HIC失效被認為主要與含硫天然氣有關，隨后加拿大運輸安全局對類似工況的輸氣管道采取了輸送工藝的整改措施。

管道機械損傷通常是機械設備、挖掘機或其他土木工程器械意外接觸管道所致，包括建造時的意外損傷和第三方破壞損傷等。嚴重的管道機械損傷可直接導致管體裂紋，也可能在隨后的管道運行壓力波動下萌生疲勞裂紋。針對第三方破壞的光纖預警技術可及時發現相關的管道機械損傷。

疲勞裂紋容易在管道結構的應力集中部位產生，如環焊縫、彎管、支管、凹陷等位置的局部不連續處，局部不連續包括：（1）焊縫的咬邊、錯邊、未焊滿、余高不足等；（2）機械損傷的溝槽狀劃傷；（3）發生凹陷變形管段的劃傷等局部金屬損失等。

3 結論

本文調研了北美地區及國內長輸管道裂紋失效的典型案例，總結分析了管道裂紋失效的兩大因素：服役環境因素導致和施工因素導致，分別以SCC和焊接裂紋缺陷為主。梳理了加拿大及美國對管道SCC管控的相關經驗和標準法規發展現狀，為下一步國內油氣管道裂紋失效的風險分析和相關決策支持提供參考。

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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

中國石油天然氣集團公司科研項目“油氣管道裂紋風險識別與檢測評價技術前期研究”，項目編號：2016B-3107-0502；中國石油天然氣集團公司科研項目“油氣管道輸送實（試）驗新方法和新技術開發”，項目編號：2015D-5008-39（GF）。

雷錚強，男（1984-），工程師，2013年博士畢業于中國科學院力學研究所力學專業，現主要從事管道檢測與評價技術的研究工作，郵箱：leizhengqiang@yeah.net。