張強1 戴聯(lián)雙2

1.國家管網(wǎng)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院； 2.國家管網(wǎng)集團(tuán)公司

1  事故概述

2015年9月21日，位于美國弗吉尼亞州一家燒烤店員工報警稱聞到了汽油味，經(jīng)消防和救援處現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)氣味來源于附近的雨水排水渠。管道公司采取停泵測試、靜壓分析、現(xiàn)場勘察等措施后，于9月22日凌晨判定輸油管線發(fā)生泄漏，于當(dāng)日19時完成開挖確認(rèn)。泄漏地點位于一處人口較為密集的高后果區(qū)，油品泄漏量約4000加侖，事故造成的經(jīng)濟(jì)損失（含處理費用）約1650萬美元[1]。

事故管道事發(fā)地雙管并行，分別為Line 3管道和Line 4管道（圖 1）。發(fā)生泄漏的為Line 4管道，建于1964年，管徑813 mm、壁厚7.1 mm、運行壓力4.5 MPa～4.8 MPa，埋深1.6 m～1.9 m，防腐層為瀝青，設(shè)強制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)（圖 2）。該管道于1994年和2002年檢測出兩處凹陷，并進(jìn)行了開挖驗證，通過磁粉檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋。由于凹陷沒有達(dá)到需要修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)，管道公司移除了可能造成凹陷的巖石，對防腐層進(jìn)行了修復(fù)。此次泄漏的部位在之前檢測發(fā)現(xiàn)的一處凹陷6點鐘位置。

圖 1 管道泄漏位置及周邊情況分布

圖 2 現(xiàn)場情況

2  原因分析

直接原因是長期運營過程中，受壓力波動和交變荷載的影響以及暴露在地下環(huán)境，管道凹陷處出現(xiàn)了穿透的腐蝕性疲勞裂紋。加之管道SCADA系統(tǒng)在監(jiān)測小泄漏方面的局限性，也延誤了對泄漏早期的識別與確認(rèn)。

采用磁粉對事故管道兩處凹陷外表面進(jìn)行了檢查。相鄰的上游凹陷管段，在凹陷及其周圍未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。事故點凹陷的磁粉檢測顯示，在與主裂紋平行的凹陷內(nèi)有一處短的縱向裂紋。對包含裂紋的凹陷進(jìn)一步評估，管道斷裂面顯示，外徑裂紋長度147 mm，內(nèi)徑長度114 mm，裂紋附近管材厚度在6.7 mm～6.8 mm之間（圖 3、圖 4）。斷裂面呈現(xiàn)出與腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展一致的特征，包括棘齒狀花紋、裂紋止裂痕跡和晶界面。這些特征與管道外部多個裂紋起裂點向內(nèi)裂紋擴(kuò)展是一致的。

圖 3 失效位置從管道內(nèi)外觀察到的凹陷裂紋

圖 4 斷裂位置

可以看到斷裂表面的裂紋由外表面腐蝕坑擴(kuò)展而來。凹陷和斷裂表面都含有腐蝕產(chǎn)物/沉積物，材料的化學(xué)成分結(jié)果與鐵腐蝕產(chǎn)物一致，這些裂紋沒有發(fā)現(xiàn)明顯的分支（圖 5）。用掃描電子顯微鏡檢查斷裂表面，發(fā)現(xiàn)與疲勞裂紋擴(kuò)展相一致的條紋。斷裂表面呈現(xiàn)出多種斷裂特征（分面形貌和條紋），與腐蝕坑產(chǎn)生的腐蝕疲勞裂紋一致。

圖 5 斷口顯示由腐蝕坑（圓圈）產(chǎn)生的直裂紋

泄漏位置的凹陷很可能是由巖石撞擊管道底部形成，其深度約為管道外徑的1.6%（小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的6%的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，管道公司未進(jìn)行響應(yīng)）。通過激光掃描和有限元建模分析，凹陷形成后的峰值應(yīng)力值超過了管道屈服強度，凹陷內(nèi)的殘余拉伸應(yīng)力較高。使得管道更容易受到應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等外部引發(fā)的開裂影響。此外，凹陷區(qū)域的幾何形狀變化產(chǎn)生的應(yīng)力集中，足以在管道壓力波動引起的循環(huán)加載條件下產(chǎn)生疲勞裂紋（圖 6）。

圖 6 凹陷評估

管道公司同時還發(fā)現(xiàn)了其他管道上的類似缺陷，這些凹陷的深度都小于管道外徑的2%，且遠(yuǎn)離焊縫或環(huán)焊縫。其失效數(shù)據(jù)表明，6%的凹陷修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)存在不確定性。由于應(yīng)力集中、局部塑性和局部表面腐蝕效應(yīng)，除考慮凹陷深度外還應(yīng)考慮凹陷曲率。巖石撞擊造成的管道凹陷（有約束條件）與巖石后來被移除（無約束條件）后具有不同的應(yīng)力大小和分布，由于較高的局部環(huán)向應(yīng)力，無約束凹陷的失效速度更快。根據(jù)對泄漏位置凹陷的有限元分析，最大應(yīng)力值沒有出現(xiàn)在凹陷最大深度處，而是在曲率半徑較小（由于凹陷的非光滑性質(zhì)）的凹陷內(nèi)和靠近凹陷邊緣的區(qū)域。管道公司開展了凹陷管段的疲勞試驗研究（包括有限元應(yīng)力分析），注意到了類似結(jié)果[2-3]。

3  預(yù)防措施

事故調(diào)查報告建議，管道公司在制定風(fēng)險管理策略時除了符合當(dāng)前完整性管理的要求外，管道完整性管理方案應(yīng)將凹陷和異常的所有影響納入其中，即使這些凹陷和異常低于修復(fù)的閾值。建議研究修改管道凹陷響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，以考慮凹陷可能引起管道失效的所有因素。由于判定現(xiàn)有凹陷是否以及何時泄漏因素較多，事故調(diào)查認(rèn)為，更謹(jǐn)慎的方法是對所有開挖出來的凹陷進(jìn)行響應(yīng)；在未響應(yīng)的凹陷處安裝就地泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，持續(xù)監(jiān)測可燃物，并及時采取減緩措施。

針對以上建議，管道公司制定了一套新的異常情況操作程序，以改進(jìn)工藝，并對管道保護(hù)工、高級操作工和項目管理人員等超過47名員工進(jìn)行了培訓(xùn)。分析了之前17次管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，重點是凹陷中的裂紋，特別是將超聲波裂紋管道內(nèi)檢測（ILI）數(shù)據(jù)與漏磁管道內(nèi)檢測（ILI）數(shù)據(jù)相結(jié)合。提出了一種基于風(fēng)險的方法，根據(jù)凹陷大小和管道特性對凹陷響應(yīng)進(jìn)行排序，重點是巖石在管道底部造成的凹陷。在事故管線開挖清單中增加了40處額外的淺凹陷，在已開挖的30處中未發(fā)現(xiàn)任何裂紋，采用B型套筒修復(fù)了29處，1處因無凹陷或裂紋跡象在修復(fù)防腐層后進(jìn)行了回填。修訂了凹陷修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，重新定義了可操作異常情況的構(gòu)成，并發(fā)布資產(chǎn)完整性程序，提出了控制中心人員應(yīng)設(shè)定額外維修時間和管道可用性時間表的要求，將這些變更納入修訂后的《管道維護(hù)手冊》。

4  事故啟示

安裝泄漏監(jiān)測設(shè)備。管道公司稱其管道系統(tǒng)曾發(fā)生了另外4次泄漏，而SCADA系統(tǒng)卻未檢測到。其中1次泄漏發(fā)生在該事故前約5個月，而另外3次泄漏發(fā)生在該事故后不到6個月，這些泄漏是由土地戶主、巡線員發(fā)現(xiàn)的。2016年4月2日報告了一起類似的液體管道小泄漏，SCADA系統(tǒng)同樣未監(jiān)測到。及時可靠監(jiān)測大型危險液體管道中的小泄漏，一直是管道運營商和監(jiān)管機構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)。管道公司稱，Line 4管線的平均流量約為1560萬加侖/日或大約10800加侖/分鐘。考慮到2%的檢測極限，SCADA系統(tǒng)可以檢測到的最小泄漏約為216加侖/分鐘。假設(shè)回收的液體體積增加一倍，達(dá)到8000加侖（考慮到不可回收的產(chǎn)品），以及2周的泄漏持續(xù)時間（基于目擊者說他們第一次聞到汽油味的時間），估計泄漏率為571加侖/日或者0.4加侖/分鐘。根據(jù)假設(shè)，估計的泄漏率僅占平均流量的0.004%，這比SCADA泄漏檢測性能極限低了大約550倍。對此，管道企業(yè)應(yīng)在管道特定位置安裝泄漏監(jiān)測設(shè)備，在管道的穿壁裂紋或腐蝕損壞已經(jīng)開始泄漏時提供早期預(yù)警，立即采取糾正措施，在造成嚴(yán)重泄漏后果前修復(fù)受損的管道。

高度關(guān)注復(fù)合凹陷。管道凹陷在內(nèi)壓和外部交變荷載的作用下，凹陷位置會產(chǎn)生疲勞裂紋并且擴(kuò)展失效。無約束凹陷在管道內(nèi)壓作用下會產(chǎn)生回彈，需考慮壓力循環(huán)導(dǎo)致的疲勞影響，如凹陷深度、壓力循環(huán)幅度、局部應(yīng)變、凹陷寬深比、凹陷深度與壁厚比、管材屈服強度等。管道凹陷失效與否與其應(yīng)變大小密切相關(guān)，具有較高應(yīng)變的凹陷產(chǎn)生裂紋的可能性較大，如果在凹陷的高應(yīng)變點處存在缺陷，即使凹陷深度較小，那么缺陷極有可能發(fā)展為裂紋。管道企業(yè)應(yīng)高度關(guān)注與焊縫、劃傷、裂紋及腐蝕相關(guān)的復(fù)合凹陷，其對管道承載能力的影響更大，更易引發(fā)管道事故[4-6]；開展多方面研究工作促進(jìn)凹陷評價的準(zhǔn)確性，合理經(jīng)濟(jì)的確定修復(fù)方案，如通過改進(jìn)內(nèi)檢測技術(shù)和現(xiàn)場檢測技術(shù)準(zhǔn)確確定凹陷的相關(guān)信息；改進(jìn)應(yīng)變測試方法，開展有限元分析方法，加強凹陷腐蝕機理研究，進(jìn)行全尺寸爆破試驗數(shù)據(jù)驗證等。

參考文獻(xiàn)：

[1]NTSB:Pipeline Accident Brief:Colonial Pipeline Company Petroleum Product Leak Centreville, Virginia,2017.

[2]B.Bolton, V.Semiga, S.Tiku,et al.Full scale cyclic fatigue testing of dented pipelines and development of a validated dented pipe finite element model.IPC 2010-31579.

[3]田野，朱麗霞，丁融，等.含復(fù)合凹陷油氣管道的安全評估現(xiàn)狀[J].油氣田地面工程，2019，38(03)：56-59+64.

[4]田驍.凹陷管道安全評估與承載能力研究進(jìn)展[C].中國力學(xué)大會論文集（第二冊），2021.

[5]孔朝金，胥琴，竇志信，等.長輸管道復(fù)合凹陷評價方法及應(yīng)用探討[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2022，38(01)：32-35.

[6]姜曉紅，洪險峰，鄭景娜，等.油氣管道凹陷的評價與管理[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2014，11(14)：118-121+6.

作者簡介：張強，1986年生，高級工程師，注冊安全工程師、二級安全評價師、管道檢驗員，主要從事管道風(fēng)險評價和完整性相關(guān)的研究與應(yīng)用工作。先后參與制修訂行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5項，獲得國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)科技進(jìn)步獎、中國職業(yè)安全健康協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎、河北省石油學(xué)會科技進(jìn)步獎等獎項。聯(lián)系方式：0316-2072640，zhangqiang14@pipechina.com.cn。