欄目主持人戴聯(lián)雙博士： 上一期我們介紹了事故的發(fā)生經(jīng)過和原因，這一期將詳細(xì)介紹管材失效分析過程。管材失效分析既追溯了歷史質(zhì)量控制缺陷，也客觀分析了歷史檢測技術(shù)的局限性，層層剖析了事故發(fā)生的本質(zhì)原因。一是制造工藝缺陷，沒有采用常用的擴(kuò)徑工藝；二是違反標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范采用了不合規(guī)的短接；三是未焊透焊縫伴有錯邊的復(fù)合缺陷嚴(yán)重降低了焊縫的承壓能力；四是電氣工程師誤操作導(dǎo)致意外的壓力波動，誘發(fā)了失效的發(fā)生；五是歷史遺留問題，管道不具備內(nèi)檢測條件，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道焊縫缺陷。這也是國內(nèi)失效調(diào)查最值得借鑒的方面。

一起因焊接質(zhì)量引發(fā)的天然氣管道破裂爆炸事故（續(xù)）

戴聯(lián)雙

中國石油管道公司管道完整性管理中心

發(fā)生于2010年9月9日的太平洋燃?xì)怆娏�公司（PE&G）管道破裂事故，經(jīng)調(diào)查6根短管中的4根不符合企業(yè)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，包括PG&E企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和美國石油學(xué)會（API）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如圖 1所示的1、2、 3和5號短管的最小屈服強(qiáng)度（SMYS）低于X42和X52，其中2號短管最低， SMYS只有220 MPa（相當(dāng)于X32）。 1、 2和3號短管的縱向焊縫都存在沿壁厚方向未完全焊透的區(qū)域；縱向焊縫外表面的余高都被打磨平了，在某些縱向焊縫的某些部位附近母材的外表面也有打磨造成的金屬損失。焊縫外表面余高被打磨掉，再加上未完全焊透區(qū)域，這些都顯著降低了1、 2和3號短管縱向焊縫的有效橫截面積，導(dǎo)致這些區(qū)域成為應(yīng)力集中的部位。未焊透部分沿縱向焊縫形成了一個(gè)缺口，缺口形狀使得焊縫根部應(yīng)力集中更加嚴(yán)重。沿1號和3號短管的錯邊還增加了額外的彎曲應(yīng)力和應(yīng)變。

圖 1  破裂管段短管示意圖

美國國家運(yùn)輸安全委員會（NTSB）在失效分析過程中建立了有限元分析模型和破裂壓力計(jì)算公式，結(jié)果都說明了1、 2和3號短管縱向焊縫的缺口效應(yīng)。通過有限元分析模型得到的結(jié)果表明，對于標(biāo)準(zhǔn)的雙面埋弧焊（DSAW）鋼管，內(nèi)壓為2.76 MPa，其焊縫附近的應(yīng)力遠(yuǎn)低于鋼管的屈服強(qiáng)度。但是，通過有限元分析模型建立類似1號短管缺口的管道模型，當(dāng)管內(nèi)壓2.58 MPa時(shí)，其橫截面上大約有50%的壁厚區(qū)域超過屈服應(yīng)力。通過爆破壓力計(jì)算的結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)的最小屈服強(qiáng)度為290 MPa（等同于X42）的管道，其預(yù)估的爆破壓力為8.96 MPa。相比之下， 1、 2和3號短管的預(yù)估爆破壓力分別為3.55、 3.96和2.96 MPa。綜上所述， 1、 2和3號短管的縱向焊縫中的缺陷降低了其約66%的承壓強(qiáng)度。需要說明的是，爆破壓力的計(jì)算方法沒有考慮1號和3號短管縱向焊縫錯邊的影響。為了更好的分析1號和3號短管的爆破壓力，建立了基于幾何學(xué)的有限元模型，計(jì)算結(jié)果表明1號短管應(yīng)力和變形要高于3號，因此1號短管的爆破壓力可能會低于3號短管。

基于這些結(jié)果， NTSB認(rèn)為焊縫缺陷的尺寸和形狀大大降低了1號短管縱向焊縫的強(qiáng)度，使得其在內(nèi)壓作用下易產(chǎn)生失穩(wěn)的裂紋擴(kuò)展。

1 裂紋源和失效

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)顯示，破裂始于1號短管縱向焊縫中間位置。在縱向焊縫焊接接頭處首先形成韌性斷裂的裂紋，裂紋因疲勞作用逐漸擴(kuò)展。在1號短管的焊縫根部形成了一道處于亞臨界狀態(tài)的裂紋，進(jìn)一步削弱了其縱向焊縫的承壓能力。當(dāng)事故地點(diǎn)的管道內(nèi)壓達(dá)到2.66 MPa時(shí)，該縱向裂紋開始沿其初始位置分別向上下游擴(kuò)展，直到管道發(fā)生破裂。發(fā)生破裂后，燃?xì)鈴墓荏w中噴出，其橫向力將管道推向西側(cè)，導(dǎo)致對管道東側(cè)產(chǎn)生巨大的縱向拉伸應(yīng)力，噴射出的燃?xì)馔崎_了埋設(shè)管道的土層，形成了一個(gè)大坑。環(huán)焊縫C5（連接4號和5號短管的焊縫）是該管道東側(cè)最薄弱的位置，該環(huán)焊縫包含未融合和未焊透缺陷，其大小和尺寸使得焊縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中。此外，在材料化學(xué)成分分析中還發(fā)現(xiàn)， 4號短管含磷和銅，這是眾所周知的導(dǎo)致焊接脆性的元素。

NTSB的調(diào)查無法確定先前存在的裂紋是何時(shí)和如何沿1號短管縱向焊縫開始擴(kuò)展的。這是因?yàn)槭鹿拾l(fā)生時(shí)確認(rèn)的最高壓力為2.66 MPa，但是在2003年和2008年米爾皮塔斯首站壓力曾經(jīng)增大到2.76 MPa，而當(dāng)時(shí)下游事故位置附近壓力只增加到2.64和2.63MPa。另一次有關(guān)米爾皮塔斯首站壓力增至2.76 MPa的記錄是在1968年10月16日，但是當(dāng)天的下游壓力數(shù)據(jù)無效。通過上述分析， NTSB得出結(jié)論， 132線事故管段的斷裂，始于1號短管的未完全焊透的縱向焊縫，在內(nèi)壓循環(huán)變化的情況下，由于疲勞裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致開裂失效。

2 事故管段制造缺陷

由于缺少事故管段更新改造和開挖修復(fù)的資料信息，不能確定事故管段中使用短管的原因，可能是管道初始設(shè)計(jì)方案就存在的，也可能是現(xiàn)場的私自變更。調(diào)查人員試圖在調(diào)查過程中確定這些短管是否為其初始制造加工的長度。通過分析發(fā)現(xiàn)，這些短管中的硫化錳夾雜被橫向拉長，表明該鋼材的軋制方向是橫向的，也就是說，管材制造加工的軋制方向?yàn)檩S向。通過對20世紀(jì)40年代的煉鋼方法的研究表明，當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的軋鋼機(jī)只能生產(chǎn)3.35 m寬的鋼板。橫向軋制的管材不能夠滿足PG&E或其他已知管材規(guī)格的最小長度要求，因此這類短管不能應(yīng)用于此。

此外，這些短管的組合裝配，不符合PG&E或API的連接2個(gè)或多個(gè)短管通過焊接連接的要求。PG&E和API的規(guī)范要求每個(gè)短管的長度至少為1.5 m。但是，1、2、3、4和5號短管的長度全部小于1.2 m。同時(shí)，根據(jù)API規(guī)范的要求，焊接管道的兩端需要依照要求進(jìn)行坡口處理，這意味著各焊接管的兩端需要加工出一個(gè)外斜面，但是事故管道的焊口上沒有觀察到外斜面。

調(diào)查還明確，根據(jù)不同的焊接結(jié)構(gòu)、焊透深度、硬度和熱影響區(qū)形狀， 1到5號短管并不是按照西部聯(lián)合鋼鐵公司（CW）的DSAW的要求加工的。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)1、 2和3號短管的焊接是在較低的功耗和較慢的沉積速率下進(jìn)行的，不符合CW的程序要求，最終導(dǎo)致較低的熱輸入率，但是熱輸入總量卻較高，易形成較粗大的晶向組織。 4號短管縱焊縫和4、 5號短管間焊縫采用了手工電弧焊，其焊接的工藝規(guī)程不符合CW的DSAW程序要求。

調(diào)查還發(fā)現(xiàn)不符合CW程序要求的其他情況，如1、 2、 3和5號短管可能沒有經(jīng)過CW的冷擴(kuò)徑處理。對于管徑為762 mm的成品管道，其未擴(kuò)徑前的管徑約為752 mm。如果這些短管制造時(shí)為752 mm， 1、 2和3號短管由于其未完全焊透的焊縫就不可能經(jīng)受住液壓膨脹處理，則當(dāng)時(shí)就會破裂。因此， 1、 2、 3和5號短管直接制造直徑可能為762 mm。

同樣的，這些短管不可能承受90%SMYS的水壓測試，該測試也是CW的質(zhì)量控制程序的一部分。水壓測試壓力為8.01 MPa， 1、 2和3號短管的理論爆破壓力在水壓測試壓力之下。

總之，事故管道6根短管中的至少4根的軋制方法不符合干線管道的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，至少5根沒有按CW的DSAW要求制造，這些短管的組裝沒有滿足制造連接的要求。因此， NTSB得出結(jié)論，事故管道包含的短管不符合PG&E或其他已知的管道規(guī)范，且使用不確定的設(shè)備組裝，完全不符合規(guī)范要求。

3 1956年更新改造工程的質(zhì)量控制問題

鑒于已確定的焊接和管體缺陷， NTSB調(diào)查人員試圖了解，這些不合格管件是如何在管道建設(shè)初期被安裝并在服役期間一直沒有發(fā)現(xiàn)其存在的缺陷，直到54年后導(dǎo)致事故的發(fā)生。調(diào)查顯示， 1956年更新改造工程沒有X射線的檢測記錄（與之相比， 1948年132線初始建設(shè)階段PG&E要求對其10%的焊縫進(jìn)行X射線檢測），也沒有水壓試驗(yàn)的相關(guān)記錄，如果當(dāng)時(shí)進(jìn)行了X射線檢測或者水壓試驗(yàn)則有可能在管道安裝初期發(fā)現(xiàn)這些存在缺陷的短管。 3號短管預(yù)估爆破壓力（根據(jù)NTSB的爆破壓力計(jì)算其縱向焊縫為最薄弱點(diǎn)）為2.96～3.85 MPa。在管道建設(shè)初期，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定二級地區(qū)的水壓試驗(yàn)壓力為最大允許運(yùn)行壓力（MAOP）的1.25倍（1956年事故地點(diǎn)為二級地區(qū)），也就是說MAOP 2.76 MPa對應(yīng)的水壓試驗(yàn)壓力為3.45 MPa。但是，當(dāng)時(shí)這些標(biāo)準(zhǔn)是推薦性而非強(qiáng)制執(zhí)行的， PG&E沒有按這些標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，從而錯過了一個(gè)在試運(yùn)行階段就發(fā)現(xiàn)缺陷的機(jī)會。

此外，即使通過目視檢查都可以發(fā)現(xiàn)這些嚴(yán)重的焊縫異常。在每個(gè)短管的縱向焊縫存在的手工電弧焊的未焊透缺陷完全可以通過肉眼或觸摸發(fā)現(xiàn)。如果1956年更新改造工程將PG&E員工目視檢查管道內(nèi)部（PG&E在1948年建設(shè)項(xiàng)目規(guī)范的一項(xiàng)要求）作為一項(xiàng)質(zhì)量控制要求，那么不合格的焊縫缺陷也很容易就被探測到。因此，目視檢查沒有被執(zhí)行甚至是被錯誤執(zhí)行乃至忽視。

在調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)存在壁厚為7.9 mm的管道（破裂位置北部連接的管道），這也說明質(zhì)量控制不足。所有事故區(qū)域的管道的材料采購訂單記錄的管材屬性為壁厚9.5 mm的無縫鋼管。沒有任何記錄顯示7.9 mm壁厚的管道被發(fā)往現(xiàn)場。總之， 1956年更新改造工程質(zhì)量控制的不足，使得有缺陷的管道被安裝。 NTSB得出結(jié)論，如果事故管道滿足1956年普遍接受的行業(yè)質(zhì)量控制和焊接標(biāo)準(zhǔn)的話，就不會發(fā)生這次事故，這表明這些標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)時(shí)都被忽視了。

4 PG&E完整性管理情況評估

NTSB調(diào)查員檢查PG&E的GIS系統(tǒng)相關(guān)記錄后發(fā)現(xiàn)，在很多情況下， PG&E為重要的管道參數(shù)使用了假定值，其中還包括許多有明顯錯誤的重要的管道參數(shù)記錄，包括（但不限于）焊縫類型、 SMYS和埋深等。事實(shí)上，許多管段的記錄缺失，或是假定值、錯誤數(shù)據(jù)，已經(jīng)在之前的作為完整性管理程序的一部分的ECDA開挖中暴露出來。 132線的13個(gè)管段中， 2個(gè)管道壁厚為假定值， 4個(gè)埋深未知。所有這些ECDA的開挖記錄要早于這些包含缺失、假定或錯誤值在GIS系統(tǒng)中記錄的時(shí)間。

作為ECDA程序的一部分， PG&E要求收集的數(shù)據(jù)可以用來驗(yàn)證假設(shè)值并確定GIS中的未知值。

ECDA程序的開挖和驗(yàn)證部分沒有要求用所收集的數(shù)據(jù)更新管道記錄。在NTSB的調(diào)查聽證會上， PG&E官員證實(shí)，如果現(xiàn)場工作人員發(fā)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)和實(shí)際情況存在差異，則要求現(xiàn)場工程師將這些情況匯報(bào)測繪部門，測繪部門要驗(yàn)證信息。但是，提供給NTSB的文件顯示PG&E沒有應(yīng)用ECDA程序驗(yàn)證假設(shè)值、確定未知值或糾正錯誤值。

PG&E的GIS系統(tǒng)中還存在其他錯誤，包括沒有6根短管焊接在一起的記錄，也沒有準(zhǔn)確的識別1988年10月27日132線縱向焊縫泄漏的原因。這次事故前，GIS系統(tǒng)只鑒定了在里程30.5 km處發(fā)生的一次泄漏，但并沒有提到任何細(xì)節(jié)。當(dāng)被問及泄漏數(shù)據(jù)， PG&E表示， 20世紀(jì)90年代末 PG&E開始建設(shè)GIS系統(tǒng)時(shí)，只上傳了公開的（即未解決的）泄漏信息，對于未公開的泄漏信息——如1988年10月27日的泄漏事件（已經(jīng)被修復(fù)了）沒有錄入到GIS系統(tǒng)。這種情況表明，在20世紀(jì)90年代前發(fā)生的其他泄漏可能都沒有錄入GIS系統(tǒng)，盡管PG&E表示其管線屬性詳細(xì)清單包含泄漏歷史，但是在管段風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中沒有考慮這些泄漏事故的影響。

NTSB注意到， PG&E 132線的GIS系統(tǒng)仍然存在很大比例的假定、未知或錯誤信息。如前所述，許多情況下，通過ECDA開挖能夠很容易的獲取準(zhǔn)確的信息，但事實(shí)卻是信息并沒有錄入GIS系統(tǒng)。 GIS系統(tǒng)缺乏完整和準(zhǔn)確的管道信息，使得PG&E的完整性管理程序不能有效的運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 管道內(nèi)檢測技術(shù)

管道內(nèi)檢測是識別并在發(fā)生嚴(yán)重故障之前消除管體缺陷最有效的一種技術(shù)手段，也是油氣輸送管道實(shí)施完整性管理計(jì)劃成功的關(guān)鍵所在。 NTSB認(rèn)為，使用專業(yè)的內(nèi)檢測工具來識別和評估由腐蝕、凹陷、鑿傷和環(huán)向及縱向裂紋對管體造成的損害是一種特別有前途的選擇。與其他評價(jià)技術(shù)不同，內(nèi)檢測技術(shù)對整個(gè)管段定期進(jìn)行不間斷的檢測，可以提供關(guān)于缺陷增長的有效信息。雖然內(nèi)檢測技術(shù)有其局限性（一般情況下對于特定類型的缺陷檢出率約為90%），但可以通過多次運(yùn)行的數(shù)據(jù)對比分析增加裂紋檢出率。

由于彎頭曲率半徑較小和旋塞閥等因素限制，許多如132線這樣的老管線無法適應(yīng)現(xiàn)代的內(nèi)檢測工具，除非對管線做出改造。根據(jù)NTSB調(diào)查聽證會上提供的證詞，對老管線實(shí)施管道內(nèi)檢測技術(shù)只考慮了內(nèi)檢測器是否能夠通過管道，而沒有涉及傳感器方面可能面臨的技術(shù)問題。輸氣管道運(yùn)營商也宣稱，由于天然氣（可壓縮流體）和有害液體（不可壓縮流體）的流動狀態(tài)不同，使得在燃?xì)廨斔凸艿乐袘?yīng)用內(nèi)檢測工具也會存在更多的技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是運(yùn)行壓力有時(shí)不足以推動檢測器在管道中運(yùn)行。

NTSB得出結(jié)論，由于內(nèi)檢測技術(shù)不適合現(xiàn)行的所有燃?xì)廨斔凸芫�，運(yùn)營商不能應(yīng)用這種有效評估工具確定和評估威脅管道的關(guān)鍵缺陷。 NTSB認(rèn)識到，由于很多管道建設(shè)時(shí)間很早，當(dāng)時(shí)沒有考慮管道內(nèi)檢測，設(shè)計(jì)和施工相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也未考慮管道的通過能力，都不適合采用內(nèi)檢測。因此， NTSB建議美國管道和危險(xiǎn)材料安全管理局（PHMSA）要求所有的天然氣輸送管線的設(shè)計(jì)需保障內(nèi)檢測工具能夠順利通過，優(yōu)先考慮老管線的更新改造。

同時(shí)， NTSB還建議美國燃?xì)鈪f(xié)會（AGA）和美國天然氣協(xié)會（INGAA）制定開發(fā)和引進(jìn)先進(jìn)內(nèi)檢測技術(shù)的計(jì)劃，著手為燃?xì)廨斔凸芫�開發(fā)更先進(jìn)的內(nèi)檢測技術(shù)和設(shè)備平臺。

下一期將為大家介紹 “1992年墨西哥瓜達(dá)拉哈地下管道爆炸事故”及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，敬請關(guān)注。

作者：戴聯(lián)雙，博士， 1983年生，湖南懷化人，現(xiàn)就職于中國石油管道公司管道完整性管理中心，注冊安全工程師、二級安全評價(jià)師、安防系統(tǒng)集成師、管道檢驗(yàn)員。負(fù)責(zé)編寫了《油氣管道安全防護(hù)規(guī)范》（Q/SY1490―2012），參與起草公安部標(biāo)準(zhǔn)《石油天然氣管道系統(tǒng)治安風(fēng)險(xiǎn)等級和安全防范要求》（GA 1166―2014）、國家標(biāo)準(zhǔn) 《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》（GB 32167―2015）等多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。在國內(nèi)外期刊先后發(fā)表論文10余篇，參與編著了《管道完整性管理技術(shù)》《油氣管道事故啟示錄》等書籍。近年來多次獲得中石油集團(tuán)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎、河北省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎、管道科學(xué)獎等。