主講人戴聯(lián)雙博士：這是一起發(fā)生在高后果區(qū)的事故，導(dǎo)致8人死亡、多棟建筑物損毀。該事故的發(fā)生有主觀因素：一是施工承包商對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的忽視，安裝了不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的短接；二是短接焊接質(zhì)量較差，暴露出施工現(xiàn)場的質(zhì)量管控不到位；三是政府主管部門在法規(guī)中免除了對現(xiàn)有管道系統(tǒng)的壓力測試；四是電氣工程師的誤操作導(dǎo)致了意外的壓力升高。同時也存在一些技術(shù)局限性，如安裝的手動閥不能進(jìn)行遠(yuǎn)程操作致花費(fèi)了95分鐘關(guān)閉閥門，擴(kuò)大了事故嚴(yán)重程度。

當(dāng)前我國輸氣管道管徑越來越大、輸送壓力更高、鋼材等級更高，潛在影響半徑大，尤其是高后果區(qū)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于美國管道。透過這起事故，警示我們焊接缺陷的檢測和評價(jià)將是我國未來5～10年需要攻克的核心技術(shù)。

一起因焊接質(zhì)量引發(fā)的天然氣管道破裂爆炸事故

1  事故概述

2010年9月9日下午6:11，由PG&E（太平洋燃?xì)怆娏�公司）運(yùn)營管理的 132天然氣管線39.28 km處發(fā)生破裂，隨后爆炸。事故發(fā)生在美國加利福尼亞州圣布魯諾的一處居民區(qū)，位于伯爵大街和格倫維尤快車道的交叉路口。爆炸形成一個長22 m，寬7.9 m的大坑。一段長8.5 m，重1.36 t的破裂管道在爆炸中被彈射至坑南30 m。PG&E公司預(yù)估泄漏的天然氣達(dá)1.35×106 m3。泄漏的天然氣遇明火發(fā)生爆炸，隨后引發(fā)重大火災(zāi)，導(dǎo)致38所房屋被毀壞，70所房屋受到嚴(yán)重?fù)p傷，8人死亡，多人受傷，大批居民逃離該區(qū)域（圖 1～6）。

根據(jù)PG&E的記錄，破裂管段建于1956年，管徑762 mm，壁厚9.525 mm，（API）5L X42無縫鋼管（后續(xù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)這個記錄是錯誤的）。132管線最大許用操作壓力（MAOP）為2.758 MPa。PG&E規(guī)定的最大運(yùn)行壓力為2.586 MPa。

圖 1 爆炸形成的坑和斷裂管道

圖 2  爆炸破裂管段

圖 3爆炸事故現(xiàn)場航拍

2  事故受損情況

132管線破裂爆炸火災(zāi)影響區(qū)域以管道爆炸點(diǎn)為中心半徑約183 m，主要向東北方向蔓延�；馂�(zāi)波及108座房屋，其中30座被摧毀，17座嚴(yán)重?fù)p壞，53座輕微損壞。此外，74輛汽車、一個公園林地和一個游樂場被損壞或燒毀。根據(jù)PG&E報(bào)告，管道修理費(fèi)用1 350萬美元，泄漏天然氣價(jià)值26.3萬美元。

圖 4  爆炸和火災(zāi)損毀區(qū)域

圖 5  被燒毀的房屋

圖 6 被燒毀的汽車

3  事故管道的檢測

破裂管道和其南北各截取的管道均送至NTSB材料實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)。南部截取段為直縫鋼管的一部分，中間段（即破裂爆炸段）由4根短管和與南部截取段相連接的直縫鋼管的一部分焊接而成，北部段由2根短管和另一端的直縫鋼管的一部分組成。為方便識別，6根短管由南至北依次編號1–-6，連接短管的環(huán)焊縫由南至北依次編號C1–C7（圖 7）。

圖7  破裂管段4根短管和南北直縫管示意圖

1–5號短管長度1.092～1.187 m， 6號管1.378 m。所有6根短管、南部直管的公稱壁厚都為9.525 mm。但是，北部直管的公稱壁厚只有7.925 mm。而據(jù)1956年改線工程相關(guān)資料記載的管道型號，所有管道公稱壁厚均應(yīng)為9.525mm、直徑均為762mm。從管體外表面未發(fā)現(xiàn)任何可視的腐蝕區(qū)域。

1–3號短管段的縱向直焊縫均采用熔焊方法加工，直焊縫外部由沉積的熔敷焊接金屬連接，但是內(nèi)部由于存在未焊透區(qū)域，1號短管的焊縫余高被打磨平了。

未焊透區(qū)域貫穿整個直焊縫內(nèi)部。經(jīng)過表面磨削加工，1、2、3號短管直焊縫未焊透區(qū)域深度分別為4.115 mm、4.953 mm和4.110 mm。目測（內(nèi)部）也能檢測到這樣的焊縫缺陷。1號短管直焊縫內(nèi)表面存在錯邊，其角度差為15度，2號短管角度差為0，3號為7～10度（圖 8）。

南北兩端的直縫管和6號短管為標(biāo)準(zhǔn)的雙面埋弧焊接直縫鋼管，管壁內(nèi)外表面均為埋弧焊接。內(nèi)外焊層疊加，焊縫外部表面凸起較為平滑。這樣的管道不存在焊縫或表面缺陷。

圖8 存在錯邊的1號短管

圖9  標(biāo)準(zhǔn)的雙面埋弧焊接直縫鋼管6號短管

4 、5號短管的縱向焊縫外部均采用熔焊處理，內(nèi)部采用手工電弧焊。焊縫外表面經(jīng)過了打磨處理。4號短管接近焊透，5號短管外部熔深1.85 mm，內(nèi)部熔深1.83 mm。經(jīng)X光檢測，4號短管直焊縫存在表面未焊透、氣孔、咬邊缺陷，5號短管整個直焊縫區(qū)均存在未焊透缺陷。

所有環(huán)焊縫內(nèi)外表面均采用手工電弧焊焊接，除了C1和C6，其他環(huán)焊縫至少包含一處未熔合、夾雜和氣孔缺陷。所有環(huán)焊縫均包含未焊透缺陷，且C2和C3存在咬邊缺陷。所有環(huán)焊縫外表面均未進(jìn)行打磨處理。部分短管還存在斜接。

管體破裂起源于中間段1號短管的直焊縫，C1環(huán)焊縫以北0.516～0.577 m處存在的未焊透裂紋的位置。光學(xué)和電子顯微鏡的檢測結(jié)果表明，管體發(fā)生破裂前，裂紋在其初始位置通過兩種模式擴(kuò)展。裂紋首先在焊縫根部發(fā)生韌性斷裂，其擴(kuò)展導(dǎo)致焊接連接區(qū)域逐漸減小，管體破裂初始位置裂紋達(dá)6.096 cm，并占據(jù)整個區(qū)域的33%（一階段）；裂紋隨后以疲勞斷裂模式增長，使得連接區(qū)域進(jìn)一步減小約10%（二階段）；最終發(fā)生準(zhǔn)解理斷裂導(dǎo)致管體破裂（三階段）（圖 10）。只在1號短管的焊縫根部發(fā)現(xiàn)小范圍的疲勞裂紋，其他短管的直焊縫根部均表現(xiàn)為韌性斷裂，且其邊緣沒有疲勞跡象。

圖10  裂紋擴(kuò)展的三個階段

制管鋼材的軋制方向取決于對鋼材熱軋方向和在熱軋過程中變形的硫化錳夾雜物變形方向的評估。在南北兩邊端管和6號短管表面可以觀察到沿縱向的細(xì)長的夾雜物纖維軋制痕跡，這與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管材制造方向一致。在1、2、3、5號短管表面觀察到的軋制方向卻為橫向，與標(biāo)準(zhǔn)不一致。4號短管的方向不確定。

4號短管的化學(xué)成分與其它管段有極大區(qū)別，其磷，銅，錫的含量很高，與回收廢料冶煉的金屬一致。1、2、3和5號短管是PG&E從CW（西部聯(lián)合鋼鐵公司）購買的，它們既不符合X52材料性能規(guī)范的最低屈服強(qiáng)度要求，也不符合X42的要求（在PG&E公司的GIS系統(tǒng)上被錯誤登記為X42）。4號和6號短管的屈服強(qiáng)度符合X42的最低屈服強(qiáng)度要求，但不符合X52的要求。南北兩邊的管道符合管材屈服強(qiáng)度要求。

4  事故調(diào)查結(jié)果

（1）事故調(diào)查排除了地震活動、腐蝕、第三方破壞、玩忽職守等因素。

（2）由多根短管組成的事故管道不符合PG&E公司的規(guī)范或其他已知規(guī)范；事故管段也不符合公認(rèn)的工業(yè)質(zhì)量控制和1956年的焊接標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在1956年的改線工程中，PG&E質(zhì)量控制措施不到位導(dǎo)致安裝了存在缺陷的管道并且運(yùn)營期間沒有發(fā)現(xiàn)其問題， 導(dǎo)致半個世紀(jì)過去后發(fā)生了重大事故。

（4）132管線斷裂源于縱向焊縫存在的未焊透缺陷，這是塑性裂紋和疲勞裂紋逐步擴(kuò)展導(dǎo)致管道承壓能力下降引起的管道破裂。

（5）由于事故管道存在焊接缺陷，在內(nèi)壓的作用下逐步使裂紋擴(kuò)展；在失效發(fā)生前，132號管線的運(yùn)行壓力沒有超過PG&E規(guī)定的最大運(yùn)營壓力。

（6）PG&E缺乏詳細(xì)全面的規(guī)程應(yīng)對大規(guī)模的緊急事件（如管體的破裂），沒有明確應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)，也沒有給SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）工作人員和其他相關(guān)人員分配具體職責(zé)。

（7）PG&E的SCADA系統(tǒng)的局限性，延遲了管體斷裂事故確認(rèn)和快速定位，用了95分鐘才關(guān)斷了管道斷裂位置兩端的截?cái)嚅y，導(dǎo)致大量的天然氣泄漏燃燒。如果全線使用自動關(guān)斷閥或遠(yuǎn)程控制閥，或?qū)⒋蟠鬁p少天然氣泄放量，降低燃燒程度。

（8）1970年美國運(yùn)輸局（DOT）規(guī)定所有管道要進(jìn)行水壓試驗(yàn)，同時提出 “1970年施工的管道可以免除進(jìn)行水壓試驗(yàn)”條款，這個條款沒有任何安全依據(jù)。如果132管線當(dāng)時進(jìn)行了1.25倍MAOP（最大容許操作壓力）壓力測試，那么很可能暴露出這次重大事故的管體缺陷。

（9）PG&E沒有制定有效的完整性管理計(jì)劃，未基于管道面臨的威脅選擇合適的內(nèi)檢測技術(shù)。同時，缺乏公眾教育與宣傳，導(dǎo)致事故狀態(tài)下的組織管理、人員疏散等措施不到位。

5  事故原因

NTSB（美國國家運(yùn)輸安全委員會）最終確定的事故原因， 一是PG&E在1956年的132線改線工程中，因質(zhì)量控制不合格，致使安裝了有焊接缺陷的管道，其焊縫缺陷甚至可以用肉眼觀察到。隨著時間的推移缺陷達(dá)到臨界尺寸，并由于米爾皮塔斯首站不良的電氣工程設(shè)計(jì)導(dǎo)致的一次升壓，造成管體破裂。二是PG&E管道完整性管理規(guī)程不足，未能發(fā)現(xiàn)并及時修復(fù)或移除缺陷管段。此外，CPUC（加利福尼亞公共設(shè)施委員會）和 DOT（美國運(yùn)輸部）作為管理機(jī)構(gòu)對現(xiàn)有管道免除壓力測試，也對事故負(fù)有責(zé)任，此類壓力測試很有可能檢測到安裝過程中的缺陷。DOT作為監(jiān)管部門，沒有發(fā)現(xiàn)PG&E管道完整性管理規(guī)程不足，也對事故負(fù)有責(zé)任。管線缺少自動關(guān)閉閥門和遠(yuǎn)程控制閥以及PG&E應(yīng)急響應(yīng)程序不足，導(dǎo)致天然氣泄漏控制延遲是造成這次事故嚴(yán)重性的主要原因。