巖溶地區天然氣管道環焊縫斷裂爆炸事故分析

張強1 戴聯雙2

1.國家管網集團科學技術研究總院分公司；2.國家管網集團公司 

2014年2月13日，哥倫比亞海灣輸氣公司所轄Line 200管道在里程4164＋02 m處發生爆炸，事故造成2人受傷，摧毀附近2棟房屋，損壞1棟房屋、3棟小型建筑、1個車庫、4輛汽車和周圍的樹木。損壞管段炸裂成3段管體和2個管道碎片從爆炸點拋出，分別是在破裂位置中心以東約60.9 m處發現的長約13.4 m的兩端斷裂的大型管段，中間有約6.1 m長的完整管段；以北約115.8 m處發現長約0.6 m的管道碎片；以南約42.6 m處發現長約9.4 m的管段；以東約94.4 m處發現長約1.82 m的管段；以東約48.7 m處發現長約0.6 m的管道碎片（圖 1）。

圖 1 破裂的管段和碎片

該管道管徑762 mm，工作壓力6.8 MPa。事故發生后，CGT天然氣控制中心工作人員對克萊門茨維爾壓氣站和哈茨維爾壓氣站之間的事故管段進行放空，形成了一個約40.6 km的隔離段；在管道破裂數小時后使用泄漏檢測設備在破裂位置上下游約300 m的范圍內徒步巡檢，同時采用直升機進行儀器化空中泄漏巡檢，均未發現泄漏。

事故現場爆炸坑大約長32 m、寬13.4 m，深度從3.96 m～7.62 m不等。破裂現場南側管道埋深約1.43 m、北側約2.59 m，破裂位置剩余管道的開口端間距約24.38 m（圖 2）。北側管道末端環繞管道周長約一半的環焊縫斷裂，南側管道末端則表現出不均勻的外觀，表明相鄰管道從該位置撕裂。

圖 2 管道失效后形成的爆炸坑

2月15日，地質災害分析專家對Line 200管道事故后的地表和管溝進行了初步勘察，以確定地面移動的相關證據。但事故對現場破壞嚴重，無法確認地面移動是由事故造成還是現場存在可能對管道施加外力的因素，但這些因素在事故發生后已無法觀察到。

2月17日，爆炸拋出的管段及相鄰完好管段樣本被送到實驗室進行失效分析。分析結果表明，管道環焊縫在施工過程中產生了氫致裂紋，未觀察到裂紋在服役期間發生疲勞增長。斷裂的主要原因是作用在環焊縫上的高拉伸軸向應力過載，導致管道沿裂紋失效。應力來自較大的外部載荷，如地面或土壤移動。對失效管道碎片的環焊縫進行了額外磁粉檢測，沒有發現裂紋。

管道企業對隔離管段的路由進行低空空中勘測，其目的是確定管道路由中潛在地面移動和未經授權的第三方活動區域。在40 km長的管道沿線發現了9處潛在地面移動位置，主要為“地表塌陷”或“可能塌陷”。經進一步勘察，9處地表塌陷中有8處與巖溶活動有關，其中5處未對管道構成直接或重大的潛在威脅，另外3處歸類為“局部地面塌陷或天坑”，并對巖土工程進一步評估和修復。在跟蹤管道路由上方未經授權的第三方活動方面，觀察到隔離管段沿線進行的16起第三方穿越事件中，有1起是未經授權的推土機穿越和溝渠開挖作業，有可能導致管道路由受到侵害。企業對管道進行了定位和探測，聯系未經授權工程的土地所有人和承包商，討論修復管道路由的方法。在擴大地質災害排查范圍（緊鄰失效位置上下游壓氣站之間的管段）時排查出塌陷24處，將其中6處納入日常巡護和監測的重點，并建議對位于巖溶易發區的其他地點也進行定期監測。

綜上調查分析，事故的直接原因是管道穿越巖溶發育中等地區，地表土層的長期緩慢蠕動致使垂直于管道方向產生的軸向應力過載，加之環焊縫處存在氫致裂紋，以致引發管道斷裂。

巖溶地區大落差下管道應力不均勻和過度彈性變形，容易引發管道斷裂失效，且巖溶地質因地下暗河較多、地下水豐富，易造成管道支撐土層塌陷使管道懸空，給管道運行帶來安全隱患。此次事故給我帶來的啟示是：

（1）應加強源頭預防。在管道建設期應優化路由設計，盡量避開易滑坡、泥石流、坡面水毀等地質災害地段，無法避讓時應采取工程防治或監測等必要的防護措施。

（2）應提前識別地質災害風險。巖溶地區緩慢的土層蠕動，可能出現如樹干向坡下彎曲或呈現“醉漢林”，地表電線桿、籬笆、欄桿等發生順層傾斜，殘墻破裂等現象。因此在日常巡線過程中應對此類現場情況進行排查，提前采取針對性的風險消減措施。

（3）應加強運行階段日常維護管理。定期開展陡坡、橫坡敷設管道隱患專項排查，加強橫坡敷設管段基礎數據收集，特別是竣工后管道中心線數據。開展管道應力檢測、監測、焊縫質量排查等工作，確保管道運行安全。

（4）應進一步完善焊接工藝評定。考慮不同環境因素對焊接質量的影響，開展預熱溫度、焊道層數、大風和嚴寒天氣等因素的正交實驗，規定不同條件下每個焊工可完成的焊道數量，為第三方監理作業提供充分的依據。開展在役管道環焊縫缺陷識別方法研究，通過多因素分析，確定環焊縫質量排查范圍，評估最有可能存在危害性環焊縫缺陷的位置，及時開展隱患治理，確保管道本質安全。

（來源：Failure Investigation Report-Columbia Gulf Transmission Company，Line 200 failure in Adair County，Kentucky.）

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，主要從事管道風險評價和完整性相關的研究與應用工作。先后參與制修訂行業、企業標準5項，獲得國家石油天然氣管網集團科技進步獎、中國職業安全健康協會科學技術獎、河北省石油學會科技進步獎等獎項。聯系方式：0316-2072640，zhangqiang14@pipechina.com.cn。