張強1 戴聯(lián)雙2

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

1  事故概述

2020年2月22日晚上7:00左右，位于美國密西西比州亞祖縣433號公路附近，一條二氧化碳管道在公路穿越處發(fā)生環(huán)焊縫斷裂事故，二氧化碳泄漏量估計在31405桶，采用ALOHA計算結果顯示，二氧化碳羽流擴散了30～40公里（圖 1）。事故未造成人員死亡，但有45人住院，200余人被疏散。

圖 1 管道泄漏現場(chǎng)

事故管道建于2007年，全長(cháng)177 km，管徑24in（609 mm），壁厚13.7 mm，管材為X80，設計壓力14.89 MPa，事故運行壓力為9.67 MPa，二氧化碳處于超臨界態(tài)，主要用于陸上油井的強化采油（EOR）。

2  分析與測試

事后開(kāi)展了事故調查，調查結果顯示事故的直接原因為當地持續降雨引發(fā)公路邊坡下陷側滑，土壤運動(dòng)引起的軸向應力過(guò)載導致管道在環(huán)焊縫處發(fā)生斷裂。企業(yè)對地質(zhì)災害風(fēng)險識別、管理不到位，低估了二氧化碳的潛在影響區域，未及時(shí)向當地應急管理部門(mén)備案等因素，造成了事故后果的進(jìn)一步擴大。

（1）環(huán)焊縫失效分析。失效分析結果表明，環(huán)焊縫力學(xué)和化學(xué)測試結果符合規范要求，不存在明顯的制造缺陷或腐蝕缺陷，失效并不是由焊接質(zhì)量問(wèn)題引起。失效環(huán)焊縫存在低匹配問(wèn)題，失效主要由于軸向應力過(guò)載引起，但失效環(huán)焊縫同時(shí)表現出韌性和脆性斷裂特征。調查認為，可能是由于二氧化碳泄漏后泄漏口處的溫度降低，達到了材料從韌性到脆性的轉變溫度。

（2）宏觀(guān)分析。管道外表面檢查發(fā)現，失效環(huán)焊縫水平方向斷開(kāi)約8英寸（20.32 cm），上下之間有輕微錯位。失效處防腐層發(fā)生了損壞，可能是由于管道輸送的二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，破裂發(fā)生后泄漏口處溫度驟降形成了干冰的積聚和流動(dòng)，影響了管道防腐層的附著(zhù)力，剩余管段的管道防腐層狀況良好，未觀(guān)察到外部腐蝕。對管道內表面檢查顯示，管道中沒(méi)有積聚固體或液體，未有點(diǎn)蝕或腐蝕跡象。

環(huán)焊縫斷裂表面平坦，通常180度角，受影響區域未發(fā)現明顯減薄。斷裂路徑在不同位置橫跨或穿過(guò)焊縫。管道橢圓度及壁厚符合API 5L的要求，對內外表面進(jìn)行了磁粉檢測，未發(fā)現裂紋缺陷（圖 2）。

圖 2 斷裂的環(huán)焊縫和管道內部

（3）微觀(guān)形貌分析。采用線(xiàn)切割在斷口處取樣，并經(jīng)清洗后進(jìn)行微觀(guān)形貌觀(guān)察。失效環(huán)焊縫選擇了5個(gè)區域M1～M5（1:35、3:55、8:35、10:24、11:37）取樣，上游相鄰完好環(huán)焊縫選擇了1個(gè)區域MU1（12:24）取樣進(jìn)行對比分析。

缺陷檢查。斷裂面由各光滑區域和粗糙表面組成，整個(gè)斷裂面的厚度各不相同。沒(méi)有證據表明存在制造缺陷。由于斷裂表面沒(méi)有人字紋，因此無(wú)法確定失效產(chǎn)生過(guò)程的確切位置（圖 3）。

圖 3 缺陷檢查（樣品M2）

斷口形貌和金相分析。失效焊縫和相鄰完好焊縫取樣，斷口形貌和金相分析如表 1所示。同時(shí)，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）沒(méi)有發(fā)現預先存在缺陷或疲勞的跡象，并觀(guān)察到了與韌性斷裂相關(guān)的凹坑及與脆性斷裂相關(guān)的平滑裂面的特征。

表 1 不同樣品的斷口形貌分析

（4）硬度測試。對所有六個(gè)金相橫截面進(jìn)行了硬度測試，未發(fā)現異常高硬度的區域。失效環(huán)焊縫的硬度顯示出變化性，這可能與失效期間持續的冷外力有關(guān)。結果表明，與管體相比，焊縫金屬的硬度更低，焊縫存在低匹配的問(wèn)題。相鄰完好環(huán)焊縫的軸向拉伸試驗表明，其失效與實(shí)際斷裂相似，進(jìn)一步說(shuō)明了在施加軸向應力的情況下，焊縫處的硬度較低，是過(guò)載失效的首選位置（圖 4）。

圖 4 失效環(huán)焊縫樣品M4上不同點(diǎn)的硬度水平

（5）機械性能與化學(xué)成分測試。管材和焊縫的拉伸試驗表明平均屈服強度和極限抗拉強度滿(mǎn)足API 5L X80M PSL 2管線(xiàn)在施工時(shí)的要求。夏比沖擊功測試結果表明，沖擊值均超過(guò)API 5L X80M PSL 2管線(xiàn)在施工時(shí)規定的最小值的規定值。從提取的環(huán)焊縫樣品的測試結果表明，85%的脆性轉變溫度（FATT）為59.9°F時(shí)，其值是可接受的�；瘜W(xué)分析結果表明，管材和焊縫符合API 5L級X80M PSL 2管線(xiàn)管道的成分要求。

3  事故啟示

（1）二氧化碳擴散模型低估了可能受到泄漏影響的潛在區域。2011年使用該模型沿管道路由生成了緩沖區，制定了公眾宣傳計劃。但事后發(fā)現，受影響村莊未納入公眾宣傳計劃和當地應急影響計劃。

（2）涉事企業(yè)沒(méi)有將管道有關(guān)信息向當地應急管理部門(mén)備案。應急處置人員在破裂發(fā)生約40分鐘后才聯(lián)系了管道企業(yè)，影響了對相關(guān)情況的了解和及時(shí)開(kāi)展應急響應。

（3）國內企業(yè)應建立完善二氧化碳管道相關(guān)維護與運行規范。二氧化碳與油氣存在明顯不同的物理特性，二氧化碳管道具有新的安全隱患。目前國內外尚未明確完整性管理規范是否適用于二氧化碳管道。我們應汲取事故教訓盡快開(kāi)展這方面的工作。

（4）進(jìn)一步提升應對二氧化碳泄漏的應急處置能力。二氧化碳管道泄漏的響應與其他類(lèi)型的管道泄漏響應有很大不同，其密度約為空氣的1.5倍。泄漏后可能會(huì )靠近地面并聚集在狹窄的空間中，例如下水道和雨水渠等低洼地段，無(wú)味、無(wú)色且不可燃。接觸過(guò)量二氧化碳會(huì )導致頭痛、頭暈、昏迷、窒息、失去知覺(jué)，甚至死亡。應急搶險部門(mén)要增加相關(guān)科目，搶險人員要做好個(gè)人防護。

編譯自：《Failure Investigation Report - Pipeline Rupture/ Natural Force Damage》

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