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

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(chēng)聞到了汽油味，經(jīng)消防和救援處現場(chǎng)調查，發(fā)現氣味來(lái)源于附近的雨水排水渠。管道公司采取停泵測試、靜壓分析、現場(chǎng)勘察等措施后，于9月22日凌晨判定輸油管線(xiàn)發(fā)生泄漏，于當日19時(shí)完成開(kāi)挖確認。泄漏地點(diǎn)位于一處人口較為密集的高后果區，油品泄漏量約4000加侖，事故造成的經(jīng)濟損失（含處理費用）約1650萬(wàn)美元[1]。

事故管道事發(fā)地雙管并行，分別為L(cháng)ine 3管道和Line 4管道（圖 1）。發(fā)生泄漏的為L(cháng)ine 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，設強制電流陰極保護系統（圖 2）。該管道于1994年和2002年檢測出兩處凹陷，并進(jìn)行了開(kāi)挖驗證，通過(guò)磁粉檢測未發(fā)現裂紋。由于凹陷沒(méi)有達到需要修復的標準，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。此次泄漏的部位在之前檢測發(fā)現的一處凹陷6點(diǎn)鐘位置。

圖 1 管道泄漏位置及周邊情況分布

圖 2 現場(chǎng)情況

2  原因分析

直接原因是長(cháng)期運營(yíng)過(guò)程中，受壓力波動(dòng)和交變荷載的影響以及暴露在地下環(huán)境，管道凹陷處出現了穿透的腐蝕性疲勞裂紋。加之管道SCADA系統在監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。

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?chē)�未發(fā)現裂紋缺陷。事故點(diǎn)凹陷的磁粉檢測顯示，在與主裂紋平行的凹陷內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(cháng)度147 mm，內徑長(cháng)度114 mm，裂紋附近管材厚度在6.7 mm～6.8 mm之間（圖 3、圖 4）。斷裂面呈現出與腐蝕疲勞裂紋擴展一致的特征，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(gè)裂紋起裂點(diǎn)向內裂紋擴展是一致的。

圖 3 失效位置從管道內外觀(guān)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展而來(lái)。凹陷和斷裂表面都含有腐蝕產(chǎn)物/沉積物，材料的化學(xué)成分結果與鐵腐蝕產(chǎn)物一致，這些裂紋沒(méi)有發(fā)現明顯的分支（圖 5）。用掃描電子顯微鏡檢查斷裂表面，發(fā)現與疲勞裂紋擴展相一致的條紋。斷裂表面呈現出多種斷裂特征（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%（小于標準規定的6%的修復標準，管道公司未進(jìn)行響應）。通過(guò)激光掃描和有限元建模分析，凹陷形成后的峰值應力值超過(guò)了管道屈服強度，凹陷內的殘余拉伸應力較高。使得管道更容易受到應力腐蝕、腐蝕疲勞等外部引發(fā)的開(kāi)裂影響。此外，凹陷區域的幾何形狀變化產(chǎn)生的應力集中，足以在管道壓力波動(dòng)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(shí)還發(fā)現了其他管道上的類(lèi)似缺陷，這些凹陷的深度都小于管道外徑的2%，且遠離焊縫或環(huán)焊縫。其失效數據表明，6%的凹陷修復標準存在不確定性。由于應力集中、局部塑性和局部表面腐蝕效應，除考慮凹陷深度外還應考慮凹陷曲率。巖石撞擊造成的管道凹陷（有約束條件）與巖石后來(lái)被移除（無(wú)約束條件）后具有不同的應力大小和分布，由于較高的局部環(huán)向應力，無(wú)約束凹陷的失效速度更快。根據對泄漏位置凹陷的有限元分析，最大應力值沒(méi)有出現在凹陷最大深度處，而是在曲率半徑較�。ㄓ捎诎枷莸姆枪饣�性質(zhì)）的凹陷內和靠近凹陷邊緣的區域。管道公司開(kāi)展了凹陷管段的疲勞試驗研究（包括有限元應力分析），注意到了類(lèi)似結果[2-3]。

3  預防措施

事故調查報告建議，管道公司在制定風(fēng)險管理策略時(shí)除了符合當前完整性管理的要求外，管道完整性管理方案應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的閾值。建議研究修改管道凹陷響應標準，以考慮凹陷可能引起管道失效的所有因素。由于判定現有凹陷是否以及何時(shí)泄漏因素較多，事故調查認為，更謹慎的方法是對所有開(kāi)挖出來(lái)的凹陷進(jìn)行響應；在未響應的凹陷處安裝就地泄漏監測系統，持續監測可燃物，并及時(shí)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，并對管道保護工、高級操作工和項目管理人員等超過(guò)47名員工進(jìn)行了培訓。分析了之前17次管道內檢測數據，重點(diǎn)是凹陷中的裂紋，特別是將超聲波裂紋管道內檢測（ILI）數據與漏磁管道內檢測（ILI）數據相結合。提出了一種基于風(fēng)險的方法，根據凹陷大小和管道特性對凹陷響應進(jìn)行排序，重點(diǎn)是巖石在管道底部造成的凹陷。在事故管線(xiàn)開(kāi)挖清單中增加了40處額外的淺凹陷，在已開(kāi)挖的30處中未發(fā)現任何裂紋，采用B型套筒修復了29處，1處因無(wú)凹陷或裂紋跡象在修復防腐層后進(jìn)行了回填。修訂了凹陷修復標準，重新定義了可操作異常情況的構成，并發(fā)布資產(chǎn)完整性程序，提出了控制中心人員應設定額外維修時(shí)間和管道可用性時(shí)間表的要求，將這些變更納入修訂后的《管道維護手冊》。

4  事故啟示

安裝泄漏監測設備。管道公司稱(chēng)其管道系統曾發(fā)生了另外4次泄漏，而SCADA系統卻未檢測到。其中1次泄漏發(fā)生在該事故前約5個(gè)月，而另外3次泄漏發(fā)生在該事故后不到6個(gè)月，這些泄漏是由土地戶(hù)主、巡線(xiàn)員發(fā)現的。2016年4月2日報告了一起類(lèi)似的液體管道小泄漏，SCADA系統同樣未監測到。及時(shí)可靠監測大型危險液體管道中的小泄漏，一直是管道運營(yíng)商和監管機構面臨的挑戰。管道公司稱(chēng)，Line 4管線(xiàn)的平均流量約為1560萬(wàn)加侖/日或大約10800加侖/分鐘�？紤]到2%的檢測極限，SCADA系統可以檢測到的最小泄漏約為216加侖/分鐘。假設回收的液體體積增加一倍，達到8000加侖（考慮到不可回收的產(chǎn)品），以及2周的泄漏持續時(shí)間（基于目擊者說(shuō)他們第一次聞到汽油味的時(shí)間），估計泄漏率為571加侖/日或者0.4加侖/分鐘。根據假設，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)應在管道特定位置安裝泄漏監測設備，在管道的穿壁裂紋或腐蝕損壞已經(jīng)開(kāi)始泄漏時(shí)提供早期預警，立即采取糾正措施，在造成嚴重泄漏后果前修復受損的管道。

高度關(guān)注復合凹陷。管道凹陷在內壓和外部交變荷載的作用下，凹陷位置會(huì )產(chǎn)生疲勞裂紋并且擴展失效。無(wú)約束凹陷在管道內壓作用下會(huì )產(chǎn)生回彈，需考慮壓力循環(huán)導致的疲勞影響，如凹陷深度、壓力循環(huán)幅度、局部應變、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變大小密切相關(guān)，具有較高應變的凹陷產(chǎn)生裂紋的可能性較大，如果在凹陷的高應變點(diǎn)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)應高度關(guān)注與焊縫、劃傷、裂紋及腐蝕相關(guān)的復合凹陷，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(kāi)展多方面研究工作促進(jìn)凹陷評價(jià)的準確性，合理經(jīng)濟的確定修復方案，如通過(guò)改進(jìn)內檢測技術(shù)和現場(chǎng)檢測技術(shù)準確確定凹陷的相關(guān)信息；改進(jìn)應變測試方法，開(kāi)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據驗證等。

參考文獻：

[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.含復合凹陷油氣管道的安全評估現狀[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(huì )論文集（第二冊），2021.

[5]孔朝金，胥琴，竇志信，等.長(cháng)輸管道復合凹陷評價(jià)方法及應用探討[J].石油工業(yè)技術(shù)監督，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(jià)與管理[J].長(cháng)江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2014，11(14)：118-121+6.

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。