巖溶地區天然氣管道環(huán)焊縫斷裂爆炸事故分析

張強1 戴聯(lián)雙2

1.國家管網(wǎng)集團科學(xué)技術(shù)研究總院分公司；2.國家管網(wǎng)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(fā)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(gè)車(chē)庫、4輛汽車(chē)和周?chē)�的�?shù)木。損壞管段炸裂成3段管體和2個(gè)管道碎片從爆炸點(diǎn)拋出，分別是在破裂位置中心以東約60.9 m處發(fā)現的長(cháng)約13.4 m的兩端斷裂的大型管段，中間有約6.1 m長(cháng)的完整管段；以北約115.8 m處發(fā)現長(cháng)約0.6 m的管道碎片；以南約42.6 m處發(fā)現長(cháng)約9.4 m的管段；以東約94.4 m處發(fā)現長(cháng)約1.82 m的管段；以東約48.7 m處發(fā)現長(cháng)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(fā)生后，CGT天然氣控制中心工作人員對克萊門(mén)茨維爾壓氣站和哈茨維爾壓氣站之間的事故管段進(jìn)行放空，形成了一個(gè)約40.6 km的隔離段；在管道破裂數小時(shí)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(shí)采用直升機進(jìn)行儀器化空中泄漏巡檢，均未發(fā)現泄漏。

事故現場(chǎng)爆炸坑大約長(cháng)32 m、寬13.4 m，深度從3.96 m～7.62 m不等。破裂現場(chǎng)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(kāi)口端間距約24.38 m（圖 2）。北側管道末端環(huán)繞管道周長(cháng)約一半的環(huán)焊縫斷裂，南側管道末端則表現出不均勻的外觀(guān)，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(zhì)災害分析專(zhuān)家對Line 200管道事故后的地表和管溝進(jìn)行了初步勘察，以確定地面移動(dòng)的相關(guān)證據。但事故對現場(chǎng)破壞嚴重，無(wú)法確認地面移動(dòng)是由事故造成還是現場(chǎng)存在可能對管道施加外力的因素，但這些因素在事故發(fā)生后已無(wú)法觀(guān)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(shí)驗室進(jìn)行失效分析。分析結果表明，管道環(huán)焊縫在施工過(guò)程中產(chǎn)生了氫致裂紋，未觀(guān)察到裂紋在服役期間發(fā)生疲勞增長(cháng)。斷裂的主要原因是作用在環(huán)焊縫上的高拉伸軸向應力過(guò)載，導致管道沿裂紋失效。應力來(lái)自較大的外部載荷，如地面或土壤移動(dòng)。對失效管道碎片的環(huán)焊縫進(jìn)行了額外磁粉檢測，沒(méi)有發(fā)現裂紋。

管道企業(yè)對隔離管段的路由進(jìn)行低空空中勘測，其目的是確定管道路由中潛在地面移動(dòng)和未經(jīng)授權的第三方活動(dòng)區域。在40 km長(cháng)的管道沿線(xiàn)發(fā)現了9處潛在地面移動(dòng)位置，主要為“地表塌陷”或“可能塌陷”。經(jīng)進(jìn)一步勘察，9處地表塌陷中有8處與巖溶活動(dòng)有關(guān)，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(lèi)為“局部地面塌陷或天坑”，并對巖土工程進(jìn)一步評估和修復。在跟蹤管道路由上方未經(jīng)授權的第三方活動(dòng)方面，觀(guān)察到隔離管段沿線(xiàn)進(jìn)行的16起第三方穿越事件中，有1起是未經(jīng)授權的推土機穿越和溝渠開(kāi)挖作業(yè)，有可能導致管道路由受到侵害。企業(yè)對管道進(jìn)行了定位和探測，聯(lián)系未經(jīng)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(zhì)災害排查范圍（緊鄰失效位置上下游壓氣站之間的管段）時(shí)排查出塌陷24處，將其中6處納入日常巡護和監測的重點(diǎn)，并建議對位于巖溶易發(fā)區的其他地點(diǎn)也進(jìn)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(fā)育中等地區，地表土層的長(cháng)期緩慢蠕動(dòng)致使垂直于管道方向產(chǎn)生的軸向應力過(guò)載，加之環(huán)焊縫處存在氫致裂紋，以致引發(fā)管道斷裂。

巖溶地區大落差下管道應力不均勻和過(guò)度彈性變形，容易引發(fā)管道斷裂失效，且巖溶地質(zhì)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(lái)安全隱患。此次事故給我帶來(lái)的啟示是：

（1）應加強源頭預防。在管道建設期應優(yōu)化路由設計，盡量避開(kāi)易滑坡、泥石流、坡面水毀等地質(zhì)災害地段，無(wú)法避讓時(shí)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(zhì)災害風(fēng)險。巖溶地區緩慢的土層蠕動(dòng)，可能出現如樹(shù)干向坡下彎曲或呈現“醉漢林”，地表電線(xiàn)桿、籬笆、欄桿等發(fā)生順層傾斜，殘墻破裂等現象。因此在日常巡線(xiàn)過(guò)程中應對此類(lèi)現場(chǎng)情況進(jìn)行排查，提前采取針對性的風(fēng)險消減措施。

（3）應加強運行階段日常維護管理。定期開(kāi)展陡坡、橫坡敷設管道隱患專(zhuān)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(xiàn)數據。開(kāi)展管道應力檢測、監測、焊縫質(zhì)量排查等工作，確保管道運行安全。

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

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

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。