輸送管線事故和失效原因

           選自《輸送管線完整性檢測、評價及修復技術》石油工業出版社

輸送管線存在的缺陷可導致管線事故的發生，表現為泄露、穿孔、破裂三類失效模式。美國和歐洲20世紀70-80年代的統計數據表名，在所有干線天然氣輸送管線事故中，泄漏占40%-80%，穿孔10%-40%，破裂占1%-5%。在這三種失效模式中，泄漏是主要的失效模式。

表1-1列出1970年-1990年某國家和地區輸送管線事故的概率，表1-2列出1982年-1991年某些國家和地區輸油管線事故概率，從表1-1、表1-2可以看出，外來破壞和腐蝕是管線的主要失效原因，其中，外來破壞占第一位。比較歐美和蘇聯及中國的管道事故，可以看出，歐美因管材質量而導致的事故率很低，到了20世紀90年代以后，管材質量引起的管線事故未見報道，而蘇聯和中國因管材制造質量，尤其是焊接施工質量造成的事故還是比較高。俄羅斯全國配氣管道在2003年擁有3.3×105KM埋地管道,發生過事故33次，事故率為0.0272/1000KM。

              表1-1    輸氣管道失效事故概率

               表1-2  輸油管線失效事故概率

一、外來破壞

外來破壞又稱第三方破壞，包括人為的破壞（建筑活動、挖掘操作、偷盜打孔）和自然力破壞(沖蝕、冰層活動、沖刷、地震、滑坡、地陷、水流等），居失效原因第一位，占失效事故的一半以上，在外來破壞中，人為破壞占67%，地球運動破壞占13.3%，自然災害破壞占10.8%。

   外來破壞往往造成突發事故，如泄露、斷裂和變形等。即使在外力作用下，如挖掘機造成的刮痕、壓坑，暫時沒有發生突發事故，當腐蝕、應力在坑底誘發裂紋后，將對管線安全運行造成危險，而內檢測，如漏磁檢測法，不能發現這種機械損傷造成的微小幾何變形，如凹坑、金屬損傷、冷變形及冷變區的微小裂紋、塑性變形和殘余應力。

   管線暴露出地面、人容易接近的地方，外腐蝕層易遭受破壞，這些地方與空氣、水接觸，形成小陽極大陰極，加速破損處金屬的腐蝕，尤其破損處在水線位置時，腐蝕速度更快，最后發展到穿孔。我們稱其為先破壞后腐蝕。

   二、腐蝕

   腐蝕失效占管線失效的第二位，是管線事故的常見原因。腐蝕按位置分，分為外腐蝕、內腐蝕。按腐蝕介質分有H2S、CO2、SRB及O2等，當有力參加進來時，則有應力腐蝕開裂（SCC）、硫化物腐蝕開裂（SSCC）和疲勞腐蝕。外腐蝕指管線外壁的腐蝕，外防腐層完好時，對管線外壁的防護左右為99%，陰極保護作用僅為1%。當外防腐層千瘡百孔破損時，陰極保護電流對涂層的陰極剝離加強，在這種情況下，陰極保護器起副作用。內腐蝕指輸送流體中的H2S、CO2、SRB、C1-及H2O等對管內壁的腐蝕。當輸送流體經過脫S、脫H2O達標后，可以認為腐蝕是很小的。一般出油管的內壁腐蝕嚴重。H2S可造成鋼材的全面腐蝕、局部腐蝕和應力腐蝕，發生哪種腐蝕傾向，與H2S濃度和拉應力狀況有關，H2S應力腐蝕一般發生在常溫狀態。CO2一般造成鋼管的局部腐蝕，其腐蝕形態為臺地狀等，往往造成壁厚減薄穿孔。天然氣管道上發生應力腐蝕破裂是最近幾年最危險的事故，發生的原因是管子外表面的防腐層剝離,高電位保護或過保護，在土壤特別是沿江沿海致密性黏土地層水及影響應力腐蝕的組分滲入涂層和很高的拉伸應力作用下，隨著原子氫滲入所謂的“高PH值應力腐蝕破裂”，還有所謂的PH值大約6-8的近中性“低PH值應力腐蝕破裂”與含有游離的CO2有關。所以，鑒別是否有應力腐蝕破裂產生的部位是管道完整性評價的關鍵。微生物特別是SRB腐蝕可造成管道的腐蝕甚至應力腐蝕。在剝離的涂層下面容易聚集為數眾多的SRB，陰極保護電流不能在剝離的涂層下面起作用，從而，可能造成嚴重的腐蝕，腐蝕速度可能是驚人的和帶有災難性的，

   腐蝕形成的缺陷按幾何形狀分為體積型（點、槽、片等）、平面型（應力腐蝕、氫致開裂）和彌散型（氫鼓泡、氫致誘發裂紋）。

三、斷裂

   我國已發生的管線管斷裂事故，多屬脆性斷裂。迄今為止，我國最大的一次輸油管線脆性斷裂事故是1974年冬東北的一輸油管線復線進行氣壓試驗時發生的。當時大氣溫度約-25~-30℃，材料為16Mn，爆破時環向應力接近SMYS，端口近乎全部為脆性斷口，裂縫長度約2KM。據四川石油管理局統計，四川氣田1970-1990年間共發生100余次輸氣管線斷裂事故，大都是螺旋焊縫處脆性干裂。

   脆性斷裂的產生是由于在承壓狀態下，管線工作溫度低于鋼管材料的韌脆轉變溫度(FATT)所致。隨著冶金技術的進步,管線鋼的FATT大幅下降。近年來，脆性斷裂事故逐漸減少，而延性斷裂事故不斷發生。

管徑的增加，輸送壓力的提高，引發了一系列延性斷裂事故，促使了這一領域研究工作的開展，研究的重點是延性斷裂的啟裂、拓展和止裂。由于鋼管制造、施工等方面的原因，以及可能存在的腐蝕坑、應力腐蝕和腐蝕疲勞裂紋，大大的增加了啟裂的可能性。因此，在研究材料任性與臨界裂紋尺寸（ac）的相關性的同時，人們更加重視裂紋失穩拓展的防止。大量的研究表明，為達到延性斷裂的止裂，必須要求管材和焊縫有較高的上平臺沖擊功（CVN），而CVN的要求值主要與環向應力、管徑、壁厚有關。BMI、AISI、BGG等許多公司都有各自的公式，用于計算鋼管在特定條件下韌性的要求值，或者根據失效分析及經驗規定某一特定溫度下的最小CVN值及DWTT試驗的最低SA%值。

四、疲勞

  疲勞失效是由管道在高壓下輸送原油或天然氣時的周期性壓力波動引起的裂紋拓展或疊加腐蝕導致的疲勞腐蝕開裂。或有外力引起的應力波動，如埋地上方車輛通過時的震動，海底管線海浪沖擊，管線溫差引起的熱應力變化，跨越段在風作用下的隨機震動，以及懸空段在水或泥石流的沖擊下產生的振動。

五、水錘效應

  水錘效應即沖擊失效。管道中的閥門迅速關閉時，流體的動能轉變為勢能，產生沖擊波。壓力波傳播到遠離波源的地方會產生破壞作用。沖擊壓力用Jaibot方程計算。水錘效應后果有時是很嚴重的，引起強烈振動或者移動，導致管線或管件破壞。

  其他失效原因還有管材質量、焊縫缺陷、保溫層滲水、保護管套密封失效、熱應力、誤操作、錯誤檢修、支撐失效等。