巖溶地區(qū)天然氣管道環(huán)焊縫斷裂爆炸事故分析

張強(qiáng)1 戴聯(lián)雙2

1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院分公司；2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)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)車庫(kù)、4輛汽車和周圍的樹(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(xiàn)的長(zhǎng)約13.4 m的兩端斷裂的大型管段，中間有約6.1 m長(zhǎng)的完整管段；以北約115.8 m處發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)約0.6 m的管道碎片；以南約42.6 m處發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)約9.4 m的管段；以東約94.4 m處發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)約1.82 m的管段；以東約48.7 m處發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)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(duì)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(jìn)行放空，形成了一個(gè)約40.6 km的隔離段；在管道破裂數(shù)小時(shí)后使用泄漏檢測(cè)設(shè)備在破裂位置上下游約300 m的范圍內(nèi)徒步巡檢，同時(shí)采用直升機(jī)進(jìn)行儀器化空中泄漏巡檢，均未發(fā)現(xiàn)泄漏。

事故現(xiàn)場(chǎng)爆炸坑大約長(zhǎng)32 m、寬13.4 m，深度從3.96 m～7.62 m不等。破裂現(xiàn)場(chǎng)南側(cè)管道埋深約1.43 m、北側(cè)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(cè)管道末端環(huán)繞管道周長(zhǎng)約一半的環(huán)焊縫斷裂，南側(cè)管道末端則表現(xiàn)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(zhì)災(zāi)害分析專家對(duì)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(jù)。但事故對(duì)現(xiàn)場(chǎng)破壞嚴(yán)重，無(wú)法確認(rèn)地面移動(dòng)是由事故造成還是現(xiàn)場(chǎng)存在可能對(duì)管道施加外力的因素，但這些因素在事故發(fā)生后已無(wú)法觀察到。

2月17日，爆炸拋出的管段及相鄰?fù)旰霉芏螛颖颈凰偷綄?shí)驗(yàn)室進(jìn)行失效分析。分析結(jié)果表明，管道環(huán)焊縫在施工過(guò)程中產(chǎn)生了氫致裂紋，未觀察到裂紋在服役期間發(fā)生疲勞增長(zhǎng)。斷裂的主要原因是作用在環(huán)焊縫上的高拉伸軸向應(yīng)力過(guò)載，導(dǎo)致管道沿裂紋失效。應(yīng)力來(lái)自較大的外部載荷，如地面或土壤移動(dòng)。對(duì)失效管道碎片的環(huán)焊縫進(jìn)行了額外磁粉檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。

管道企業(yè)對(duì)隔離管段的路由進(jìn)行低空空中勘測(cè)，其目的是確定管道路由中潛在地面移動(dòng)和未經(jīng)授權(quán)的第三方活動(dòng)區(qū)域。在40 km長(zhǎng)的管道沿線發(fā)現(xiàn)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(duì)管道構(gòu)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(duì)巖土工程進(jìn)一步評(píng)估和修復(fù)。在跟蹤管道路由上方未經(jīng)授權(quán)的第三方活動(dòng)方面，觀察到隔離管段沿線進(jìn)行的16起第三方穿越事件中，有1起是未經(jīng)授權(quán)的推土機(jī)穿越和溝渠開(kāi)挖作業(yè)，有可能導(dǎo)致管道路由受到侵害。企業(yè)對(duì)管道進(jìn)行了定位和探測(cè)，聯(lián)系未經(jīng)授權(quán)工程的土地所有人和承包商，討論修復(fù)管道路由的方法。在擴(kuò)大地質(zhì)災(zāi)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(hù)和監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，并建議對(duì)位于巖溶易發(fā)區(qū)的其他地點(diǎn)也進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。

綜上調(diào)查分析，事故的直接原因是管道穿越巖溶發(fā)育中等地區(qū)，地表土層的長(zhǎng)期緩慢蠕動(dòng)致使垂直于管道方向產(chǎn)生的軸向應(yīng)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(qū)大落差下管道應(yīng)力不均勻和過(guò)度彈性變形，容易引發(fā)管道斷裂失效，且?guī)r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(yùn)行帶來(lái)安全隱患。此次事故給我?guī)��?lái)的啟示是：

（1）應(yīng)加強(qiáng)源頭預(yù)防。在管道建設(shè)期應(yīng)優(yōu)化路由設(shè)計(jì)，盡量避開(kāi)易滑坡、泥石流、坡面水毀等地質(zhì)災(zāi)害地段，無(wú)法避讓時(shí)應(yīng)采取工程防治或監(jiān)測(cè)等必要的防護(hù)措施。

（2）應(yīng)提前識(shí)別地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。巖溶地區(qū)緩慢的土層蠕動(dòng)，可能出現(xiàn)如樹(shù)干向坡下彎曲或呈現(xiàn)“醉漢林”，地表電線桿、籬笆、欄桿等發(fā)生順層傾斜，殘墻破裂等現(xiàn)象。因此在日常巡線過(guò)程中應(yīng)對(duì)此類現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行排查，提前采取針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)消減措施。

（3）應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行階段日常維護(hù)管理。定期開(kāi)展陡坡、橫坡敷設(shè)管道隱患專項(xiàng)排查，加強(qiáng)橫坡敷設(shè)管段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集，特別是竣工后管道中心線數(shù)據(jù)。開(kāi)展管道應(yīng)力檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、焊縫質(zhì)量排查等工作，確保管道運(yùn)行安全。

（4）應(yīng)進(jìn)一步完善焊接工藝評(píng)定�？紤]不同環(huán)境因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，開(kāi)展預(yù)熱溫度、焊道層數(shù)、大風(fēng)和嚴(yán)寒天氣等因素的正交實(shí)驗(yàn)，規(guī)定不同條件下每個(gè)焊工可完成的焊道數(shù)量，為第三方監(jiān)理作業(yè)提供充分的依據(jù)。開(kāi)展在役管道環(huán)焊縫缺陷識(shí)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(píng)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(qiáng)，1986年生，高級(jí)工程師，注冊(cè)安全工程師、二級(jí)安全評(píng)價(jià)師、管道檢驗(yàn)員，主要從事管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和完整性相關(guān)的研究與應(yīng)用工作。先后參與制修訂行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)，獲得國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)、河北省石油學(xué)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。聯(lián)系方式：0316-2072640，zhangqiang14@pipechina.com.cn。