雷錚強，王富祥，陳 健，王 婷，鄭洪龍

（中國石油管道科技研究中心/油氣管道輸送安全國家工程實驗室，河北廊坊 065000）

長輸油氣管道裂紋失效案例調(diào)研

雷錚強，王富祥，陳 健，王 婷，鄭洪龍

（中國石油管道科技研究中心/油氣管道輸送安全國家工程實驗室，河北廊坊 065000）

裂紋是管道的一種嚴(yán)重缺陷，可導(dǎo)致管道的突然開裂失效。通過對美國和加拿大管道裂紋失效案例調(diào)研，對比分析了北美地區(qū)國家及國內(nèi)油氣管道裂紋失效情況。結(jié)合典型失效案例從管道裂紋類型、失效原因等角度梳理了管道裂紋失效的主要風(fēng)險類型、管控經(jīng)驗及相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，為國內(nèi)油氣管道裂紋失效的風(fēng)險分析和相關(guān)決策支持提供參考。關(guān)鍵詞：油氣管道；裂紋；失效案例；完整性

1 管道裂紋失效案例及分類

從公開的文獻數(shù)據(jù)看，北美國家關(guān)于長輸油氣管道裂紋失效的相關(guān)報道較多[1-3]，國內(nèi)僅有一篇關(guān)于管道應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）的報道[4]。因此本文首先對加拿大運輸安全局（TSB）及美國管道運輸及?；钒踩芾聿浚≒HMSA）官方網(wǎng)站公布的管道失效事故進行了調(diào)查，失效案例整理分析結(jié)果（見表1）。表1匯總了近20年來有較詳細(xì)失效分析報告的31起管道裂紋失效案例，其中加拿大10起、美國15起及中國6起。加拿大及美國管道失效的平均服役年限是44年，且SCC相關(guān)失效案例較多。國內(nèi)管道以新建管道的環(huán)焊縫焊接裂紋失效為主，北美國家也發(fā)生焊縫相關(guān)的裂紋失效，其中數(shù)起與ERW直焊縫焊接裂紋有關(guān)。這些失效案例中，國內(nèi)外管道主要的裂紋失效類型存在明顯差異，這可能與不同年代的制管工藝、實際服役年限及管道管理水平等因素有關(guān)。

這31起失效案例中，服役環(huán)境因素導(dǎo)致的失效為20起，占65%，包括SCC失效18起、氫致開裂（HIC）失效1起和疲勞裂紋失效1起；施工因素導(dǎo)致的失效為11起，占35%，包括焊接裂紋失效10起，機械損傷底部裂紋失效1起。由此可見，SCC和焊接裂紋是最主要的管道裂紋失效風(fēng)險。

2 典型失效案例經(jīng)驗總結(jié)

2.1 管道裂紋失效分類

由于美國及加拿大管道裂紋失效占全部管道失效事故的比例非常低，且大部分管道裂紋失效屬于SCC類型，因此相關(guān)文獻報道中關(guān)于SCC的統(tǒng)計數(shù)據(jù)較多，而關(guān)于HIC、焊接裂紋、疲勞裂紋等統(tǒng)計數(shù)據(jù)較少。加拿大TSB將“腐蝕/環(huán)境致使開裂”作為失效統(tǒng)計的一個門類[5]，統(tǒng)計資料顯示1985-1995年間加拿大CEPA會員公司管道共發(fā)生48起爆裂事故，其中由SCC引起的事故為8起，占17%[6]。美國PHMSA將“環(huán)境致開裂”進行分類統(tǒng)計，1985-2015年間美國共發(fā)生52起環(huán)境致開裂失效（主要是SCC），分別占輸氣和輸油管道失效的1.3%和0.4%。對于焊接裂紋缺陷，加拿大沒有進行分類統(tǒng)計，美國將材料、焊接、設(shè)備失效歸并統(tǒng)計，其中焊接裂紋缺陷引起失效比例未知。

結(jié)合上述31起國內(nèi)外管道裂紋失效案例及管理現(xiàn)狀，本文按照油氣管道裂紋產(chǎn)生的原因?qū)⑵浞譃閮煞N類型，分別是：服役環(huán)境因素導(dǎo)致和施工因素導(dǎo)致（見圖1），服役環(huán)境因素導(dǎo)致管道裂紋包括SCC、HIC及疲勞裂紋，施工因素導(dǎo)致的管道裂紋包括焊接裂紋缺陷和機械損傷底部裂紋。需要指出的是，這里所說的疲勞裂紋是指狹義上的應(yīng)力循環(huán)導(dǎo)致的疲勞開裂。廣義上來說，管道SCC和HIC的發(fā)生與材料、應(yīng)力、時間及腐蝕環(huán)境等因素的相互作用有關(guān)，也可以歸為疲勞裂紋失效范疇。

圖1 油氣管道裂紋失效案例分類

2.2 管道SCC失效

管道SCC失效是加拿大管道失效的主要原因之一。據(jù)報道，1984-2003年間加拿大管道失效的三個最主要原因從大到小依次是管道外腐蝕、SCC及第三方破壞[7]；美國油氣管道也同樣面臨SCC風(fēng)險，1965年人們在美國的一條輸氣管道上發(fā)現(xiàn)了第一起SCC失效，為高pH SCC失效。最初，人們認(rèn)為SCC失效事故僅在美國沿海的黏土環(huán)境中的輸氣管道發(fā)生，后來越來越多的案例表明SCC也可以在其他不同土壤類型中發(fā)生，1985年人們在加拿大發(fā)現(xiàn)首例近中性pH SCC[8]失效。

管道SCC失效已經(jīng)成為北美地區(qū)管道失效的主要威脅之一。為解決高后果區(qū)內(nèi)輸氣管道SCC失效風(fēng)險，2006年加拿大及美國成立聯(lián)合研究項目（JIP-1）對北美地區(qū)在役管道SCC失效進行了調(diào)研，并于2012年發(fā)布了相關(guān)研究結(jié)果[3]。JIP-1調(diào)研對象包括1965年至2010年所有輸氣管道近中性pH SCC和高pH SCC失效案例，不同年份SCC發(fā)生頻次統(tǒng)計結(jié)果（見表2）。

表2 美國及加拿大在役輸氣管道SCC失效統(tǒng)計[3]

表2中共統(tǒng)計了過去50年北美地區(qū)發(fā)生的85起管道SCC失效事故，這些事故的經(jīng)驗總結(jié)顯示管道發(fā)生高pH SCC和近中性pH SCC失效與較高應(yīng)力、較長服役年限及非FBE涂層類型有關(guān)（見表3）。SCC失效案例的進一步統(tǒng)計分析結(jié)果參見文獻[3]和文獻[6]?；谝陨瞎艿繱CC失效案例經(jīng)驗積累，加拿大、美國也逐漸形成SCC的推薦做法和標(biāo)準(zhǔn)。早在1997年，加拿大能源管道協(xié)會（CEPA）就發(fā)布了第一版SCC推薦做法，2007年發(fā)布了第二版。2004年，NEB發(fā)布了6項提高公眾安全的措施：（1）對所有管道實行SCC管控；（2）改變管道的設(shè)計；（3）持續(xù)研究；（4）建立 SCC 失效數(shù)據(jù)庫；（5）改善應(yīng)急響應(yīng)措施；（6）持續(xù)信息共享。這6條舉措有助于管道運營管理者對管道SCC實施持續(xù)監(jiān)控。

表3 加拿大及美國管道SCC失效案例經(jīng)驗總結(jié)[3]

直到2002年，美國發(fā)布了ASME B31.8S《輸氣管道完整性管理》，引用了聯(lián)邦政府規(guī)章第49條內(nèi)容，為管道SCC提供了指導(dǎo)。ASME B31.8S給出了管道SCC的風(fēng)險評價過程、檢測要點和開挖檢測流程等。2003年，美國PHMSA部門的管道安全辦公室（OPS）發(fā)布了油氣管道SCC風(fēng)險公告，建議在油氣管道完整性管理計劃中考慮SCC風(fēng)險。2004年，美國腐蝕工程學(xué)會（NACE）發(fā)布了第一版應(yīng)力腐蝕直接評估方法（SCCDA），于2015年發(fā)布修訂版NACE 0204-2015。NACE 0204-2015綜合了ASME B31.8S和CEPA標(biāo)準(zhǔn)，給出了管道SCC的直接評估方法，代表了目前管道SCC管控的先進做法。2014年API和美國輸油管道協(xié)會（AOPL）意識到發(fā)布裂紋缺陷指南的必要性，成立管道完整性工作組開始起草并于2016年發(fā)布了API RP 1176-2016《Recommended practice for assessment and management of cracking in pipelines》標(biāo)準(zhǔn)。API RP 1176-2016標(biāo)準(zhǔn)引用了ASME B31.8S和NACE 0204-2015標(biāo)準(zhǔn)并推薦管道SCCDA方法，除此之外該標(biāo)準(zhǔn)還對油氣管道裂紋管控的一般原則和方法、管道主要裂紋類型、裂紋缺陷評價、裂紋管控措施、修復(fù)等內(nèi)容進行了全面規(guī)定。

2.3 焊接裂紋失效

管道焊接裂紋缺陷可能出現(xiàn)在螺旋焊縫、直焊縫以及環(huán)焊縫中。其中管道直焊縫和螺旋焊縫在出廠前經(jīng)過嚴(yán)格無損檢測，焊接質(zhì)量可控，經(jīng)出廠驗收合格的管道直焊縫和螺旋焊縫一般不會產(chǎn)生焊接裂紋。從失效案例情況看，管道焊接裂紋缺陷主要出現(xiàn)于現(xiàn)場施工的環(huán)焊縫中。由于殘余應(yīng)力和裝配應(yīng)力存在，管道焊接施工過程中可能出現(xiàn)熱裂紋、冷裂紋、未熔合及熱處理裂紋等焊接裂紋缺陷。環(huán)焊縫焊接裂紋可出現(xiàn)在焊縫或母材中，對管道安全服役構(gòu)成極大威脅。

國內(nèi)和國外都發(fā)生過管道環(huán)焊縫失效案例。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明[9]，1993-1997年間加拿大油氣管道環(huán)焊縫失效占全部管道失效案例的比例為5.5%，1984-2004年間美國天然氣管道環(huán)焊縫失效比例為2.1%，這些案例中與焊接裂紋相關(guān)的失效比例情況未知。2011年以來，中國石油共發(fā)生8起新建管道的環(huán)焊縫失效，其中4起與未熔合等焊接裂紋缺陷有關(guān)[10]，西二線彭家灣穿越段管道環(huán)焊縫未熔合缺陷失效（見圖2）。相關(guān)失效案例的經(jīng)驗分析表明，大多數(shù)管道環(huán)焊縫失效不僅與焊接缺陷有關(guān)，還與較高的管道附加軸向應(yīng)力有關(guān)，引起管道軸向附加應(yīng)力的因素有管道周邊土體移動、溫度變化等。

圖2 西二線彭家灣穿越段管道環(huán)焊縫失效

管道焊接施工和管段竣工驗收階段進行超聲、射線及水壓試驗，可以發(fā)現(xiàn)大部分焊接裂紋缺陷，但仍然存在一些處于臨界尺寸以下的焊接裂紋缺陷不能被檢測出。由于余高的影響，環(huán)焊縫處的裂紋缺陷檢測仍然是內(nèi)檢測技術(shù)的難點?，F(xiàn)有的管道裂紋內(nèi)檢測技術(shù)如超聲裂紋內(nèi)檢測及電磁超聲裂紋內(nèi)檢測技術(shù)主要適用于管體及直焊縫的裂紋缺陷檢測，還難以對環(huán)焊縫、螺旋焊縫處的裂紋缺陷進行有效檢測。通過漏磁內(nèi)檢測信號分析可識別部分環(huán)焊縫未熔合、未焊透等類裂紋缺陷[10]，但對于細(xì)小的焊接裂紋仍無法識別。2015年國際管道研究協(xié)會（PRCI）立項開展環(huán)焊縫異常的內(nèi)檢測牽拉試驗研究，以探討常用的漏磁及超聲內(nèi)檢測技術(shù)對于環(huán)焊縫類裂紋缺陷檢測識別的適用性[11]?？傮w上，目前國內(nèi)外尚無有效的管道焊接裂紋缺陷內(nèi)檢測識別方法和標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 其他類型管道裂紋失效

管道HIC是由于氫原子進入金屬內(nèi)部富集在硫化物夾雜周圍，造成沿材料軋制方向出現(xiàn)臺階狀裂紋。HIC由氫原子引發(fā)，常發(fā)生在含濕氣H2S環(huán)境、含MnS夾雜物的鋼和溫度25℃、pH值小于4的條件下。含H2S等酸性油氣和高強度鋼管容易發(fā)生HIC[8]。1994年2月15日，加拿大Foothills公司X70天然氣管道發(fā)生開裂，失效分析發(fā)現(xiàn)裂紋起始于管道內(nèi)壁孔隙，HIC是孔隙產(chǎn)生的主要原因。此次HIC失效被認(rèn)為主要與含硫天然氣有關(guān)，隨后加拿大運輸安全局對類似工況的輸氣管道采取了輸送工藝的整改措施。

管道機械損傷通常是機械設(shè)備、挖掘機或其他土木工程器械意外接觸管道所致，包括建造時的意外損傷和第三方破壞損傷等。嚴(yán)重的管道機械損傷可直接導(dǎo)致管體裂紋，也可能在隨后的管道運行壓力波動下萌生疲勞裂紋。針對第三方破壞的光纖預(yù)警技術(shù)可及時發(fā)現(xiàn)相關(guān)的管道機械損傷。

疲勞裂紋容易在管道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位產(chǎn)生，如環(huán)焊縫、彎管、支管、凹陷等位置的局部不連續(xù)處，局部不連續(xù)包括：（1）焊縫的咬邊、錯邊、未焊滿、余高不足等；（2）機械損傷的溝槽狀劃傷；（3）發(fā)生凹陷變形管段的劃傷等局部金屬損失等。

3 結(jié)論

本文調(diào)研了北美地區(qū)及國內(nèi)長輸管道裂紋失效的典型案例，總結(jié)分析了管道裂紋失效的兩大因素：服役環(huán)境因素導(dǎo)致和施工因素導(dǎo)致，分別以SCC和焊接裂紋缺陷為主。梳理了加拿大及美國對管道SCC管控的相關(guān)經(jīng)驗和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)發(fā)展現(xiàn)狀，為下一步國內(nèi)油氣管道裂紋失效的風(fēng)險分析和相關(guān)決策支持提供參考。

［1］楊祖佩.關(guān)于管道鋼的應(yīng)力腐蝕開裂問題［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，1999，（5）：12-13.

［2］AMEND W E，QUICKEL G T，Bruce W A，et al.Hydrogen assisted cracking failures of girth welds in oil and gas pipelines［C］.Calgary:9th International Pipeline Conference，2012：IPC 2012-90043.

［3］BATTE A D，F(xiàn)essler R R，Marr J E，et al.A new joint-industry project addressing the integrity management of SCC in gas transmission pipelines［J］.Journal of Pipeline Engineering，2012，（11）：93-95.

［4］ZHAO Y，SONG M.Failure analysis of a natural gas pipeline［J］.Engineering Failure Analysis，2016，63:61-71.

［5］ Statistical Summary-Pipeline Occurrences 2014［R］.Transportation Safety Board of Canada Catalogue No.TU1-11EPDF，2015.

［6］FANG B Y，Atrens A，Wang J Q，et al.Review of stress corrosion cracking of pipeline steels in"low"and"high"pH solutions［J］.Journal of Materials Science，2003，38（1）：127-132.

［7］JEGLIC D F.Analysis of ruptures and trends on major Canadian pipeline systems［J］.American Society of Mechanical Engineers，2004:2655-2663.

［8］門長峰，帥健.輸送管道應(yīng)力腐蝕開裂和氫致開裂［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（11）：133-135.

［9］ AMEND B.Early generation pipeline girth welding practices and their implications for integrity management of North American pipelines［C］.Calgary：8th International Pipeline Conference，2010：IPC 2010-31294.

［10］王富祥，玄文博，陳健，等.基于漏磁內(nèi)檢測的管道環(huán)焊縫缺陷識別與判定［J］.油氣儲運，2017，36（2）：161-170.

［11］ WANG T，JEFF S，YANG H，et al.In-line Inspection and Assessment for Pipeline Girth Weld Defects［R］.Pipeline Research Council International CatalogNo.PR-469-143708-R03，2015.

Case studies of pipeline cracking related failures

LEI Zhengqiang，WANG Fuxiang，CHEN Jian，WANG Ting，ZHENG Honglong
（National Engineering Laboratory of Transportation Safety of Oil&Gas Pipeline，PetroChina Pipeline R&D Center，Langfang Hebei 065000，China）

Cracking is one of the common failure modes in pipelines and it may be the most dangerous since fracture can occur instantaneously without advance warning.Case studies of pipeline cracking related failures in North America and China are performed to review the typical cases of pipeline cracking.Then all the typical cases are classified regarding their causes,also major risks of pipeline cracking and management experiences are summarized,with the purpose of giving a guide for the risk management of pipeline cracking in China.

oil&gas pipeline；crack；case of failure；integrity

TE88

A

1673-5285（2017）10-0009-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.003

2017－09-24

中國石油天然氣集團公司科研項目“油氣管道裂紋風(fēng)險識別與檢測評價技術(shù)前期研究”，項目編號：2016B-3107-0502；中國石油天然氣集團公司科研項目“油氣管道輸送實（試）驗新方法和新技術(shù)開發(fā)”，項目編號：2015D-5008-39（GF）。

雷錚強，男（1984-），工程師，2013年博士畢業(yè)于中國科學(xué)院力學(xué)研究所力學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道檢測與評價技術(shù)的研究工作，郵箱：leizhengqiang@yeah.net。