天然气管线冲刷破损失效分析

【摘 要】某燃气公司一段埋地高压天然气输送管线某处发生严重破损，为分析失效原因，作者采用宏观形貌分析、扫描电镜分析、化学成分分析、显微组织分析、力学性能检验、Fluent模拟分析等系列方法对该失效管段进行分析。结果表明，与该天然气管近距离平行铺设的自来水供水管道破裂，导致高速水流正面与切向冲刷作用，最终导致天然气管破裂。根据分析结论，提出了预防同类事故发生的建议。

【关键词】天然气管线；水流冲刷；失效分析

【Abstract】 A section of underground high-pressure natural gas pipeline in gas company broken. Failure causes were investigated by means of visual examination， SEM observation， chemical compositions analysis， metallographic examination， mechanical properties testing and simulation with Fluent software. The results show that the water pipeline， which was laid close and parallel to the gas pipeline， broke and leaded to spewing out of high speed water flow. High speed flow had a big scouring action on the gas pipeline and finally leaded to broken of it. Prevention measures and recommendations were proposed to prevent the similar failure.

【Keywords】natural gas pipeline； scouring action； failure analysis

0 引言

某燃气公司一段高压天然气输送管线中某处发现严重破损，造成该天然气管道出现一个长为200mm宽为135mm的不规则贯穿性破口。此段高压天然气管道于2008年铺设后，一直作为备用应急管道，从未正式使用过，但是会定期做氮气保护及增压保压检验工作。在2012年7月下旬的检测过程中，发现管线系统压力显示不正常，后经现场勘查发现管段存在破口，该部位恰好位于一条自来水管上方70mm处，该部位自来水管曾经发生过爆管，爆管部位已用管箍把紧处理。据调查，事发天然气管段采用GB/T9711.2～1999 L415MB的材料，对应的是美国石油学会标准API SPEC 5L X60材料。为分析破裂原因，作者对破口处管材进行了一系列的理化检验和模拟分析。

1.理化检验分析

1.1 现场勘察分析

从现场勘察得知，该破口天然气管段和自来水供水管道（ND250）上下并行铺设，两管线外表面平行距离约70mm；此处自来水供水管曾发生破裂，后用管箍修补，管箍与天然气管外表面平行距离约25mm，如图1。

现场观察发现，天然气管破口周边3层PE防腐层脱落；破口呈现船形，边缘厚度减薄，边缘圆滑，具有严重的冲刷宏观特征 [1]。

通过比对天然气管破口周边泥土、水源、环境差异性，综合分析天然气管、自来水管各部位形貌特征，初步判断事故原因为自来水管破裂未及时发现，高速水流直接冲击、冲刷天然气管道外表面，导致天然气管发生穿孔性破坏，破口逐渐扩大，直至水管堵漏为止。

1.2 破口宏观形貌分析

对该天然气管道破口进行宏观观察发现：破口呈不规则、近椭圆形状；破口周边发生从外壁向内壁的壁厚减薄，最薄处壁厚约2～3mm；减薄形成的坡度变化范围为10°到85°，表明破口不同部位所受冲刷的角度存在差别；破口内壁可以观察到明显的气液分界线，破口内壁无明显的壁厚减薄；破口坡度陡峭处可观察到径向冲刷痕迹[2]。如图2。

宏观分析表明，破口陡峭处外壁受到了高压流体的正面冲击，冲击方向与管外表面接近垂直；在破口其它位置，流体流向与管外壁夹角逐渐减小；当天然气管出现破口后，部分高速水流冲入管内，形成了流痕与水线。

1.3 破口微观形貌分析

使用扫描电子显微镜（SEM）对破口周边外壁面进行微观观察发现，坡度平缓处外壁面具有相互平行的冲刷沟槽（图3a），属于典型的剪切冲刷痕迹；坡度陡峭处外壁面呈现蜂窝形貌[3]（图3b），其凹坑属高速流体垂直冲刷致使晶粒脱落形成的韧窝痕迹，个别凹坑沿冲刷方向有略微拉长现象。

微观分析表明，天然气管破口周边外壁面具有高速流体冲刷作用的微观形貌，其中破口平缓处受剪切冲刷左右，陡峭处受垂直冲刷作用[4]。

1.4 化学成分分析

在天然气管破口部位取试样进行化学成分分析，结果如表1。分析结果显示，破口段材料的各化学成分均符合标准指标的要求。

1.5 金相检验

在天然气管破口处制取金相试样，经磨抛腐蚀后，采用光学显微镜进行显微组织观察，如图4。

由破口段管材金相图观察可得，管材的基体为白色铁素体，在铁素体间分布着珠光体；管材的晶粒细小，排列规整，分布均匀，无偏析、渗碳等组织缺陷[5]。检验结果表明管材的金相组织正常，基体组织并未受高速水流冲刷作用影响。

1.6 力学性能检验

对破口段管材沿径向从外壁向内壁进行显微硬度测试，测试结果如表2。硬度测试结果表明，破口段管材硬度从外壁向内壁均匀分布，平均硬度为209.2HV。

对破口段管材分布制取标准拉伸样和冲击样进行拉伸和冲击试验，其测试结果如表3。测试结果表明破口管段的强度指标、塑性指标和韧性性能均满足标准要求。

2.Fluent模拟分析

为分析天然气管壁受到高速流体冲刷时流场压力分布及管壁周围流体的速度矢量分布，从视觉上更加直观地认识高速水冲刷管线的过程，根据破口管道现场环境，用Fluent软件对天然气管受到高速水冲刷进行模拟[6]。

模拟假定参数为：天然气管外径为711mm；水管爆口尺寸为长100mm，宽5mm；爆口长度方向和水管中心线平行，爆口深度方向和铅锤面成2°夹角；设定流体为水，设定水管中水的压力为0.6mPa；网格及边界条件设置如图5所示。

模拟结果如图6所示。由天然气外壁受流体作用压力分布图和冲刷流体压力分布图可以看出，正对着水管爆口的管壁所受压力最大，压力范围为0.0973mPa～0.109mPa；且天然气管外壁受流体作用冲刷严重处压力分布形态呈椭圆形，与实际破口形貌对应。由天然气管外壁表面冲刷流体速度矢量图和冲刷流体速度矢量图可以看出，正对着水管爆口的管壁受到流体冲刷的速度最大，流速范围为9.92m/s～11.9m/s，当水流冲击天然气管壁后流向突变，开始沿着管外壁周向冲刷，冲刷速度从爆口向四周逐步减小。

模拟结果表明，在破口外围，冲刷水流压力较小，流速较低，且方向呈切向，从而形成破口边缘平缓坡度；同时由于水管爆口方向和铅锤面呈一定角度的因素，最终形成该天然气管线破口特殊形貌，如图2（a）。

3. 结论及建议

依据上述现场勘察、系列试验及模拟分析可知：（1）天然气管线的材料满足相应标准指标，管材质量符合要求；（2）天然气管线破口产生的原因为，邻近天然气管线铺设的供水管道发生破裂，高速水流喷射在天然气管线表面而产生的长时间正面与切向冲刷作用。

为预防此类失效的重复发生，作者建议：（1）在规划、设计、铺设天然气高压管道时，要严格执行相关法规、标准、规范，严禁不同管道交叉和超近距离铺设；（2）加强管线的监控、巡线、检测与检验和维护，主动预防天然气管线的第三方破坏。

参考文献：

[1] 廖景娱，刘正义. 金属构件失效分析[M]. 北京：化学工业出版社，2003.

[2] 蔡峰，柳伟等. 流体喷射条件下金属材料冲刷腐蚀的研究进展[J]. 摩擦学学报，2011，31（5）：521-527.

[3] 韩顺昌.金属腐蚀显微组织图谱[M].北京：国防工业出版社，2008.11

[4] 赵会友，陈华辉，邵荷生，赵善钟等. 几种钢的腐蚀冲蚀磨损行为与机理研究[J]. 摩擦学学报，1996，16（2）：112-119.

[5] 任颂赞，张静江，陈质如等. 钢铁金相图谱[M]. 上海科学技术文献出版社，2003：29.

[6] 李进良，李承曦等. Fluent流场分析[M]. 北京：化学工业出版社，2009：9.

作者简介：肖聪，女，助教，武汉理工大学硕士，主要从事力学、画法几何的教学工作。