长输管道弯管清管破裂失效分析

宫少涛 刘迎来 聂向辉 王高峰 赵金兰

(中国石油集团石油管工程技术研究院石油管力学与环境行为重点实验室，陕西710077)

长输管道弯管清管破裂失效分析

宫少涛 刘迎来 聂向辉 王高峰 赵金兰

(中国石油集团石油管工程技术研究院石油管力学与环境行为重点实验室，陕西710077)

通过对某长输管线在清管过程中弯管段发生纵向开裂原因的分析，发现清管器的选型不合适，在经过弯管时与弯管外弧侧发生刮擦是导致弯管失效的根本原因。建议针对带有弯管的管线进行清管时，结合管线设计严格按照弯管的曲率半径和弯曲角度进行计算，确定清管器规格，并适当降低清管器的过盈量，缩短长度。

长输管线；弯管；清管；破裂；失效分析

清管作业是油气管道投产前后清理管腔、保障管道安全运行的重要手段，主要分为新建管道投产清管和运行管道清管。对新建管道进行清管作业，可清除管道内的毛刺、铁屑以及焊条、石块等遗留杂物，还可在用水试压后对管道进行排水、干燥等作业；对运行管道进行清管作业，可以清除管道内的积水、结蜡，提高管道所输介质品质，降低站间压耗等[1-2]。

弯管是石油天然气输送管线的重要组成部分，管线在设计施工时，考虑到后续的清管作业，避免出现清管器在弯管段造成卡堵，弯管的曲率半径有严格的标准要求。但是符合设计要求的某管线在清管过程中，清管器运行至弯管时，外弧侧发生破裂。通过对破裂弯管的外观、理化性能进行综合分析，查找了失效原因，并提出避免此类事故发生的措施。

1 事故概况

某管线在投用前的第一次清管过程中，按照操作规程，先后使用4个清管器(按照入管先后顺序编号分别为1#—4#)对管道进行清管作业。清管器规格为3CP-457B。

图1 清管压力随时间变化Figure 1 The pressure variation with time during pigging

1#清管器顺利完成首次清管作业，带有扫管钢刷的2#清管器经过弯管时卡在管道内，此时发送3#清管器，继续进行清管作业，注气持续升压(图1)，2#清管器通过，3#清管器随之由弯管外弧侧穿出，停止清管，4#清管器停在管道内。

2 宏观分析

图2为3#清管器冲破弯管的全貌。经测量弯管破裂长度约2100 mm，裂口最大宽度约750 mm。

接收到的2#清管器上用来固定钢刷和橡胶垫的钢板及螺栓变形严重，如图3所示。图4为穿出弯管的3#清管器的外形，可以看出其表面开裂，并且螺钉及芯轴严重变形，出现弯曲现象。

对破裂弯管进行解剖，内表面损伤形貌如图5所示。检查发现弯管受挤压，变形严重，壁厚减薄明显，同时有大量的刮伤及划痕，断口处最大减薄量为3.1 mm，并且减薄量由开裂处沿钢管周向逐渐减小；内壁最长划痕尺寸1000 mm×22 mm×2.3 mm，并且划痕底部不光滑，存在尖细的划痕槽；开裂沿划槽扩展(如图6)。

3 理化分析

3.1 化学分析

使用ARL 4460直读光谱仪对破裂弯管母材试样进行化学成分分析，结果表明弯管的化学成分符合工程技术规格书要求。

图2 破裂弯管形貌Figure 2 The appearance of ruptured elbow pipe

图3 2#清管器Figure 3 2# pigging instrument

图4 3#清管器Figure 4 3# pigging instrument

图6 破裂弯管裂纹尖端Figure 6 The top end of crack of ruptured elbow pipe

3.2 拉伸试验

在弯管直管段(包括管体和焊缝)、过渡区和内弧侧取拉伸试样，并依据ASTM A370要求进行拉伸试验，结果见表1。上述试样的拉伸性能结果符合工程技术规格书要求。

3.3 夏比冲击试验

在弯管直管段(包括管体和焊缝)、过渡区和内弧侧取夏比冲击试样，并依据ASTM A370要求进行试验，结果见表2。上述试样的的夏比冲击试验结果符合工程技术规格书要求。

表1 拉伸性能试验结果Table 1 The tested results of tensile property

表2 冲击试验结果Table 2 The results of impact test

表3 弯管金相检验结果Table 3 The results of metallographic examination of elbow pipe

(a)正常组织(b)变形组织

图7 弯管内壁划痕处组织形貌
Figure 7 The microstructure of scratches on the inner wall of elbow pipe

3.4 微观组织分析

在弯管各处取金相试样，进行微观组织分析，并且在一个内壁划痕处进行显微硬度测试，结果见表3。弯管的显微组织、晶粒度和夹杂物级别符合工程技术规格书的要求。通过内壁划痕处的显微硬度检测可以看出，变形部分的硬度远高于正常组织，变形层有加工硬化倾向。弯管未发生变形处和裂口附近微观组织如图7所示，可见弯管裂口处受到撕裂，显微组织变形严重。

4 综合分析

弯管直管段、内弧侧以及过渡区的理化性能试验结果均符合工程技术规格书要求。

弯管晶粒度和夹杂物等级符合工程技术规格书要求。在弯管裂口附近，内表面划伤及划痕处周围组织有变形，并可见凹坑及裂纹。弯管破裂处维氏硬度(HV0.5)比远离破裂处维氏硬度高约100HV。

通过对弯管损伤形貌和清管器损坏程度的综合分析，弯管发生破裂的过程如下：1#清管器不带有钢刷，与弯管内壁结合阻力较小，顺利通过钢管；2#清管器带有钢刷，与弯管内壁摩擦增大，如遇到异物，容易发生堵卡，导致前行受阻；3#清管器受压继续前行，在2#和3#清管器之间的压力增大，当压力大于2#清管器与弯管内壁摩擦力时，2#清管器瞬时快速前行，通过弯管，但其螺栓与弯管内壁刮擦，导致弯管外弧发生加工硬化，壁厚减薄，形成划槽。由于2#清管器已通过弯管，3#清管器前段压力骤然释放，迅速前行，冲击已被2#清管器损伤的弯管外弧侧内壁，滑槽处产生裂纹，并快速扩展，3#清管器由弯管裂口冲出。

综上所述，弯管破裂的原因如下：2#清管器因为带有钢刷，与橡胶碗相比，钢刷与钢管之间的阻力会增大，如果这两者之间夹杂异物，阻力将会进一步增加，并且会使钢刷变形，但如果清管器长度较长，会使清管器在弯管内回转不畅，导致清管器沿弯管切线方向前行，从而钢刷与弯管内壁发生严重刮擦，导致随后弯管破裂失效。

目前，为了避免清管时在弯管段出现卡堵情况，常用方式是在管线设计时对弯管的曲率半径进行严格规定，防止使用不匹配曲率半径的弯管。由于在设计时采取了相应的措施，因此管线在清管时，容易忽视由于清管器选择不当，而在弯管处造成卡堵的潜在风险。因此，针对带有弯管的管线进行清管时，建议严格按照弯管的曲率半径和弯曲角度进行计算，确定清管器规格，并适当降低过盈量，缩短长度，避免出现清管器卡堵现象。

此外，在清管过程中，随着时间推移，清管压力逐渐升高，虽然未达到管线设计压力，但却反映出清管器在管线内有异常，此种情况下，可暂停清管作业，对管道及清管器进行检查，避免发生事故。

5 结论

(1)弯管直管段、内弧侧以及过渡区的理化性能试验结果均在正常值范围内，符合工程技术规格书要求。

(2)弯管内壁受到清管器严重挤压及刮擦，导致壁厚减薄，形成划槽，并且随着清管器前进，弯管在受力最大的外弧侧起裂，随之裂纹沿划痕槽扩展，从而导致弯管开裂。

(3)建议在制定清管操作规程时，要考虑到管线中的弯管对清管过程的影响，谨慎选择清管器，并且在清管过程中密切注意压力变化情况。

(4)针对带有弯管的管线进行清管时，建议严格按照弯管的曲率半径和弯曲角度进行计算，确定清管器规格，并适当降低过盈量，缩短长度，避免出现清管器卡堵现象。

[1] 唐奕，范小霞，龚剑，等．付纳输气管道清管器运行距离和时间预测[J]．油气储运，2010，29(8):627-629．

[2] 陈欣，余国核，王茜.清管器的设计与选用[J]．清洗世界，2011，27(3):19-23．

编辑 杜青泉

Failure Analysis of Rupture on Elbow Pipe of Long Distance Pipeline During Pigging Operation

Gong Shaotao,Liu Yinglai,Nie Xianghui,Wang Gaofeng,Zhao Jinlan

By analyzing the causes for longitudinal cracks appeared on elbow pipe of a certain long distance pipeline during pigging operation,it is found that the selection of type for pigging instrument is inappropriate.The primary cause leading the failure of elbow pipe is that the pigging instrument scrapes on the external arc side of elbow pipe when it goes through.It is supposed that by combining the pipeline design,the calculation shall be performed strictly in accordance with the radius of curvature and the angel of bend.Meanwhile,the specification of pigging instrument shall be determined.The magnitude of interference of pigging instrument shall be reduced properly,and the length shall be shortened as well.

long distance pipeline; elbow pipe; pigging; rupture; failure analysis

2016—08—20

宫少涛(1980—)，男，高级工程师，从事长输管线研究工作。

TE973

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