长输油气管道裂纹失效案例调研

雷铮强，王富祥，陈 健，王 婷，郑洪龙

（中国石油管道科技研究中心/油气管道输送安全国家工程实验室，河北廊坊 065000）

长输油气管道裂纹失效案例调研

雷铮强，王富祥，陈 健，王 婷，郑洪龙

（中国石油管道科技研究中心/油气管道输送安全国家工程实验室，河北廊坊 065000）

裂纹是管道的一种严重缺陷，可导致管道的突然开裂失效。通过对美国和加拿大管道裂纹失效案例调研，对比分析了北美地区国家及国内油气管道裂纹失效情况。结合典型失效案例从管道裂纹类型、失效原因等角度梳理了管道裂纹失效的主要风险类型、管控经验及相关法规标准，为国内油气管道裂纹失效的风险分析和相关决策支持提供参考。关键词：油气管道；裂纹；失效案例；完整性

1 管道裂纹失效案例及分类

从公开的文献数据看，北美国家关于长输油气管道裂纹失效的相关报道较多[1-3]，国内仅有一篇关于管道应力腐蚀开裂（SCC）的报道[4]。因此本文首先对加拿大运输安全局（TSB）及美国管道运输及危化品安全管理部（PHMSA）官方网站公布的管道失效事故进行了调查，失效案例整理分析结果（见表1）。表1汇总了近20年来有较详细失效分析报告的31起管道裂纹失效案例，其中加拿大10起、美国15起及中国6起。加拿大及美国管道失效的平均服役年限是44年，且SCC相关失效案例较多。国内管道以新建管道的环焊缝焊接裂纹失效为主，北美国家也发生焊缝相关的裂纹失效，其中数起与ERW直焊缝焊接裂纹有关。这些失效案例中，国内外管道主要的裂纹失效类型存在明显差异，这可能与不同年代的制管工艺、实际服役年限及管道管理水平等因素有关。

这31起失效案例中，服役环境因素导致的失效为20起，占65%，包括SCC失效18起、氢致开裂（HIC）失效1起和疲劳裂纹失效1起；施工因素导致的失效为11起，占35%，包括焊接裂纹失效10起，机械损伤底部裂纹失效1起。由此可见，SCC和焊接裂纹是最主要的管道裂纹失效风险。

2 典型失效案例经验总结

2.1 管道裂纹失效分类

由于美国及加拿大管道裂纹失效占全部管道失效事故的比例非常低，且大部分管道裂纹失效属于SCC类型，因此相关文献报道中关于SCC的统计数据较多，而关于HIC、焊接裂纹、疲劳裂纹等统计数据较少。加拿大TSB将“腐蚀/环境致使开裂”作为失效统计的一个门类[5]，统计资料显示1985-1995年间加拿大CEPA会员公司管道共发生48起爆裂事故，其中由SCC引起的事故为8起，占17%[6]。美国PHMSA将“环境致开裂”进行分类统计，1985-2015年间美国共发生52起环境致开裂失效（主要是SCC），分别占输气和输油管道失效的1.3%和0.4%。对于焊接裂纹缺陷，加拿大没有进行分类统计，美国将材料、焊接、设备失效归并统计，其中焊接裂纹缺陷引起失效比例未知。

结合上述31起国内外管道裂纹失效案例及管理现状，本文按照油气管道裂纹产生的原因将其分为两种类型，分别是：服役环境因素导致和施工因素导致（见图1），服役环境因素导致管道裂纹包括SCC、HIC及疲劳裂纹，施工因素导致的管道裂纹包括焊接裂纹缺陷和机械损伤底部裂纹。需要指出的是，这里所说的疲劳裂纹是指狭义上的应力循环导致的疲劳开裂。广义上来说，管道SCC和HIC的发生与材料、应力、时间及腐蚀环境等因素的相互作用有关，也可以归为疲劳裂纹失效范畴。

图1 油气管道裂纹失效案例分类

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。据报道，1984-2003年间加拿大管道失效的三个最主要原因从大到小依次是管道外腐蚀、SCC及第三方破坏[7]；美国油气管道也同样面临SCC风险，1965年人们在美国的一条输气管道上发现了第一起SCC失效，为高pH SCC失效。最初，人们认为SCC失效事故仅在美国沿海的黏土环境中的输气管道发生，后来越来越多的案例表明SCC也可以在其他不同土壤类型中发生，1985年人们在加拿大发现首例近中性pH SCC[8]失效。

管道SCC失效已经成为北美地区管道失效的主要威胁之一。为解决高后果区内输气管道SCC失效风险，2006年加拿大及美国成立联合研究项目（JIP-1）对北美地区在役管道SCC失效进行了调研，并于2012年发布了相关研究结果[3]。JIP-1调研对象包括1965年至2010年所有输气管道近中性pH SCC和高pH SCC失效案例，不同年份SCC发生频次统计结果（见表2）。

表2 美国及加拿大在役输气管道SCC失效统计[3]

表2中共统计了过去50年北美地区发生的85起管道SCC失效事故，这些事故的经验总结显示管道发生高pH SCC和近中性pH SCC失效与较高应力、较长服役年限及非FBE涂层类型有关（见表3）。SCC失效案例的进一步统计分析结果参见文献[3]和文献[6]。基于以上管道SCC失效案例经验积累，加拿大、美国也逐渐形成SCC的推荐做法和标准。早在1997年，加拿大能源管道协会（CEPA）就发布了第一版SCC推荐做法，2007年发布了第二版。2004年，NEB发布了6项提高公众安全的措施：（1）对所有管道实行SCC管控；（2）改变管道的设计；（3）持续研究；（4）建立 SCC 失效数据库；（5）改善应急响应措施；（6）持续信息共享。这6条举措有助于管道运营管理者对管道SCC实施持续监控。

表3 加拿大及美国管道SCC失效案例经验总结[3]

直到2002年，美国发布了ASME B31.8S《输气管道完整性管理》，引用了联邦政府规章第49条内容，为管道SCC提供了指导。ASME B31.8S给出了管道SCC的风险评价过程、检测要点和开挖检测流程等。2003年，美国PHMSA部门的管道安全办公室（OPS）发布了油气管道SCC风险公告，建议在油气管道完整性管理计划中考虑SCC风险。2004年，美国腐蚀工程学会（NACE）发布了第一版应力腐蚀直接评估方法（SCCDA），于2015年发布修订版NACE 0204-2015。NACE 0204-2015综合了ASME B31.8S和CEPA标准，给出了管道SCC的直接评估方法，代表了目前管道SCC管控的先进做法。2014年API和美国输油管道协会（AOPL）意识到发布裂纹缺陷指南的必要性，成立管道完整性工作组开始起草并于2016年发布了API RP 1176-2016《Recommended practice for assessment and management of cracking in pipelines》标准。API RP 1176-2016标准引用了ASME B31.8S和NACE 0204-2015标准并推荐管道SCCDA方法，除此之外该标准还对油气管道裂纹管控的一般原则和方法、管道主要裂纹类型、裂纹缺陷评价、裂纹管控措施、修复等内容进行了全面规定。

2.3 焊接裂纹失效

管道焊接裂纹缺陷可能出现在螺旋焊缝、直焊缝以及环焊缝中。其中管道直焊缝和螺旋焊缝在出厂前经过严格无损检测，焊接质量可控，经出厂验收合格的管道直焊缝和螺旋焊缝一般不会产生焊接裂纹。从失效案例情况看，管道焊接裂纹缺陷主要出现于现场施工的环焊缝中。由于残余应力和装配应力存在，管道焊接施工过程中可能出现热裂纹、冷裂纹、未熔合及热处理裂纹等焊接裂纹缺陷。环焊缝焊接裂纹可出现在焊缝或母材中，对管道安全服役构成极大威胁。

国内和国外都发生过管道环焊缝失效案例。统计数据表明[9]，1993-1997年间加拿大油气管道环焊缝失效占全部管道失效案例的比例为5.5%，1984-2004年间美国天然气管道环焊缝失效比例为2.1%，这些案例中与焊接裂纹相关的失效比例情况未知。2011年以来，中国石油共发生8起新建管道的环焊缝失效，其中4起与未熔合等焊接裂纹缺陷有关[10]，西二线彭家湾穿越段管道环焊缝未熔合缺陷失效（见图2）。相关失效案例的经验分析表明，大多数管道环焊缝失效不仅与焊接缺陷有关，还与较高的管道附加轴向应力有关，引起管道轴向附加应力的因素有管道周边土体移动、温度变化等。

图2 西二线彭家湾穿越段管道环焊缝失效

管道焊接施工和管段竣工验收阶段进行超声、射线及水压试验，可以发现大部分焊接裂纹缺陷，但仍然存在一些处于临界尺寸以下的焊接裂纹缺陷不能被检测出。由于余高的影响，环焊缝处的裂纹缺陷检测仍然是内检测技术的难点。现有的管道裂纹内检测技术如超声裂纹内检测及电磁超声裂纹内检测技术主要适用于管体及直焊缝的裂纹缺陷检测，还难以对环焊缝、螺旋焊缝处的裂纹缺陷进行有效检测。通过漏磁内检测信号分析可识别部分环焊缝未熔合、未焊透等类裂纹缺陷[10]，但对于细小的焊接裂纹仍无法识别。2015年国际管道研究协会（PRCI）立项开展环焊缝异常的内检测牵拉试验研究，以探讨常用的漏磁及超声内检测技术对于环焊缝类裂纹缺陷检测识别的适用性[11]。总体上，目前国内外尚无有效的管道焊接裂纹缺陷内检测识别方法和标准。

2.4 其他类型管道裂纹失效

管道HIC是由于氢原子进入金属内部富集在硫化物夹杂周围，造成沿材料轧制方向出现台阶状裂纹。HIC由氢原子引发，常发生在含湿气H2S环境、含MnS夹杂物的钢和温度25℃、pH值小于4的条件下。含H2S等酸性油气和高强度钢管容易发生HIC[8]。1994年2月15日，加拿大Foothills公司X70天然气管道发生开裂，失效分析发现裂纹起始于管道内壁孔隙，HIC是孔隙产生的主要原因。此次HIC失效被认为主要与含硫天然气有关，随后加拿大运输安全局对类似工况的输气管道采取了输送工艺的整改措施。

管道机械损伤通常是机械设备、挖掘机或其他土木工程器械意外接触管道所致，包括建造时的意外损伤和第三方破坏损伤等。严重的管道机械损伤可直接导致管体裂纹，也可能在随后的管道运行压力波动下萌生疲劳裂纹。针对第三方破坏的光纤预警技术可及时发现相关的管道机械损伤。

疲劳裂纹容易在管道结构的应力集中部位产生，如环焊缝、弯管、支管、凹陷等位置的局部不连续处，局部不连续包括：（1）焊缝的咬边、错边、未焊满、余高不足等；（2）机械损伤的沟槽状划伤；（3）发生凹陷变形管段的划伤等局部金属损失等。

3 结论

本文调研了北美地区及国内长输管道裂纹失效的典型案例，总结分析了管道裂纹失效的两大因素：服役环境因素导致和施工因素导致，分别以SCC和焊接裂纹缺陷为主。梳理了加拿大及美国对管道SCC管控的相关经验和标准法规发展现状，为下一步国内油气管道裂纹失效的风险分析和相关决策支持提供参考。

［1］杨祖佩.关于管道钢的应力腐蚀开裂问题［J］.管道技术与设备，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，Fessler 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］门长峰，帅健.输送管道应力腐蚀开裂和氢致开裂［J］.天然气工业，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，陈健，等.基于漏磁内检测的管道环焊缝缺陷识别与判定［J］.油气储运，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

中国石油天然气集团公司科研项目“油气管道裂纹风险识别与检测评价技术前期研究”，项目编号：2016B-3107-0502；中国石油天然气集团公司科研项目“油气管道输送实（试）验新方法和新技术开发”，项目编号：2015D-5008-39（GF）。

雷铮强，男（1984-），工程师，2013年博士毕业于中国科学院力学研究所力学专业，现主要从事管道检测与评价技术的研究工作，邮箱：leizhengqiang@yeah.net。