一起埋地燃氣管道焊縫開裂的原因分析及維修方案

吳曉濤

（涼山州特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所 西昌 615000）

一起埋地燃氣管道焊縫開裂的原因分析及維修方案

吳曉濤

（涼山州特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所 西昌 615000）

某埋地天然氣管道發(fā)生泄漏事故，檢查發(fā)現(xiàn)是一對接焊接接頭開裂，裂紋長50mm，開挖時整條焊縫斷裂。從管道焊接、安裝、無損檢測、管溝施工、設(shè)計使用等方面綜合分析，提出管道開裂失效的主要原因是管道安裝時施工質(zhì)量失控所致。排查整條管道，擬定兩種返修方案并比較優(yōu)劣，確定采用金屬波紋膨脹節(jié)進行返修?？偨Y(jié)經(jīng)驗，提出安裝監(jiān)檢時的一些建議。

埋地天然氣管道 焊接接頭 斷裂 原因 處理措施

1 事故經(jīng)過

2015年12月X日，某地某燃氣公司一條為用戶鍋爐供氣的埋地天然氣管道發(fā)生泄漏事故：管道巡檢員在巡查管道時嗅到某地段有很濃的天然氣氣味，繼而發(fā)現(xiàn)地面有氣體逸出，并伴“嘶嘶”的氣流聲，用可燃氣體報警儀檢測時讀數(shù)爆表，管道發(fā)生泄漏。遂緊急停氣，疏散人群，設(shè)置警戒線。事后對泄漏點進行開挖，發(fā)現(xiàn)是燃氣管道一對接焊接接頭開裂，裂紋長約50mm，繼續(xù)開挖中受外力震動整條管道從該焊縫處斷裂，現(xiàn)場測量斷口間距20mm，錯口24 mm（見圖1）。因發(fā)現(xiàn)及時，處置得當(dāng)，本次事故未造成人員傷亡，但直接和間接經(jīng)濟損失仍達二十余萬元，屬一般事故。

2 事故背景

2.1 管道基本資料

事故管道的基本資料見表1。

圖1 斷裂的焊接接頭

表1 管道基本資料

2.2 管道敷設(shè)環(huán)境

管道埋設(shè)在公路人行道邊的綠化帶下，填埋深度約1．2m，其中有300米管道沿一條溝渠的混凝土河堤外側(cè)敷設(shè)，管道與河堤相距100～120mm，管道敷設(shè)時當(dāng)?shù)卣谶M行市政綠化施工，管溝的泥土回填與恢復(fù)是園林公司所為。

2.3 管道泄漏部位

圖2 角鋼支架距焊縫10mm（后面是水泥河堤）

圖3 地基下陷

發(fā)生斷裂的焊接接頭位于河堤段，在距斷口10mm處有一角鋼支架（見圖2），事故地段存在較明顯的地基下陷（見圖3），下陷長度約21m，管道在該區(qū)域內(nèi)有2個環(huán)向?qū)咏宇^。下陷地段較大的下沉點有兩個，用自動安平水準(zhǔn)儀測量最大下沉量分別是94mm和90mm。圖2斷裂處河堤經(jīng)測量無明顯下沉，土壤沉降因現(xiàn)場已開挖無法測量。另外，非支架側(cè)管子管底懸空3．5m。

3 事故原因分析

經(jīng)現(xiàn)場勘查取證、詢問相關(guān)責(zé)任人員并查閱檔案資料，筆者認(rèn)為本次事故主要是施工過程質(zhì)量失控所致，具體有以下幾點：

3.1 管道焊接

按GB 50236—98[1]附錄C要求壁厚4．5mm的管道單面對接焊應(yīng)開V型坡口，安裝單位的焊接作業(yè)指導(dǎo)書規(guī)定也是V型坡口鎢極氬弧焊打底＋J422焊條電弧焊蓋面，但根據(jù)斷口情況可以判定焊工未按焊接工藝文件的要求進行焊接作業(yè)，焊接時未開坡口、未采用氬弧焊打底，導(dǎo)致整圈焊縫未焊透，焊接接頭熔深嚴(yán)重不足，從斷口處去除焊縫余高后粗略測量熔深只有2．0～2．5mm（未焊透達事故管段母材厚度的50%），造成管道有效承載面積下降，粗略計算承載面積減少了49．3% （不計焊縫余高，假設(shè)熔合線在管壁正中），造成管道強度大大下降（見圖4、圖5、圖6）。

3.2 管道安裝

固定支架的位置問題：GB 50236—98的6．1．2條規(guī)定管子焊縫的設(shè)置應(yīng)避開應(yīng)力集中區(qū)，管子對接焊縫與支、吊架邊緣之間的距離不應(yīng)小于50 mm，GB 50235—2010[2]的6．0．2條、GB 50184—2011[3]的6．0．5條也有相同的規(guī)定，而開裂的對接焊縫距固定支架僅10mm，形成很大的剪切應(yīng)力。（此外現(xiàn)場測量事故斷口間距和錯口較大，不排除安裝過程中存在強力組對。）

圖4 斷裂的焊接接頭

圖5 斷裂的焊接接頭

圖6 斷裂焊縫局部放大

3.3 無損檢測

設(shè)計文件規(guī)定該管道環(huán)焊縫射線檢測比例不小于10%，具體探傷部位是安裝單位自己確定的，關(guān)于局部無損檢測檢驗位置的確定，幾個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不一致：現(xiàn)行GB 50235、GB 50236無規(guī)定，而GB 50235—97[4]第7．4．2條是“由施工單位和建設(shè)單位的質(zhì)檢人員共同確定”；GB 50236—98第11．3．7條是“由質(zhì)檢人員指定”；GB 50683—2011[5]第8．3．1之2．5）是“由焊接檢查人員確定”；只有GB/T 20801—2006[6]第6．3．3條是“應(yīng)由建設(shè)單位或檢驗機構(gòu)的檢驗人員選擇或批準(zhǔn)”。查閱竣工資料，該管道探傷比例足夠，所拍的焊接接頭也無超標(biāo)缺陷，但破裂的這道環(huán)焊縫未經(jīng)檢測，焊接缺陷未發(fā)現(xiàn)。對此，TSG D0001—2009[7]第八十六條有規(guī)定，未進行無損檢測的管道焊接接頭，安裝單位也應(yīng)當(dāng)對其質(zhì)量負責(zé)，但往往還是有安裝單位對要檢測的部位嚴(yán)格施焊，其它部位則心存僥幸，偷工減料。

3.4 管溝施工

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)管道附近土層有沉降，GB 50028—2006[8]第6．3．6條要求地下燃氣管道的基礎(chǔ)宜為原土層，凡可能引起管道不均勻沉降的地段，其基礎(chǔ)應(yīng)進行處理；而CJJ 33—2005[9]第2．3和2．4節(jié)規(guī)定溝底必須整平壓實，在管溝回填時要先回填管底局部懸空部位，再回填管溝兩側(cè)，回填土要分層壓實并檢查等。實際埋設(shè)時管溝回填工作為市政園林公司所為，對此，管道安裝、監(jiān)理、建設(shè)和監(jiān)檢單位均無有效監(jiān)控。管溝底部回填土未壓實，造成部分地段基礎(chǔ)下沉，斷裂管道一側(cè)與溝底無接觸，處于懸空狀態(tài)，由于管道自身以及其上方1．2m的土層重量，為事故管段焊接接頭破裂提供了附加外部載荷。

斷裂的焊接接頭受力分析[10-11]：受介質(zhì)壓力、重力（管道自身重力和土壤重力）、支架支撐反力以及焊接應(yīng)力等共同作用，形成嚴(yán)重的彎矩引起的剪切力（M、M′）和拉力（F、F′），該焊接接頭受力簡圖見圖7。

圖7 焊接接頭受力示意

3.5 其它因素

其它方面，管道材質(zhì)（查閱設(shè)計資料并對管道進行光譜分析驗證，管道材質(zhì)符合設(shè)計要求）、管道運行工況（查閱記錄無超溫、超壓現(xiàn)象）、H2S應(yīng)力腐蝕開裂環(huán)境（查閱燃氣成分分析報告，H2S含量無超標(biāo)）等都與本次管道開裂事故無直接關(guān)系。

綜上所述，造成本次管道焊縫破裂燃氣外泄事故的原因主要有兩點：首先，管道安裝過程中安裝單位焊接質(zhì)量不合格是焊接接頭破裂的主要原因[12]（內(nèi)因）。開裂焊縫存在整圈的未焊透缺陷（達管壁厚度的50%），有效承載面積僅為全焊透接頭的一半，未焊透加上強力組對造成焊接接頭存在很大的內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)力集中嚴(yán)重；其次，嚴(yán)重的外在附加載荷是造成接頭焊縫破裂的外在條件[13]（外因）。管道支吊架安裝未嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求進行，管道支架距焊縫過近，使焊接接頭剛好處于剪力的作用范圍內(nèi)；此外管溝回填不規(guī)范，使管道受到土壤和管道自身重量的重壓，加重了外在附加載荷。最終焊接接頭在焊接缺陷和嚴(yán)重的附加載荷作用下造成破裂，所以管道安裝施工工程質(zhì)量嚴(yán)重失控是本次事故的根本所在。

4 返修方案選擇

方案一：采用金屬波紋補償器[14-15]，型號1．6TNY150×8F，即軸向型內(nèi)壓補償器，材質(zhì)20#，工作壓力1．6 MPa，公稱通徑150mm，8個波，法蘭連接（單層，U形波）。對需要返修的部位根據(jù)補償器和甲型平焊法蘭的尺寸割除一段管子，用角向磨光機打磨出單邊V型坡口，角度50°±5°，坡口兩側(cè)10mm范圍內(nèi)的防腐層、油、漆、銹、毛刺等清除干凈，檢查沒有裂紋、夾層后兩端焊上法蘭，采用φ2．5mm的H08Mn2SiA鎢極氣體焊打底，φ3．2mm的J422焊條電弧焊焊蓋面，法蘭焊接接頭經(jīng)外觀檢查合格后再與波紋補償器連接。為防止失穩(wěn)，補償器兩端設(shè)置導(dǎo)向支架（見圖8），返修處設(shè)檢查井以便日后維護檢查，施工單位必須具有GB1或GC2以上資質(zhì)。該方案可以補償軸向位移、橫向位移并有一定的補償角位移的能力，能有效補償管道位移、安裝偏差和基礎(chǔ)沉降、吸收振動。

方案二：采用與原管道相同的GB/T 8163標(biāo)準(zhǔn)20鋼管更換基礎(chǔ)下沉部位的管段，采用全焊透對接焊，按GB 50236[16]的要求開設(shè)坡口，最好用鎢極氣體保護焊打底，保證焊透，焊接后100%射線檢測，檢測標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013．2—2015，技術(shù)等級AB級，Ⅲ級合格，注意支架與對接焊縫間距應(yīng)大于50mm。該方案因為焊接接頭距水泥河提太近實施難度較大，而且從補償管道位移、基礎(chǔ)沉降等方面來講不如第一種方案好。

施工單位采用了第一種方案，此外返修前應(yīng)仔細排查管道，特別是沉降區(qū)域，用埋地管道泄漏檢測儀進行全面檢測，對可疑部位和地基下陷路段的埋地管道要求挖出焊縫進行宏觀檢查。必要時進行磁粉檢測、射線或超聲波檢測，有問題的焊接接頭應(yīng)全部處理。返修結(jié)果如圖8、圖9所示，能夠滿足設(shè)計和使用要求。

圖8 采用金屬波紋管膨脹節(jié)返修

圖9 金屬波紋管膨脹節(jié)返修效果

返修后按原設(shè)計文件規(guī)定進行0．975MPa的氣壓試驗，合格后進行24h嚴(yán)密性試驗再回填。

5 結(jié)束語

由于存在管道安裝過程中焊接質(zhì)量嚴(yán)重不合格（整圈未焊透）的內(nèi)因，加上嚴(yán)重的外在附加載荷的外因造成了此次埋地燃氣管道焊縫開裂事故。要防止此類事故的發(fā)生有以下幾點建議：

1）安裝單位的質(zhì)量保證體系完全失控，應(yīng)對其嚴(yán)肅處理，如降低其安裝級別、予以通報、經(jīng)濟賠償?shù)?；對監(jiān)理單位、建設(shè)單位以及監(jiān)檢單位的相關(guān)人員進行批評教育。

2）關(guān)于局部無損檢測檢驗位置的確定，由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不一致，建議由監(jiān)檢單位根據(jù)施焊記錄和現(xiàn)場情況指定，這樣可以杜絕安裝單位的僥幸心理。

3）管道在敷設(shè)時應(yīng)在自由狀態(tài)下安裝連接，嚴(yán)禁強力組對，管子焊縫的設(shè)置應(yīng)避開應(yīng)力集中區(qū)，管子對接焊縫與支、吊架邊緣之間的距離不應(yīng)小于50 mm以消除剪切應(yīng)力。

4）按GB/T 20801和GB 50316[17]這類管道不需進行柔性計算和管道應(yīng)力分析，但根據(jù)實際情況可考慮在一些特定地點選用管道補償裝置，以改善管道的柔性（GB 50316第9．6．2條）。金屬波紋管膨脹節(jié)不失為一種好的補償裝置，它可以增加管道柔性、補償部分管道位移、安裝偏差和基礎(chǔ)沉降，還能吸收振動，此外在條件許可的地方還可采用彈簧支架。

[1] GB 50236—98 現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗收規(guī)范[S].

[2] GB 50235—2010 工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范[S].

[3] GB 50184—2011 工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[4] GB 50235—97 工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范[S].

[5] GB 50683—2011 現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[6] GB/T 20801—2006 壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道[S].

[7] TSG D0001—2009 壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道[S].

[8] GB 50028—2006 城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范[S].

[9] CJJ 33—2005 城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)范[S].

[10] 唐永進．壓力管道應(yīng)力分析[M]．第二版．北京：中國石化出版社．2010.

[11] 岳進才．壓力管道技術(shù)[M]．第二版．北京：中國石化出版社，2006.

[12] 劉展，宋應(yīng)龍．壓力管道焊接[M]．北京：學(xué)苑出版社，2002.

[13] 劉展，張鋒．壓力管道安裝[M]．北京：學(xué)苑出版社，2001.

[14] 陳小莉．管道金屬波紋補償器的選用及安裝[J]．石油化工設(shè)備技術(shù)，1999，(03)：5-7.

[15] 李強，毛民·阿斯哈爾．一起天然氣管道爆炸事故[J]．中國特種設(shè)備安全，2013，29(10)：57-58.

[16] GB 50236—2011 現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范[S].

[17] GB 50316—2000 工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范[S].

The Weld Joint Cracking Analysis and Repairing Scheme of a Buried Gas Pipeline

Wu Xiaotao
(Liangshan Special Equipment Supervision and Inspection Institute Xichang 615000)

A leakage accident of natural gas pipeline occurred in a site. After on-site investigation, it was found that there was a welding crack with the length of 50 mm in a butt weld joint of gas pipeline, and the weldingseam fractured during digging the soil. The comprehensive analysis of accident was conducted in aspect of pipeline welding, installation, NDE(non-damage examination), and therefore it was thought that the main reason of pipeline failure and cracking is due to the failure of controlling the installation quality during pipeline installation. After entire pipeline inspection, two schemes for repairing and recovering pipeline have been proposed and compared. Toward this, a repairing scheme involving adaption of metallic wavy expansion joint was utilized. After summarizing the experience, the advice related to pipeline installation and inspection has been proposed.

Buried natural gas pipeline Welding joint Cracking Reason Treatment method

X924．1

B

1673-257X（2017）03-0070-05

10．3969/j．issn．1673-257X．2017．03．014

吳曉濤(1968～)，男，本科，副所長，工程師，從事承壓類特種設(shè)備檢驗工作。

2016-07-21）