地下管道常見風(fēng)險(xiǎn)及控制方法

文/張梅

隨著城市的地下管線敷設(shè)越來越多，使用年限越來越長(zhǎng)，管道泄漏爆燃事故風(fēng)險(xiǎn)不斷凸顯。本文通過分析近年來幾起地下管道事故，探討了地下管網(wǎng)的失效模式和風(fēng)險(xiǎn)，介紹了埋地管道主要檢測(cè)技術(shù)，并針對(duì)地下管道中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，提出了地下管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)控制和風(fēng)險(xiǎn)管理的若干建議。

隨著城市化的推進(jìn)，各個(gè)城市的地下管線鋪設(shè)越來越多，目前我國(guó)大部分埋地管道均己服役20 多年，隨輸送介質(zhì)及外部工況環(huán)境的日益惡化，泄漏事故不斷見諸于報(bào)道。

作為一種特殊的承壓設(shè)備，管道輸送廣泛應(yīng)用于石油、石化、化工、電力行業(yè)及城市燃?xì)夤峁こ讨?。壓力管道用于輸送氣體或液體的管狀設(shè)備，其輸送介質(zhì)既包括最高工作壓力大于或等于0.1 MPa 的氣體、液化氣體、蒸汽介質(zhì)，也包括可燃、易爆、有毒、有腐蝕性的液體介質(zhì)，還包括最高工作溫度高于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體介質(zhì)。管道安全管理對(duì)象，還包括其所用的材料、安全附件、安全保護(hù)裝置和與安全保護(hù)裝置有關(guān)的設(shè)施。

為了保障埋地管道以及城市地下管網(wǎng)運(yùn)行安全，必須科學(xué)有效地開展管道探測(cè)、檢測(cè)及監(jiān)測(cè)。目前，城市管道安全完整性研究滯后于埋地管道安全需求，包括相關(guān)數(shù)據(jù)采集整合、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)控制等環(huán)節(jié)的管道全生命周期完整性管理，還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的、科學(xué)的完整體系。因此，筆者整理了地下管道的幾種常見失效形式，并對(duì)失效形式加以分析，提出了相應(yīng)的檢驗(yàn)檢測(cè)方法。

地下管網(wǎng)事故分析

在原國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局特種設(shè)備事故調(diào)查處理中心統(tǒng)計(jì)的77 起壓力管道事故（2005—2013年）中，使用環(huán)節(jié)事故59 起，維修環(huán)節(jié)事故4 起，其他環(huán)節(jié)事故15 起。從事故特征情況分析，35 起事故特征為爆炸，37 起事故特征為泄漏。筆者挑選了其中3 起案例進(jìn)行介紹。

案例1：2011 年2 月10 日，黑龍江省黑化集團(tuán)壓力管道發(fā)生爆燃事故，造成2 人輕傷，經(jīng)濟(jì)損失800萬元。事故主要原因是彎頭壁厚減薄，主要由于介質(zhì)的沖刷腐蝕，導(dǎo)致彎頭厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)厚度，無法承受正常運(yùn)行壓力，產(chǎn)生破裂，煤氣在破口處與靜電火花接觸，引起爆炸燃燒，導(dǎo)致事故的發(fā)生。

調(diào)壓站管道入地，管道在做好3PE防腐層后，要進(jìn)行火花掃描，保證防腐層完好

案例2：2010 年8 月27 日，江西省貴溪華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰救細(xì)夤艿腊l(fā)生泄漏爆燃事故，事故造成2人死亡，2 人受傷。事故的直接原因是該段天然氣管道主體材料存在嚴(yán)重質(zhì)量問題，天然氣管道在低壓狀況下發(fā)生裂縫，并快速擴(kuò)展造成天然氣大量泄漏，最終爆炸燃燒。

案例3：2009 年3 月15 日，上海金聯(lián)熱力供應(yīng)有限公司熱力管道發(fā)生水壓實(shí)驗(yàn)事故，造成1 人輕傷。事故直接原因是盲板瓶蓋形式選擇與厚度計(jì)算錯(cuò)誤，造成實(shí)驗(yàn)室變形突起，加之焊接質(zhì)量低劣，焊縫中存在大量焊接缺陷，最終焊縫破裂，導(dǎo)致200 m 長(zhǎng)管道移位。

以上3 起事故的失效形式分別是爆炸、斷裂、變形。要在使用過程中避免管道失效，需要充分研究地下管網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)，并采用適用的檢測(cè)手段。管道事故的發(fā)生，有技術(shù)方面的原因，也有管理方面的原因，控制地下管道常見事故及風(fēng)險(xiǎn)的方法，也應(yīng)該從技術(shù)和管理兩個(gè)角度著手，下面將就這幾個(gè)方面展開討論。

地下管網(wǎng)常見失效形式

通常情況下，地下管網(wǎng)的失效形式包括爆炸、斷裂、泄漏、過量變形、表面損傷、材料裂化和性能退化等，失效原因可分為韌性失效、脆性失效、疲勞失效、腐蝕失效和蠕變失效。

爆炸是一種特殊的失效形式，是由于管道內(nèi)介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)變化，引起了壓力超過管道材料力學(xué)性能，能量和介質(zhì)迅速釋放造成的事故。

韌性失效，是由于管道承受的壓力超過材料的屈服極限，管道材料發(fā)生屈服或變形，當(dāng)壓力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生斷裂。韌性失效發(fā)生的原因多是由于設(shè)計(jì)安裝錯(cuò)誤，造成管道的壓力高于設(shè)計(jì)壓力，且沒有必要的減壓措施。

脆性失效，是指管道在正常的壓力范圍之內(nèi)，在沒有發(fā)生明顯的外觀塑性變形的情況下，突然發(fā)生的破裂。破裂位置往往在管道內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)幾何形狀應(yīng)力集中部位。脆性失效的原因一般是存在的設(shè)計(jì)制造缺陷，如加工、焊接和熱處理工藝不當(dāng)，造成局部受力過于集中超過設(shè)計(jì)值。特殊情況下，比如低溫環(huán)境也會(huì)使材料韌性降低或材料脆性改變，導(dǎo)致破裂產(chǎn)生。

疲勞失效，都是由于在工作環(huán)境中頻繁的周期性變化的外部應(yīng)力作用，管道材料受到交變應(yīng)力的作用，經(jīng)過長(zhǎng)期的積累導(dǎo)致破裂。同脆性失效類似，疲勞失效發(fā)生的位置往往也存在管道內(nèi)部缺陷，比如存在原始缺陷裂紋的焊縫，或結(jié)構(gòu)幾何形狀應(yīng)力集中部位，失效原因一般也是存在的設(shè)計(jì)制造缺陷，如加工、焊接和熱處理工藝不當(dāng)，導(dǎo)致局部受力過于集中。

腐蝕失效，是指管道內(nèi)部輸送的腐蝕介質(zhì)和外部土壤等環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)作用作用于管道材料，導(dǎo)致管道壁減薄或管道組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，性能降低。比如運(yùn)輸酸堿性腐蝕液體的管道，容易受到腐蝕作用。

蠕變失效，多發(fā)生于高溫下的工作環(huán)境，盡管其應(yīng)力低于材料的屈服極限，但應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，溫度和應(yīng)力綜合作用，管道材料發(fā)生明顯的塑性變形，變形量的大小取決于材料的塑性，溫度界限范圍受材料特性影響，如碳素鋼或普通低合金鋼蠕變溫度界限在350 ～400 ℃之間。

針對(duì)以上使用過程中的失效問題，無論是使用單位還是檢驗(yàn)單位，都應(yīng)該更加重視可能的失效機(jī)理形成的各種風(fēng)險(xiǎn)，并制定相應(yīng)的日常維護(hù)和定期檢驗(yàn)要求。對(duì)于內(nèi)部介質(zhì)和外部環(huán)境比較突出的場(chǎng)合，應(yīng)該重視腐蝕失效；對(duì)于運(yùn)行中經(jīng)常承受交變的壓力、溫度和振動(dòng)等的場(chǎng)合，要重視疲勞失效和蠕變失效發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于發(fā)生過韌性失效和脆性失效的類似場(chǎng)合，從設(shè)計(jì)安裝到加工工藝，甚至環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，都應(yīng)慎重。

地下管網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)研究

在用埋地管道檢測(cè)技術(shù)，是管道完整性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。根據(jù)其特點(diǎn)，分為檢測(cè)儀器放在管道內(nèi)部的內(nèi)檢測(cè)技術(shù)和儀器在管道外部的外檢測(cè)技術(shù)，外檢測(cè)技術(shù)又分為開挖檢測(cè)和不開挖檢測(cè)技術(shù)。目前常用的檢測(cè)技術(shù)有以下3 類。

超聲、磁粉和滲透檢測(cè)。管道開挖后使用最多的是超聲、磁粉和滲透檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于管道的表面裂紋，一般采用磁粉和滲透檢測(cè)技術(shù)；如果要檢測(cè)管道的壁厚，一般采用超聲波檢測(cè)的方法；可以采用超聲波直探頭檢測(cè)管道材料中的腐蝕缺陷；對(duì)于焊縫內(nèi)部缺陷，也可以采用超聲波檢測(cè)的方法。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)。利用特定頻率的超聲波在現(xiàn)狀材料中長(zhǎng)距離傳播衰減較小的特點(diǎn)，通過發(fā)出頻率略高于聲音頻率的低頻導(dǎo)波信號(hào)，得到管壁厚薄變化的信息。該方法優(yōu)勢(shì)在于工作時(shí)無需開挖就可以開展工作，節(jié)約檢測(cè)前期工程量和時(shí)間成本。

電磁超聲技術(shù)。利用交互磁場(chǎng)中鐵磁材料產(chǎn)生的磁致伸縮現(xiàn)象，類似于傳統(tǒng)的壓電晶片，測(cè)量金屬管件中的縱波、橫波以及聚焦聲束信號(hào)，得到管道中的缺陷情況。

此外，埋地管道泄漏檢測(cè)方面，常見的檢測(cè)手段包括聲波法、紅外熱成像法、激光掃描法和可燃?xì)怏w敏感法等。聲波法速度快，成本低，適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是檢測(cè)距離短；紅外熱成相法和激光掃描法，檢出范圍大，但受影響因素多，對(duì)環(huán)境要求高；氣體敏感法適用于特定的敏感氣體。

地下管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

從事故案例可以看出，地下管網(wǎng)主要風(fēng)險(xiǎn)控制包括兩個(gè)方面，一是從技術(shù)角度，控制設(shè)備本體及相應(yīng)的安全設(shè)施部件失效引起的風(fēng)險(xiǎn)，主要通過采用合適的埋地管道檢測(cè)技術(shù)；二是通過加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管理達(dá)到埋地管道風(fēng)險(xiǎn)控制的目的，對(duì)使用單位、設(shè)計(jì)安裝單位提出具體要求。

對(duì)于使用單位，需要在使用過程中，突出重視埋地管道可能失效以及失效帶來的各種風(fēng)險(xiǎn)。具體包括，一是加強(qiáng)管道的使用管理，健全完善安全運(yùn)行規(guī)程、運(yùn)行制度，提高運(yùn)行管理水平，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，落實(shí)事故應(yīng)急措施。二是要落實(shí)特種設(shè)備使用管理規(guī)則中日常維護(hù)與定期檢查的要求，根據(jù)埋地管道的實(shí)際特點(diǎn)以及使用工況定期檢查，高度重視安全附件等項(xiàng)目的檢驗(yàn)，提高定期檢驗(yàn)的覆蓋率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，采取必要的措施。三是對(duì)于使用到期的管道，應(yīng)及時(shí)申報(bào)定期檢驗(yàn)，同時(shí)壓力管道的設(shè)計(jì)、安裝、使用、檢驗(yàn)、修理、改造、更新、報(bào)廢，必須遵照國(guó)家有關(guān)法律法規(guī)，技術(shù)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)單位應(yīng)嚴(yán)格按照法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理選用合格壓力管道元件。安裝單位必須具有相應(yīng)的安裝級(jí)別資格，配備相應(yīng)的資源，包括質(zhì)量管理體系配備，把好施工人員、施工設(shè)備、施工程序三道關(guān)。

檢驗(yàn)單位要落實(shí)檢驗(yàn)責(zé)任，嚴(yán)格按照壓力管道監(jiān)督檢驗(yàn)相關(guān)要求，認(rèn)真履責(zé)，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。在檢驗(yàn)過程中，重視安全附件的檢驗(yàn)，針對(duì)各種不同的失效種類對(duì)癥下藥，做到防患于未然。

目前，地下管網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)控制，除了使用單位加強(qiáng)自律，落實(shí)主體責(zé)任外，相關(guān)單位也需要建立完善安全規(guī)范，制定安全評(píng)價(jià)、環(huán)境應(yīng)急等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，開展長(zhǎng)期運(yùn)行、泄漏檢測(cè)、泄漏處理和應(yīng)急救援技術(shù)的研究。在此基礎(chǔ)上，發(fā)揮“物聯(lián)網(wǎng)+”等信息整合和數(shù)據(jù)挖掘優(yōu)勢(shì)，滿足政府安全監(jiān)察和企業(yè)安全管理的共同需求。