天然气放空管线断裂失效原因分析.pdf

失 效 分 析 与 寿 命 评 估 石 油 化 工 腐 蚀 与 防 护 C o r ro s io n P r o te c ti o n in P e tr o c h e m ic a l I n d u s tr y 2 0 1 2， 2 9 1 5 8 天然气放 空管线 断裂失效原 因分析 季华建， 王 希， 周 扬， 文佳卉 中国石油独 山子石化公 司 ， 新疆 独 山子 8 3 3 6 0 0 摘要 埋地天然气放空管线是是集输体 系重要的组成部分， 借助宏观检查、 材质分析、 金相分 析和力学性能测试等手段 ， 对发生断裂的天然气埋放空线的宏观断口形貌、 显微组织、 力学性能等 进行了研究， 寻找管线发生断裂的原因， 为以后类似管线的生产安装提供参考。结果表明， 该管线 在埋地过程中， 管线受到 了外力作用， 使管线在最大变形处产生了很大的应力， 最终发生脆性断 裂。这就要求我们在埋地管线施工中， 除了严格检查材料本身的质量依据有关标准， 施工阶段合 理保障管线不受外界因素的破坏， 对每一个施工环节都要保证施工质量， 确保管线能承压， 不堵 塞， 符合设计的全部要求， 才不至于出现一系列安全事故和质量事故的发生。 关键词 显微组 织力学性 能脆 性断裂 中图分类号 T E 9 8 8 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7一 O 1 5 X 2 0 1 2 0 l 一 0 0 5 8 0 3 发送筒埋地 的天然气放 空管线 在 2 0 0 9年 6 月进行下管和填埋 ， 管深 1 ． 3 m左右 ， 埋设环境温 度约为 2 5～3 0℃。同年 1 0月对其进行水 压试 验 ， 水压试验 的最高压力 为 1 2 MP a ， 水压试验过 程 中管线无 异常现象。2 0 1 0年 3月管道所处地 域和地温均在 0℃左右。 2 0 1 0年 3月 2 3日下午精河分输压气站阀门 连锁系统安装完毕进行调试。因调试需要 ， 需对 清管器接收筒和清管器发送筒进行充压。因时间 关系， 当日未对清管器接收筒 和清管器发送筒 放 空。2 0 1 0年 3月 2 4日操作人员首先点燃放空火 炬 ， 之后全开 1 2 0 5号 阀， 缓开 1 2 0 6号阀， 控制气 体流量 ， 对清管器接收筒进行放 空操作 。至 1 1 0 0 ， 清管器接收筒放空操作结束 ， 站场未见异常 ， 操作人员开始对清管器发送筒进行放空作业。操 作人员全开 1 3 0 5号阀， 缓开 1 3 0 6号阀， 控制气体 流量 ， 开始对清管器发送筒进行放空 ， 此时筒 内压 力为 7 ． 5 6 MP a 。待 1 3 0 6 阀开度达到 1 0 ％， 筒 内 压力降至 7 MP a 时 ， 突然听到一声 闷响， 距清管器 发送筒西侧 1 0 m处 ， 大量沙土和碎石喷出地 面， 高度达到 1 m。操作人员紧急关 闭 1 3 0 5号、 1 3 0 6 号 ， 中止放空 。经检查发现天然气放空管线断裂 。 管线 的材质为 L 2 4 5 N B， 规格 为 中8 9 m m X 6 m m。设计 、 安装资料不详 。由于用户仅送来 已搁 置一个月左右的断裂管段， 现场也已经恢复完好， 所以此次我单位仅对所送试样进行分析 。 1 检验情况 对断裂埋地天然气放空管线进行宏观检查 、 壁厚测试 、 硬度测定 、 材质分析 、 金相分析 、 力学性 能等检测项 目， 检测结果如下 1 ． 1 宏观 检查 管线外表面涂覆 防腐层 ， 断 口略倾斜于管道 轴线 ， 断 口处管子受到外力作用挤压变形 ， 两侧附 近变形区域达 2 0 0 mm左右 ， 管线 直线度最大处 达到 3 0 mm， 见 图 1 。断裂部位外 部有多处严重 图 1 管线断裂处 Fi g ． 1 Pi p e l i n e fra c t u r e 收稿 日期 2 0 1 1 0 91 9 ； 修改稿收到 日期 2 0 1 21 21 9 。 作者简介 季华建， 1 9 8 5一 ， 就业于中国石油天然气独山 子石化公司研究院， 从事压力容器压力管道检验工作 。 E m a i l y j y _ j h j p e t r o c h i n a ． c o m ． c n 。 第 1 期 季华建等． 天然气放空管线断裂失效原因分析 5 9 的机械损伤 ， 表面损伤深度为 0 ． 5 mm。管线断 口 直径发生压扁变形 ， 最大直径达到 9 8 ． 9 4 m m， 最 小直径达到 6 1 ． 9 4 m m， 管线断口外表面防腐层脱 落 ， 管线 内、 外表面均呈显红褐色的锈蚀。 对断裂断 口进行观察 ， 断口放置时间较长 ， 断 口被红褐色铁锈覆盖 。断 口平齐 ， 无金属光泽 ， 无 明显撕裂痕迹 ， 断 口人字纹指 向非常明显 ， 人字纹 指 向为起裂源 ， 起裂塑性 区较小 ， 断 口特征表明断 裂脆性断裂 。 1 ． 2 壁 厚测 试 。 管线正常部位壁厚值为 6 ． 1 8～6 ． 3 4 mm， 变 形部位壁厚值为 5 ． 9 8～6 ． 2 5 m m， 管线壁厚未发 生 明显减薄。 1 ． 3材质分析 对断管试样的正常处和变形处进行化学成分 测定 ， 根据 G B ／ T 4 3 3 6 - 2 0 0 2标 准进行 试验 ， 管线 变形处和正常处的成分一致 ， 表明没有成分偏析 ， 材料的成分符合要求。实测数据如表 1 。 表 1 化 学成分 T a b l e 1 Ch e mi c a l c o mp o s i t i o n 。 ％ 1 ． 4力学性能试验 截取送样正常部位和变形处 的管材试样进行 力学性能试验 ， 对管线正常部位及变形处分别进 行硬度测试 ， 硬度分布均匀 ， 未发现异常。分别在 正常部位和变形部位的管壁上沿管体长度方 向取 样 ， 按照 G B ／ T 2 2 8 2 0 0 2进行拉伸试验 ， 拉伸试验 结果见表 2 。拉伸试验结果符合用户提供的产 品 质量证 明书的要求。 表 2 材料 力学-陛能 Ta bl e 1 Me c h a n i c a l pr o pe r t i e s 1 ． 5 金 相分 析 ] 取管体材料进行金相检测， 切取小样后经过 磨制、 抛光 、 浸蚀后观察材料显微组织特征。由管 外壁向 内约 2 ／ 3壁厚表现为明显带状组织 ， 见 图 2 ， 带状组织评级为 3 - 4级 ， 符合要求 。 2 检查试验结果分析及结论 2 ． 1 检查试验结果分析 各项检查及试 验结果表 明， 该段 管线断 口处 母材 的壁厚 、 硬度 、 力学性能、 化学成分 、 金相组织 分析结 果均符 合相 关标 准要求 ， 表 明管线 材质 L 2 4 5 N B合格。 图 2 金相 带状 组织 5 0 0 F i g ． 2 Mi c r o s t r u c t u r e b a n d e d s t r u c t u r e 2 ． 2 管线损伤和变形情况 对该管线安装和使用情况以及宏观检查结果 进行分析 ， 该段管线在埋设时受到外力作用 ， 造成 外表面机械损伤 ， 同时造成管道压扁变形 。管线 表面受到机械损伤 ， 使得管线表面造成表面缺 口 效应 ， 增加了应力集 中系数。管线严重变形后 ， 材 料局部硬化 ， 变形 区管材为脆性状态 ， 断 口分析表 明断 口呈现脆断特征 。在 3月份地温状态时， 管 材冲击功基本为零。 2 ． 3 管线受力分析 该管道 于 2 0 0 9年 6月埋地 ， 2 0 0 9年 当时环 境温度在 2 5～3 0℃左右。该管线埋深为 1 ． 3 m 左右 ， 在冻 土层范围 内， 2 0 1 0年 3月管道 的温 度 为0℃左右 。埋地管道受土壤拘束而不能 自由收 缩 ， 故管道回填前后 温度变化产生 了较大的温差 拉伸轴向应力 ， 经计算 ， 管子埋地和环境温差引起 的轴 向应力达到 5 0 MP a 左右。 依据管道安装 、 使用等状况 发送筒埋地天然 气放空管线在 2 0 0 9年 6月进行下管和填埋 ， 同年 l O月对其进行水压试验， 水压试验的最高压力为 1 2 MP a ， 水压试验过程 中管线无异常现象。2 0 1 0 年 3月 2 4日操作人员全开 1 3 0 5号 阀， 缓开 1 3 0 6 号阀， 控制气体流量 ， 开始对清管器发送筒进行放 6 O 石油化工腐蚀与防护 第 2 9卷 空 ， 此时筒 内压力为 7 ． 5 6 MP a 。待 1 3 0 6号 阀开 度达到 1 0 ％ ， 发送筒内压力降至 7 MP a时管道断 裂。这是 由于水压试 验时压力上升较慢 ， 不会对 管子造成冲击。而即使缓慢开启 1 3 0 6 号阀 开度 达到 1 0 ％放 空管线断裂 ， 气体仍 能以较快 的速 度从发送筒进入该天然气放空管线， 使放空管线 承受较高的内压 ， 同时内压力上升较快 ， 对管线材 料受力具有一定的冲击作用。内压轴向应力达到 5 0 MP a 左右。 此外 ， 依据管子变形状况 ， 管线还承受变形引 起的拉伸应力。 估算断裂处管线受到的温差拉伸应力 、 变形 拉伸应力 、 管道 内压冲击应力 等可达到 1 6 0 MP a 左右 ， 已达到了材料的许用应力 ， 管子变形部位处 于断裂临界状态 。 2 ． 4结论 该段管线在埋设时受到外力作用 ， 造成 管道 压扁变形和外表面机械损伤 ， 使材料局部硬化 ， 在 当时温度状况下呈现脆性状态 ， 在温差拉伸轴 向 应力 、 变形拉伸应力 、 管道内压冲击应力的共同作 用下 ， 在变形管段表面的机械损伤处断裂。 3 建议采取措施 1 业主在材料 到货时应当严格按有关标准 和要求进行检查和验收。 2 工程监督部门业主应加强类似施工作业 的管理和检查工作 ， 针对管沟 回填 、 下管等过程应 进行重点检查并予以详细记录， 发现问题应及时 处 理 。 3 施工部门在管线 回填时一定要严格按照 相关的要求进行施工作业 。 4 管道 日常运行 中， 阀 门开启和关 闭要尽 可能缓慢。 5 日常管理 中， 要 注意及时排空管线 内部 的积液。 参考文献 [ 1 ] 国质 检 锅 2 0 0 3 - 1 0 8， 在 用 工业 管 道 定 期 检验 规 程 [ s ] ． 2 0 0 3 ， 6 ． [ 2] GB ／ T I 3 2 9 9 - 1 9 9 1 ， 钢的显微组织评定方法 [ s ] ． [ 3 ] 李岩， 屈祖玉， 罗德贵， 等 ． 埋地管线腐蚀失效案例库设 计与研究[ J ] ．腐蚀与防护 ， 2 0 0 4， 1 2 ． 编辑王菁辉 Ca u s e An a l y s i s o f Fr a c t u r e F a i l u r e o f Na t u r a l Ga s Ve n t Li n e J ／ H u a j i a n ，Wa n g X i ，Z h o u ，W e n J i a h u i P e t r o C h i n a D u s h a n z i P e t r o c h e mi c a l C o m p a n y ， Du s h a n z i ， X i n j i a n g 8 3 3 6 0 0 Ab s t r a c t B u rie d n a t u r a l g a s v e n t l i n e i s a n i mp o r t a n t p a r t o f g a t h e ri n g p i p e l i n e s y s t e m．W i t h t h e h e l p o f ma c r o e x a mi n a t i o n， ma t e ri al t e s t i n g ，me t all o g r a p h i c a n aly s i s a n d me c h an i c al p e r f o r man c e t e s t i n g，t h e f r a c t u r e mo r p h o l o g y，t h e mi c r o s t r u c t u r e a n d me c h a n i c al p r o p e rti e s ，e t c a r e s t u d i e d a n d c a u s e o f f r a c t u r e o f f r a c t u r e d b u ri e d NG v e n t l i n e s a r e f o u n d o u t ，wh i c h p r o v i d e s a g o o d r e f e r e n c e f o r t h e s a f e o p e r a t i o n o f s i mi l a r p i p e l i n e s ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t ，i n b u r y i n g t h e p i p e l i n e ，a g r e a t s t r e s s w a s p rod u c e d a t t h e h i g h l y d e f o rm e d s e c t i o n o f t h e p i p e l i n e d u e t o t h e e x t e r n al f o r c e，r e s u l t i n g i n b rit t l e f r a c t u r e ．T h e r e f o r e，i n t h e c o n s t r u c t i o n o f b u ri e d p i p e l i n e s ，t h e p i p e l i n e s s h o u l d b e p r o p e r l y p r o t e c t e d f r o m t h e d a ma g e s o f e x t e r n a lc t o m i n a d d i t i o n t o t h e s t ric t i n s p e c t i o n o f p i p e l i n e q u ali t y i n a c c o r d a n c e wi t h a p p l i c a b l e s t a n d a r d s b e f o r e t h e c o n s t ruc t i o n ． T h e p i p e l i n e s h o u l d b e p rot e c t e d f r o m e e mal d a ma g e s ． T h e c o n s t r u c t i o n q u a l i t y mu s t b e c o n t r o l l e d i n e a c h c o n s t ru c t i o n s t a g e t o g u ara n t e e t h a t t h e p i p e l i n e C an s u s t a i n t h e r e q u i r e d p r e s s u r e， t h e r e i s n o p l u g g i n g a n d d e s i g n r e q u i r e me n t s a r e me t ．Th e s e w i l l ma k e i t p o s s i b l e t h a t t h e r e wi l l b e n o o c c u i T e fl c e o f s afe t y a n d q u ali t yr e l a t e d a c c i d e n t s ． Ke y wo r d s mi c ros t r u c t u r e ，me c h a n i c al p r o p e r t i e s ，b ri t t l e f r a c t u r e