張強1 戴聯雙2

1.國家管網集團科學技術研究總院；2.國家管網集團公司

1  事故概述

2020年2月22日晚上7:00左右，位于美國密西西比州亞祖縣433號公路附近，一條二氧化碳管道在公路穿越處發生環焊縫斷裂事故，二氧化碳泄漏量估計在31405桶，采用ALOHA計算結果顯示，二氧化碳羽流擴散了30～40公里（圖 1）。事故未造成人員死亡，但有45人住院，200余人被疏散。

圖 1 管道泄漏現場

事故管道建于2007年，全長177 km，管徑24in（609 mm），壁厚13.7 mm，管材為X80，設計壓力14.89 MPa，事故運行壓力為9.67 MPa，二氧化碳處于超臨界態，主要用于陸上油井的強化采油（EOR）。

2  分析與測試

事后開展了事故調查，調查結果顯示事故的直接原因為當地持續降雨引發公路邊坡下陷側滑，土壤運動引起的軸向應力過載導致管道在環焊縫處發生斷裂。企業對地質災害風險識別、管理不到位，低估了二氧化碳的潛在影響區域，未及時向當地應急管理部門備案等因素，造成了事故后果的進一步擴大。

（1）環焊縫失效分析。失效分析結果表明，環焊縫力學和化學測試結果符合規范要求，不存在明顯的制造缺陷或腐蝕缺陷，失效并不是由焊接質量問題引起。失效環焊縫存在低匹配問題，失效主要由于軸向應力過載引起，但失效環焊縫同時表現出韌性和脆性斷裂特征。調查認為，可能是由于二氧化碳泄漏后泄漏口處的溫度降低，達到了材料從韌性到脆性的轉變溫度。

（2）宏觀分析。管道外表面檢查發現，失效環焊縫水平方向斷開約8英寸（20.32 cm），上下之間有輕微錯位。失效處防腐層發生了損壞，可能是由于管道輸送的二氧化碳處于超臨界狀態，破裂發生后泄漏口處溫度驟降形成了干冰的積聚和流動，影響了管道防腐層的附著力，剩余管段的管道防腐層狀況良好，未觀察到外部腐蝕。對管道內表面檢查顯示，管道中沒有積聚固體或液體，未有點蝕或腐蝕跡象。

環焊縫斷裂表面平坦，通常180度角，受影響區域未發現明顯減薄。斷裂路徑在不同位置橫跨或穿過焊縫。管道橢圓度及壁厚符合API 5L的要求，對內外表面進行了磁粉檢測，未發現裂紋缺陷（圖 2）。

圖 2 斷裂的環焊縫和管道內部

（3）微觀形貌分析。采用線切割在斷口處取樣，并經清洗后進行微觀形貌觀察。失效環焊縫選擇了5個區域M1～M5（1:35、3:55、8:35、10:24、11:37）取樣，上游相鄰完好環焊縫選擇了1個區域MU1（12:24）取樣進行對比分析。

缺陷檢查。斷裂面由各光滑區域和粗糙表面組成，整個斷裂面的厚度各不相同。沒有證據表明存在制造缺陷。由于斷裂表面沒有人字紋，因此無法確定失效產生過程的確切位置（圖 3）。

圖 3 缺陷檢查（樣品M2）

斷口形貌和金相分析。失效焊縫和相鄰完好焊縫取樣，斷口形貌和金相分析如表 1所示。同時，通過掃描電子顯微鏡（SEM）沒有發現預先存在缺陷或疲勞的跡象，并觀察到了與韌性斷裂相關的凹坑及與脆性斷裂相關的平滑裂面的特征。

表 1 不同樣品的斷口形貌分析

（4）硬度測試。對所有六個金相橫截面進行了硬度測試，未發現異常高硬度的區域。失效環焊縫的硬度顯示出變化性，這可能與失效期間持續的冷外力有關。結果表明，與管體相比，焊縫金屬的硬度更低，焊縫存在低匹配的問題。相鄰完好環焊縫的軸向拉伸試驗表明，其失效與實際斷裂相似，進一步說明了在施加軸向應力的情況下，焊縫處的硬度較低，是過載失效的首選位置（圖 4）。

圖 4 失效環焊縫樣品M4上不同點的硬度水平

（5）機械性能與化學成分測試。管材和焊縫的拉伸試驗表明平均屈服強度和極限抗拉強度滿足API 5L X80M PSL 2管線在施工時的要求。夏比沖擊功測試結果表明，沖擊值均超過API 5L X80M PSL 2管線在施工時規定的最小值的規定值。從提取的環焊縫樣品的測試結果表明，85%的脆性轉變溫度（FATT）為59.9°F時，其值是可接受的。化學分析結果表明，管材和焊縫符合API 5L級X80M PSL 2管線管道的成分要求。

3  事故啟示

（1）二氧化碳擴散模型低估了可能受到泄漏影響的潛在區域。2011年使用該模型沿管道路由生成了緩沖區，制定了公眾宣傳計劃。但事后發現，受影響村莊未納入公眾宣傳計劃和當地應急影響計劃。

（2）涉事企業沒有將管道有關信息向當地應急管理部門備案。應急處置人員在破裂發生約40分鐘后才聯系了管道企業，影響了對相關情況的了解和及時開展應急響應。

（3）國內企業應建立完善二氧化碳管道相關維護與運行規范。二氧化碳與油氣存在明顯不同的物理特性，二氧化碳管道具有新的安全隱患。目前國內外尚未明確完整性管理規范是否適用于二氧化碳管道。我們應汲取事故教訓盡快開展這方面的工作。

（4）進一步提升應對二氧化碳泄漏的應急處置能力。二氧化碳管道泄漏的響應與其他類型的管道泄漏響應有很大不同，其密度約為空氣的1.5倍。泄漏后可能會靠近地面并聚集在狹窄的空間中，例如下水道和雨水渠等低洼地段，無味、無色且不可燃。接觸過量二氧化碳會導致頭痛、頭暈、昏迷、窒息、失去知覺，甚至死亡。應急搶險部門要增加相關科目，搶險人員要做好個人防護。

編譯自：《Failure Investigation Report - Pipeline Rupture/ Natural Force Damage》

作者簡介：張強，1986年生，高級工程師，注冊安全工程師、二級安全評價師、管道檢驗員，主要從事管道風險評價和完整性相關的研究與應用工作。先后參與制修訂行業、企業標準5項，獲得國家石油天然氣管網集團科技進步獎、中國職業安全健康協會科學技術獎、河北省石油學會科技進步獎等獎項。聯系方式：0316-2072640，zhangqiang14@pipechina.com.cn。