erw输油管道试压爆裂原因分析及安全评价.pdf

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1、2 0 0 5 年管适技术5设告2005 箜兰塑堕趔竺堂翌璺型型型型竺：兰E R W 输油管道试压爆裂原因分析及安全评价吕拴录1 ，赵新伟1 ，罗金恒1 ，高蓉1 ，石初玲2 ，夏季秋2 ，马兆中2 ( 1 中国石油天然气集团公司管材研究所，陕西西安7 1 0 0 6 5 ；2 新疆油田，新疆克拉玛依8 姗)摘要：某新建的2 7 3 1 姗6 om m ) ( 5 2E R W 输油管道在试压过程中发生了多起爆裂事故。对输油管道爆裂事故进行了深入的调查研究，对爆裂的管线管断口和裂纹进行了宏观分析和微观分析，对管线管焊缝质量和材质进行了全面试验分析。认为管线管爆裂原因主要是在电阻焊过程中工艺不当

2、，产生了未焊透缺陷和裂纹，在试压过程中管线管从这些原始的焊接缺陷位置发生了爆裂事故。采用失效评估诊断技术和M e n t e c d o 失效概率技术对试压合格的管线进行了适用性评价( F i 扛l e s s f o rs e r -、，i c e ) ，认为管线管经过压力试验后仍存在小的未焊透缺陷和裂纹，带有这些焊接缺陷的管线按设计的压力运行可能会发生爆裂事故，因此该管线应当降压运行。经过分析给出了该管线最大运行压力。关键词：管道失效；焊接缺陷；断口分析；金相分析；适用性评价中图分类号：B 9 r 7 3 6文献标识码：A文章编号：1 0 0 4 9 6 1 4 ( 2 0 0 5 ) 0

3、 4 0 0 1 9 0 3嘞c l 【A I I a l y s i s 粕dn 缸煅- f o r - 鼢V 妇觚沦娜蝴tf o rE I 唧洲e 伽P 瞬I 妇L Os h 咖h ，刁l A o n - w e i l ，L I J oJ 雠h e n 窖，G 舯瓶m 9 1 ，s 咖- l j n 孑，AJ i - 耐，M A 丑m o - 埘 ( 1 圳盯G 0 0 d sR e s e 呲h o fC l l i 眦N 撕o n a lP e 呐k 哪C 0 删，A n7 1 0 0 6 5 ，C l l i l 诅；2 ) ( i n j i 蚰gQ i lF i e l d ，

4、K e l 蹦m y i8 3 4 0 0 0 ，C l l i I m ) A l 垮咖t ：M 叫c m c ka c c i d e n 协l l a p p 朗e do n2 7 3 1 啪6 胁) ( 5 2E R w 鹏w l yb l 曲c m d e 础p i p d i md u r i r I g 锄a i r 肿鹅u r | et 皓t T l l i sp I p e r m d ead e t a i l e di r I v e s t i 昏a t i 伽t 1 1 ec r a c ka c c i d 衄【协M a c r o 矗j 虻幻乎a p h ya l

5、 l dl l l i c r 伊矗a c 幻g m yo fc r 踟k e dl i I l ep i p w e r ec 0 州l u c t e d ，舭dt h eq u a l i t ) ro ft l l ew e l d i l 培肌dt l l ep i p eb o d yw e r ei 瑚p e c t e dc o m p l e 如I y hw 鹊i I l d i c 删t l l a t 她m a i nc a u o fl i n ep i p eh i l u r 鹤砒t l l ew e l dw 鹕l a c ko f 晒o nd d t s 舡l

6、dc 姐c k s 弘D d u c e db yi 瑚小，q 眦w i 陆l 培h e a ti n I ) u tme l e c 画c 舶s i s t 锄c ew e l d s C 叩s i d f 莉【l gt l l a tt 1 1 e r ea r es 曲l a c k0 f 心o nd e f t s 肌dc m c l 【so nt l l ep i p e l 妇a R e r 矗n t 锄a lp 陀s s u mt e s t s ，af i n 地晒一f 抽一s 廿、r i c e ( m ) a s s e 蛐e n ti 8p e r f 0 H n e d

7、o fm ep i p e l 沁b yu s eo f 龃呲黜md i a g r 锄t e c h n 0 崎趾dM o n t e C a d ot e c h 1 0 科o f 雠u r ep r o b 曲m t ) r hi ss I K 岬e d F 粥t h a tt l l ep i 蛳c a nb I 咄l d 盯ad e s i 驴e d 叩e m 峨p I e 哪，锄dt l em a 】【i n l 眦叩e 枷0 n 脚I l I eo n 她p i 硫i s 畔d i c 同K e yw 硼s ：p i p ( d i n e 窳l u r e ；w e | d i

8、 f 培d e f 酏t s ；如e t 0 静a p h y ；m 酏蝴0 邑z 砷h ；矗协鹄s _ l b 卜s e r v i c e 鹄嗍1 t1现场情况表1管道爆裂压力及裂纹和焊缝形貌某2 7 3 1m m 6 0m m ) ( 5 2E R w 输油管道远离城市和乡村，总长度为1 4 0k m 按设计要求，管道埋地深度为1 5m ，工作压力为6 4 胁，投产前经过8 胁试压合格。但在投产前对管道试压过程中，发生了多起爆管事故，造成了巨大的经济损失。管线管爆裂事故情况见图l 和表l 。图l 焊缝裂口尖端横截面形貌从图1 可知，爆裂管线管裂口全在直焊缝上，裂口呈直线形状，裂口处焊缝很

9、不规则。从表1 可知，管线 管爆裂时的压力并不高，其中爆裂压力在1 0 5 3 0 眦) a 的8 起，爆裂压力在5 0 5 7 4 3M P a 的4 起。从爆裂管线管外观形貌和爆裂压力初步判断，管线管爆裂事故是由于爆缝质量差引起的。收稿日期：2 0 0 4 1 2 1 3收修改稿日期：2 0 0 5 0 3 一0 7分析了管线管爆裂原因，并对该管道进行了安 全评价。失效分析的样品为第8 次爆裂的管线管( 编万方数据2 0P i p e h n e h I l i q u e 锄dE q u i p m e mA u g 2 0 0 5为8 号) ，安全评价的样品从同批未用的管线管中抽取。2

10、 爆裂管线管试验分析2 1 化学成分分析经分析，管线管成分符合A P IS P E C5 L 1 J 规定。2 2 外径、壁厚测量经测量，8 号爆裂管线管裂口处最大外径较其他部位的外径约增大了5 眦n ，裂口最大处的壁厚没有明显的减薄，壁厚仍然符合标准要求。这进一步说明该批管线管焊缝质量差，在受到较低内压时就发生了爆裂。 2 3 探伤检查经探伤检查，8 号试样焊缝处的裂纹更长。2 4 残余应力测定用切环法对残余应力进行测定，得到焊缝附近的残余应力为1 1 8 1 3 1M P a 2 5 机械性能试验在爆裂管线管管体和焊缝上沿横向取宽度为3 8 1m m ，标距为5 0m m 的板状拉伸试样和

11、5I I l I n 1 0 l I I l 5 5m m 的C V N 冲击试样进行机械性能试验，并沿纵向取宽度为1 0 0r m 的压扁试样。试验结果见表2 、表3 。表2 拉伸和冲击试验结果拉伸试验冲击试验 号蒜耋篓竺长备注篇言襄率 ，、艘& ，、骚a，1，从表2 可知，拉伸性能符合标准要求，但拉伸试样焊缝上有原始裂纹。焊缝冲击韧性特别差，在o 焊缝的冲击功只有订货要求的3 0 8 。焊缝冲击断口全为脆性断口，有些冲击断口上发现有原始裂纹。从表3 可知，压扁试样的薄弱位置在焊缝，压扁试 验结果不符合A P IS P E c5 L C 标准要求。2 6 金相分析金相分析结果表明：( 1 )

12、 在焊缝和“焊趾”位置存在原始裂纹，裂纹起源于外表面，如图2 所示。表3 压扁及焊缝延性试验结果试样编号压扁至如下外径时裂纹情况锄( 焊缝位置)1 8 2 11 5 7 99 1 O备注( 2 ) 焊缝熔合亮线不是沿管线管的径向呈直线分布，而是与径向有一定夹定夹角且呈不规则曲线形状。内、外壁焊缝亮线宽度差别较大。( 3 ) 焊接热影响区与焊缝不对称，呈不规则形状。 ( 4 ) 焊缝熔合亮线与径向夹角越大，焊接热影响区越不规则的管线管其裂口越大。图2 焊趾位置裂纹形貌2 7 断口微观分析 断口原始裂纹区呈黑色，微观形貌为枝晶露头( 图3 ) 和灰斑形貌( 图4 ) ，裂纹扩展区为解理、准解理和局

13、部灰斑形貌。断口微观分析结果表明，爆裂的管线管在试压之 前就存在穿透或近于穿透壁厚的原始裂纹。原始裂纹区有明显可见的熔融状枝晶露头形貌和“灰斑”形貌，断口扩展区为解理+ 准解理和“灰斑”形貌，整个万方数据第4 期吕拴录等：E R w 输油管道试压爆裂原因分析及安全评价2 1断口呈脆性形貌。图3 原始裂纹区熔融状枝晶露头形貌图4 “灰斑”形貌 3 分析讨论3 1 爆裂原因分析分析结果表明，在试压过程中管线管爆裂是由 于其本身直焊缝上有穿透壁厚的裂纹和未穿透壁厚的裂纹存在，且焊缝冲击韧性太差所致。当管道在试压过程受到很低的内压时，焊缝上的原始裂纹就会张开且迅速扩展，并发生爆裂泄漏事故。管线管 直焊

14、缝上的原始裂纹实质是未融合焊接缺陷和焊接冷裂纹。焊缝冲击韧性是衡量管线管焊缝性能的关键指标之一。焊缝冲击功越高，抗裂纹萌生和扩展的能力越高；反之，裂纹越容易萌生和扩展。爆裂管线管焊缝冲击功很低，这必然降低裂纹萌生和扩展的能力。“灰斑”缺陷是直焊缝电阻焊有害缺陷之一，带有“灰斑”缺陷的焊缝韧性必然很差。管线管焊缝冲击韧性很差且存在原始裂纹和“灰斑”缺陷，这完全是焊接工艺不当所致。3 2 该批管线管质量要求及质量控制问题A P IS P E c5 L 规定，电阻焊管焊缝应采用超声波或电磁检验方法进行表面或内部缺陷的全长检验，不允许有超标缺陷存在。爆裂管线管上有很长的穿透原始裂纹和未穿透的原始裂纹。

15、这说明工厂实际探伤的准确性和覆盖率存在问题。 埘S P E C5 L 明确规定，每根管线管出厂前应在1 3 5M P a 下进行静水压试验。该管道在8M P a 试压就发生了多次爆裂事故，管线管爆裂压力范围为1 0 5 7 1M P a ，远低于静水压试验压力。由此推断工厂对爆裂的管线管未按标准要求进行水压试验。 根据管道服役条件，订货条件明确要求，在0 时焊缝冲击能功为1 9 5J ( 5m m 1 0m m 5 5 舢) 。实际爆裂管线管在0 的焊缝冲击功仅为订货要求的3 0 8 。 4 适用性评价失效分析表明，爆裂管线管焊缝上均存在严重的焊接缺陷。该管道虽然最终通过了8M P a 的压力

16、试验，但从失效分析结果推断，该管道直焊缝上肯定存 在有在8M P a 试压未爆裂的缺陷。因此应当进行适用性评价，以便确定该管道最终的工作压力。以评价参数概率分布模型为基础，在给定目标可信度的情况下，采用变换压力和逐步逼近的方法，应用失效评估诊断图和M e n t e C a d o 失效概率技术对管道允许的最大工作压力进行计算。 4 1 失效评估诊断图失效评估诊断图包含材料从脆性断裂到塑性失稳破坏的失效特性，见图5 。目前认为，采用失效评估 诊断图对于具有平面缺陷的管道结构完整性进行分析是最可靠的评估方法。【3 JL r r图5 失效评估诊断图引起管道爆裂的主要缺陷是直焊缝上未融合的焊接缺陷(

17、 相当于裂纹) 和焊接裂纹。对直焊缝含有裂纹的管道采用失效评估诊断图进行评估。4 2M 蚰t e Q l r l o 失效概率技术M 朗t e c a r l 0 失效概率技术又称为抽样法，统计试验法，或随意模拟法。依据给定的内压计算k 和酶( 见图5 ) 。如果坐标点( k ，酶) 位于评价曲线的外边，这表示1 次失效。假定完成次模拟计算( 是无限的) 后有M 次失效，那么，M 接近于失效概率。4 3 适用性评价结果A P IS P E C5 7 9 【2 J 推荐的3 个目标可靠度值分别为2 3 l o ，2 3 1 0 一3 和2 3 1 0 - 。也就是说存在3个可接受的失效概率。由于

18、该管道为输油管道且远离城市和乡村，可以不考虑高风险的失效概率和中等风险的失效概率，因此可以选取2 3 1 0 - 2 的失效概率进行适用性评价。利用失效评估诊断图和M e n t e C d o 技术，通过变化内压和1 00 0 0 次模拟计算，最终确定的管道最大工作压力为4M P a ，依据适用性评价结 果，该管道在4 胁已安全运行7a 5 结束语( 1 ) 管道试压爆裂是由于爆裂钢管( 下转第3 2 页)万方数据3 2P i p e l i n e h n i q u ea n dE q I l i p 呦tA u g 2 0 0 5热器是专为西气东输设计的，实现了大型化。它适用于管径为1

19、0 1 6 n m 的各种壁厚的高强度钢管，是目前国内应用于管道施工最大的电磁感应加热器。3 7 中频电磁感应加热器无断点开合环行中频电磁感应加热器一般设计为有断点开合式，在加热器打开时，加热器的绕组也必须断开。目前无断点加热器的框架设计基本上采用了有断点开合式加热器的框架型式。两种加热器的根本区别在于：无断点加热器的绕组的设计在开合处始终不连接，在加热器打开时，加热器的开合不影响加热器绕组的完整。有断点开合式电磁感应加热器操作较为烦琐，每加热一道口，必须先把加热器开关闭合( 如断开点接触不良，断开点发热易出故障) ，加热后，等加热器绕组的电流安全消失后再把加热器断开( 为防止绕组电感放电伤人

20、，不允许带电打开加热器) 。每道管口加热都要重复上述操作。无断点开合式电磁感应加热器，只要将加热器放到管口处，加热器就会自动闭合，开始加热，并在到达需要的温度后自动断电，停电后就可以把加热器移动。此加热器无断开点，减少了维修量，简化了操作，提高了安全可靠性。3 8 中频电磁感应加热器的高效节能磁场不集中，加热范围过大，超出管口预热范围，是以往各种电磁感应加热器热能利用率低的主要原因。而无断点开合式电磁感应加热器，密集绕组的导线，集中了加热器的磁场，把加热范围合理集中，充分利用电能，使热能利用率显著高于以往任何一种电磁感应加热器。在结构设计上，在满足管口预热工艺要求前提下，把加热器的间隙设计到最

21、小。这是无断点开合式电磁感应加热器高效的另一原因，也是减少K G P F A 中频电源容量、体积、质量的原因之一。4 设备的技术参数4 1 中频电源的技术参数( 额定值)输入电压为3 8 0V ，输入电流为1 0 0A ，功率为5 0k w ；输出电压为3 8 0V ，输出电流为8 0 0A ，频率为2 5 4 0k H z 4 2 电磁感应加热器电气技术参数额定电压为3 8 0V ，额定电流为8 0 0A ，适用频率为1 0 4 0k 也；暂载率为5 ：1 ，允许管体温度为1 8 0 5 应用实例中频电磁感应加热应用于管口预热，在国外已经广泛使用。在国内管道施工建设中，中频发电机组感应加热技

22、术也先后在多条管线中被采用。可控硅大口径高强度钢管管口中频加热设备已成功应用于西气东输管口焊接前预热。推广应用情况如下：2 0 0 1 年1 0 月，推广4 台成套设备，胜利油田油建一公司用于西气东输2 7 标段施工。现场反馈加热均匀，加热时间短，升温1 2 0 ，时间在2n l i r I 以内。2 0 0 2 年2 月，推广1 台感应加热器，胜利油田油建一公司用于西气东输2 7 标段施工。2 0 0 2 年3 月，推广2 台感应加热器，长庆油田油建公司用于西气东输靖边段现场施工。2 0 0 2 年3 月，本公司配套5 台大口径高强度钢管管口中频预热设备用于西气东输新疆段施工。2 0 0 3

23、 年7 月，本公司配套4 台垂8 1 3n 】l l l 感应加热器用于利比亚工程施工。 参考文献 1 李恩琪，殷纪星，张武城铸造用感应电炉北京：机械工业出版社，1 9 9 6 2 潘天明现代感应加热装置北京：冶金工业出版社，1 9 9 6 3 高伯俭K G P F 中频电源使用说明西安中威电器有限公司，2 0 0 0 ( 上接第2 1 页) 直焊缝上存在未熔合焊接缺陷和焊接裂纹，且焊缝韧性差所致。( 2 ) 管线管直焊缝质量差是由于生产工艺不正常且在线检测不严引起的。( 3 ) 依据适用性评价结果，该管道在4M P a 的压力下已安全运行7a 参考文献 1 A P Is P E c5 L 管

24、线管规范，2 0 0 4 2 A P Is P E c5 7 9 R 朋e I l d e dP I a c t i c ef o rf i 协e s s _ f 醯S e 柙i c e ，2 0 0 0 3 罗金恒，白真权，覃海涛，等注汽管道承压能力评估和实物试验验证管道技术与设备。2 0 0 5 ( 1 ) ：3 1 3 2 本刊文后参考文献格式要求 专著 序号 作者题名版本出版地：出版者，出版年：页码期刊 序号 作者题名刊名，出版年，卷号( 期号) ：页码 序号 作者题名刊名，出版年( 期号) ：页码学位论文 序号 作者题名： 学位论文 保存地：保存者，年份当参考文献的作者少于3 人时，请全部标注；当作者多于3 人时，请标注3 人，加“等”或“以以” 作者名字为姓前名后，如J c 蛳t I I 写为S 姗JC ，腑E i I l 咖i n 写为E I N S I E I NA 万方数据