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          事故案例

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          一起氫致開裂導致的天然氣管道破裂事故

          來源:《管道保護》2023年第1期 作者:張強 戴聯雙 楊玉鋒 時間:2023-3-3 閱讀:

          張強1 戴聯雙2 楊玉鋒1

          1.國家管網集團研究總院;2.國家管網集團公司




          1  事故概述

          2019年8月1日,Enbridge公司一條管徑762 mm(30英寸)、壁厚9.5 mm天然氣管道在美國肯塔基州丹維爾附近發生破裂爆炸事故。事故造成1人死亡、6人受傷、75人疏散,泄漏天然氣約297萬立方米。一段10.12 m(33.2英尺)長的管子被拋在距爆炸點西南約146.6 m(481英尺)處。引起的大火燒毀附近5棟房屋,另有14棟受損(最遠距離335.28 m/1100英尺);一條鐵路遭火災破壞。事故現場形成一個長16.76 m(55英尺)、寬10.67 m(35英尺)、深3.66 m(12英尺)的爆炸坑。如圖 1、圖 2、圖 3所示。


          圖 1 事故管道位置示意圖

          圖 2 事故形成爆炸坑現場

          圖 3 拋射出的一段管子

          事發地10號、15號和25號管線三管并行,其中事故管道為處于中間位置的15號線。事故管道材質為X52,制造年份1957年,投產年份1958年,煤焦油瓷漆外防腐層,強制電流陰極保護,MAOP(最大允許操作壓力)6.45 MPa,運行壓力(破裂時)6.38 MPa,溫度(破裂時)46.1℃。

          2  事故原因分析

          美國國家運輸安全委員會(NTSB,National Transportation Safety Board)調查顯示,管道斷裂位置存在硬點(制造缺陷),因氫致開裂導致管內天然氣大量泄漏,與空氣混合形成爆炸性混合物發生燃燒爆炸,是事故發生的直接原因。管道硬點缺陷、防腐層老化破損和陰極過保護等因素共同為氫致開裂創造了條件。同時,Enbridge公司未按照行業推薦指南對硬點缺陷進行評估和管理,對2014年啟動的反輸風險認識不足,增加了管道外部腐蝕和氫氣析出,低估了各因素交互影響風險。

          NTSB材料實驗室對拋出的管段斷裂面進行了分析,結果表明斷裂起源于管道外表面(圖 4)。黃色線區域表示斷裂起始區及其下方延伸的平坦區域,紋理粗糙。裂紋沿箭頭所示大致方向擴展。斷裂起始位置未顯示鑿痕或凹痕跡象,也不是源自焊縫。外表面斷裂起始區長度約為20.32 mm(0.8英寸),剪切唇從兩端延伸。內表面斷裂面包含一個小的剪切唇,表明斷裂并非從管道內表面開始。平坦區域南北兩端外側的斷裂區域位于斜面上,并包含V字形圖案,與過應力分離一致。對斷裂面進行電子顯微鏡掃描檢查顯示,斷裂起源呈現晶間斷裂特征,與硬點缺陷處的氫致開裂一致。


          圖 4 管道斷裂位置

          3  發現的問題

          (1)潛在影響半徑計算公式對事故危害后果估計不足。按現有公式計算,事故管道潛在影響半徑(PIR)為192.9 m(633英尺),現場唯一死亡人員位于管道破裂位置以南195 m(640英尺)處,受損房屋距離破裂位置最遠為335 m(1100英尺),事故現場危害后果半徑大于計算值。NTSB分析,其主要原因為潛在影響半徑計算模型基于以下假設,包括破裂后受限氣流的流量方程和流量系數,假設泄漏速率為破裂發生一段時間后而不是泄漏峰值時速率;假設氣體溫度為15℃(59°F)而斷裂時的管道內溫度要高得多;熱輻射閾值強度取15.8 kw/m2(5000 Btu/hr/ft2)并不是完全不受影響的范圍;假設火焰方向為垂直向上而事故現場火焰主要朝向為東,在該方向熱影響區更大。如圖 5所示。


          圖 5 潛在影響半徑與實際危害后果對比

          NTSB認為,當前潛在影響半徑計算公式與近期天然氣管道破裂事故現場實測結果不一致,其確定的危害區域不能涵蓋整個風險區域。建議管道和危險材料安全管理局(PHMSA)修改其法規中使用的計算方法,以確定管道破裂的潛在危害區域。

          (2)管道企業對反輸后的風險認識不足。2014年事故管道開展了反向輸送,公司發現壓氣站南側溫度升高可能會增加管道外腐蝕風險,2010年和2018年兩次內檢測數據對比也進一步表明管道金屬損失異常增加了166%;2018年和2019年密間隔電位檢測表明,陰極保護有效性不符合PHMSA標準要求。

          NTSB認為,管道企業未能有效識別、調查或管理反輸項目對管道表面氫析出水平的影響,并最終導致了管道失效。因此建議管道企業在工藝發生重大變化(如反輸)后,應評估其腐蝕控制設備和管道的完整性。

          (3)內檢測設備和數據分析受限。內檢測設備(包括硬點檢測工具)原始數據處理過度依賴技術人員的分析,而選擇不同軟件設置(如增益)和設備規格(包括檢測器分辨率)可能會導致結果的巨大差異,進而影響內檢測的檢測效果。NDT檢測承包商采用HSMFL內檢測器共檢測事故管道及其他管道2125公里,但現場檢測不足以驗證檢測工具性能及數據精度。

          NTSB認為,由于2013年之前(2013年后硬點檢測工作進行了改進)使用HSMFL內檢測器檢測及數據分析的局限性,已檢測的管道硬點缺陷范圍可能未知,企業據此無法有效地保持管道完整性。建議PHMSA告知管道企業這一局限性,并強調在進行內檢測和數據分析時需要遵循行業最佳實踐。

          (4)危害評估和交互因素風險。Enbridge公司在2011年開挖四個硬點缺陷后,認為消除了事故管道危害,未再持續性開展評估和管理。盡管開挖結果與內檢測結果基本一致,但與檢測里程相比,現場開挖數量相對于內檢測異常數量和嚴重程度微乎其微。管道運行條件如溫度、陰極保護電位和反輸等的變化可能會影響硬點缺陷帶來的風險,如管道輸送工藝變化可能導致防腐層退化、外部腐蝕速率加快和陰極保護效果降低。在實施反輸后,管道企業未評估事故管道運行條件變化對管道完整性的影響,因此錯過了識別管道完整性風險的窗口。

          NTSB認為,Enbridge公司針對硬點缺陷的處置和管理流程與PHMSA推薦的指南和行業認知不一致,尤其是低估了各因素交互影響帶來的風險。

          (5)員工崗前培訓和再認證。事故管道發生破裂時,正在值班的某員工查看了破裂造成的火球并在接到氣體控制中心電話后,未在第一時間關閉事故管段閥門,直到地區主管指示他才在約16分鐘后關閉。而該員工在事故發生前的5月8日,因壓氣站發生緊急停機事件誤關閉了與事件無關的閥門。當時,該員工未被取消上崗或進行上崗再培訓和資格再認證。由此可見該員工對應急響應程序缺乏了解,閥門關閉延遲增加了泄漏量,增加了火災的持續時間和強度。

          NTSB認為,管道企業應重新審查內部員工崗前資格認證和再培訓流程,并要求對所涵蓋的業務進行補救培訓和重新認證。

          4  建議

          根據調查結果,NTSB分別針對PHMSA和管道企業提出如下安全建議。

          (1)PHMSA重新修定潛在影響半徑計算方法,以準確確定管道破裂時的危害范圍。

          (2)PHMSA建議管道企業評估反輸項目相關風險及對氫致開裂的影響,以及HSMFL內檢測設備和分析數據對硬點缺陷的局限性,并強調在內檢測時遵循行業最佳實踐。

          (3)管道企業在工藝發生重大變化(如反輸)后,評估腐蝕控制設備有效性和管道的完整性。修訂企業完整性管理計劃,包括支持識別評價隱患(包括硬點缺陷)危害狀態所需的數據;重新評估反輸和其他重大項目導致風險的條件和情況,硬點缺陷和各腐蝕類型之間的相互作用。

          (4)管道企業針對員工在應對緊急停機、管道事故或其他異常操作時不遵守程序的,應取消其作業資格并要求對其進行上崗再培訓和資格再認證。

           

          編譯自:Enbridge Inc. Natural Gas Transmission Pipeline Rupture and Fire(Pipeline Investigation Report: NTSB/PIR-22/02).


          作者簡介:張強,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工作。先后參與制修訂多項行業與企業標準,曾獲中石油集團公司科學技術進步獎等獎項。聯系方式:18630630987,zhangqiang14@pipechina.com.cn。

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