一起埋地燃气管道焊缝开裂的原因分析及维修方案

吴晓涛

（凉山州特种设备监督检验所 西昌 615000）

一起埋地燃气管道焊缝开裂的原因分析及维修方案

吴晓涛

（凉山州特种设备监督检验所 西昌 615000）

某埋地天然气管道发生泄漏事故，检查发现是一对接焊接接头开裂，裂纹长50mm，开挖时整条焊缝断裂。从管道焊接、安装、无损检测、管沟施工、设计使用等方面综合分析，提出管道开裂失效的主要原因是管道安装时施工质量失控所致。排查整条管道，拟定两种返修方案并比较优劣，确定采用金属波纹膨胀节进行返修。总结经验，提出安装监检时的一些建议。

埋地天然气管道 焊接接头 断裂 原因 处理措施

1 事故经过

2015年12月X日，某地某燃气公司一条为用户锅炉供气的埋地天然气管道发生泄漏事故：管道巡检员在巡查管道时嗅到某地段有很浓的天然气气味，继而发现地面有气体逸出，并伴“嘶嘶”的气流声，用可燃气体报警仪检测时读数爆表，管道发生泄漏。遂紧急停气，疏散人群，设置警戒线。事后对泄漏点进行开挖，发现是燃气管道一对接焊接接头开裂，裂纹长约50mm，继续开挖中受外力震动整条管道从该焊缝处断裂，现场测量断口间距20mm，错口24 mm（见图1）。因发现及时，处置得当，本次事故未造成人员伤亡，但直接和间接经济损失仍达二十余万元，属一般事故。

2 事故背景

2.1 管道基本资料

事故管道的基本资料见表1。

图1 断裂的焊接接头

表1 管道基本资料

2.2 管道敷设环境

管道埋设在公路人行道边的绿化带下，填埋深度约1．2m，其中有300米管道沿一条沟渠的混凝土河堤外侧敷设，管道与河堤相距100～120mm，管道敷设时当地正在进行市政绿化施工，管沟的泥土回填与恢复是园林公司所为。

2.3 管道泄漏部位

图2 角钢支架距焊缝10mm（后面是水泥河堤）

图3 地基下陷

发生断裂的焊接接头位于河堤段，在距断口10mm处有一角钢支架（见图2），事故地段存在较明显的地基下陷（见图3），下陷长度约21m，管道在该区域内有2个环向对接接头。下陷地段较大的下沉点有两个，用自动安平水准仪测量最大下沉量分别是94mm和90mm。图2断裂处河堤经测量无明显下沉，土壤沉降因现场已开挖无法测量。另外，非支架侧管子管底悬空3．5m。

3 事故原因分析

经现场勘查取证、询问相关责任人员并查阅档案资料，笔者认为本次事故主要是施工过程质量失控所致，具体有以下几点：

3.1 管道焊接

按GB 50236—98[1]附录C要求壁厚4．5mm的管道单面对接焊应开V型坡口，安装单位的焊接作业指导书规定也是V型坡口钨极氩弧焊打底＋J422焊条电弧焊盖面，但根据断口情况可以判定焊工未按焊接工艺文件的要求进行焊接作业，焊接时未开坡口、未采用氩弧焊打底，导致整圈焊缝未焊透，焊接接头熔深严重不足，从断口处去除焊缝余高后粗略测量熔深只有2．0～2．5mm（未焊透达事故管段母材厚度的50%），造成管道有效承载面积下降，粗略计算承载面积减少了49．3% （不计焊缝余高，假设熔合线在管壁正中），造成管道强度大大下降（见图4、图5、图6）。

3.2 管道安装

固定支架的位置问题：GB 50236—98的6．1．2条规定管子焊缝的设置应避开应力集中区，管子对接焊缝与支、吊架边缘之间的距离不应小于50 mm，GB 50235—2010[2]的6．0．2条、GB 50184—2011[3]的6．0．5条也有相同的规定，而开裂的对接焊缝距固定支架仅10mm，形成很大的剪切应力。（此外现场测量事故断口间距和错口较大，不排除安装过程中存在强力组对。）

图4 断裂的焊接接头

图5 断裂的焊接接头

图6 断裂焊缝局部放大

3.3 无损检测

设计文件规定该管道环焊缝射线检测比例不小于10%，具体探伤部位是安装单位自己确定的，关于局部无损检测检验位置的确定，几个标准规定不一致：现行GB 50235、GB 50236无规定，而GB 50235—97[4]第7．4．2条是“由施工单位和建设单位的质检人员共同确定”；GB 50236—98第11．3．7条是“由质检人员指定”；GB 50683—2011[5]第8．3．1之2．5）是“由焊接检查人员确定”；只有GB/T 20801—2006[6]第6．3．3条是“应由建设单位或检验机构的检验人员选择或批准”。查阅竣工资料，该管道探伤比例足够，所拍的焊接接头也无超标缺陷，但破裂的这道环焊缝未经检测，焊接缺陷未发现。对此，TSG D0001—2009[7]第八十六条有规定，未进行无损检测的管道焊接接头，安装单位也应当对其质量负责，但往往还是有安装单位对要检测的部位严格施焊，其它部位则心存侥幸，偷工减料。

3.4 管沟施工

现场发现管道附近土层有沉降，GB 50028—2006[8]第6．3．6条要求地下燃气管道的基础宜为原土层，凡可能引起管道不均匀沉降的地段，其基础应进行处理；而CJJ 33—2005[9]第2．3和2．4节规定沟底必须整平压实，在管沟回填时要先回填管底局部悬空部位，再回填管沟两侧，回填土要分层压实并检查等。实际埋设时管沟回填工作为市政园林公司所为，对此，管道安装、监理、建设和监检单位均无有效监控。管沟底部回填土未压实，造成部分地段基础下沉，断裂管道一侧与沟底无接触，处于悬空状态，由于管道自身以及其上方1．2m的土层重量，为事故管段焊接接头破裂提供了附加外部载荷。

断裂的焊接接头受力分析[10-11]：受介质压力、重力（管道自身重力和土壤重力）、支架支撑反力以及焊接应力等共同作用，形成严重的弯矩引起的剪切力（M、M′）和拉力（F、F′），该焊接接头受力简图见图7。

图7 焊接接头受力示意

3.5 其它因素

其它方面，管道材质（查阅设计资料并对管道进行光谱分析验证，管道材质符合设计要求）、管道运行工况（查阅记录无超温、超压现象）、H2S应力腐蚀开裂环境（查阅燃气成分分析报告，H2S含量无超标）等都与本次管道开裂事故无直接关系。

综上所述，造成本次管道焊缝破裂燃气外泄事故的原因主要有两点：首先，管道安装过程中安装单位焊接质量不合格是焊接接头破裂的主要原因[12]（内因）。开裂焊缝存在整圈的未焊透缺陷（达管壁厚度的50%），有效承载面积仅为全焊透接头的一半，未焊透加上强力组对造成焊接接头存在很大的内应力，应力集中严重；其次，严重的外在附加载荷是造成接头焊缝破裂的外在条件[13]（外因）。管道支吊架安装未严格按照相关技术规范、标准的要求进行，管道支架距焊缝过近，使焊接接头刚好处于剪力的作用范围内；此外管沟回填不规范，使管道受到土壤和管道自身重量的重压，加重了外在附加载荷。最终焊接接头在焊接缺陷和严重的附加载荷作用下造成破裂，所以管道安装施工工程质量严重失控是本次事故的根本所在。

4 返修方案选择

方案一：采用金属波纹补偿器[14-15]，型号1．6TNY150×8F，即轴向型内压补偿器，材质20#，工作压力1．6 MPa，公称通径150mm，8个波，法兰连接（单层，U形波）。对需要返修的部位根据补偿器和甲型平焊法兰的尺寸割除一段管子，用角向磨光机打磨出单边V型坡口，角度50°±5°，坡口两侧10mm范围内的防腐层、油、漆、锈、毛刺等清除干净，检查没有裂纹、夹层后两端焊上法兰，采用φ2．5mm的H08Mn2SiA钨极气体焊打底，φ3．2mm的J422焊条电弧焊焊盖面，法兰焊接接头经外观检查合格后再与波纹补偿器连接。为防止失稳，补偿器两端设置导向支架（见图8），返修处设检查井以便日后维护检查，施工单位必须具有GB1或GC2以上资质。该方案可以补偿轴向位移、横向位移并有一定的补偿角位移的能力，能有效补偿管道位移、安装偏差和基础沉降、吸收振动。

方案二：采用与原管道相同的GB/T 8163标准20钢管更换基础下沉部位的管段，采用全焊透对接焊，按GB 50236[16]的要求开设坡口，最好用钨极气体保护焊打底，保证焊透，焊接后100%射线检测，检测标准NB/T 47013．2—2015，技术等级AB级，Ⅲ级合格，注意支架与对接焊缝间距应大于50mm。该方案因为焊接接头距水泥河提太近实施难度较大，而且从补偿管道位移、基础沉降等方面来讲不如第一种方案好。

施工单位采用了第一种方案，此外返修前应仔细排查管道，特别是沉降区域，用埋地管道泄漏检测仪进行全面检测，对可疑部位和地基下陷路段的埋地管道要求挖出焊缝进行宏观检查。必要时进行磁粉检测、射线或超声波检测，有问题的焊接接头应全部处理。返修结果如图8、图9所示，能够满足设计和使用要求。

图8 采用金属波纹管膨胀节返修

图9 金属波纹管膨胀节返修效果

返修后按原设计文件规定进行0．975MPa的气压试验，合格后进行24h严密性试验再回填。

5 结束语

由于存在管道安装过程中焊接质量严重不合格（整圈未焊透）的内因，加上严重的外在附加载荷的外因造成了此次埋地燃气管道焊缝开裂事故。要防止此类事故的发生有以下几点建议：

1）安装单位的质量保证体系完全失控，应对其严肃处理，如降低其安装级别、予以通报、经济赔偿等；对监理单位、建设单位以及监检单位的相关人员进行批评教育。

2）关于局部无损检测检验位置的确定，由于标准规定不一致，建议由监检单位根据施焊记录和现场情况指定，这样可以杜绝安装单位的侥幸心理。

3）管道在敷设时应在自由状态下安装连接，严禁强力组对，管子焊缝的设置应避开应力集中区，管子对接焊缝与支、吊架边缘之间的距离不应小于50 mm以消除剪切应力。

4）按GB/T 20801和GB 50316[17]这类管道不需进行柔性计算和管道应力分析，但根据实际情况可考虑在一些特定地点选用管道补偿装置，以改善管道的柔性（GB 50316第9．6．2条）。金属波纹管膨胀节不失为一种好的补偿装置，它可以增加管道柔性、补偿部分管道位移、安装偏差和基础沉降，还能吸收振动，此外在条件许可的地方还可采用弹簧支架。

[1] GB 50236—98 现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范[S].

[2] GB 50235—2010 工业金属管道工程施工规范[S].

[3] GB 50184—2011 工业金属管道工程施工质量验收规范[S].

[4] GB 50235—97 工业金属管道工程施工及验收规范[S].

[5] GB 50683—2011 现场设备、工业管道焊接工程施工质量验收规范[S].

[6] GB/T 20801—2006 压力管道规范 工业管道[S].

[7] TSG D0001—2009 压力管道安全技术监察规程—工业管道[S].

[8] GB 50028—2006 城镇燃气设计规范[S].

[9] CJJ 33—2005 城镇燃气输配工程施工及验收规范[S].

[10] 唐永进．压力管道应力分析[M]．第二版．北京：中国石化出版社．2010.

[11] 岳进才．压力管道技术[M]．第二版．北京：中国石化出版社，2006.

[12] 刘展，宋应龙．压力管道焊接[M]．北京：学苑出版社，2002.

[13] 刘展，张锋．压力管道安装[M]．北京：学苑出版社，2001.

[14] 陈小莉．管道金属波纹补偿器的选用及安装[J]．石油化工设备技术，1999，(03)：5-7.

[15] 李强，毛民·阿斯哈尔．一起天然气管道爆炸事故[J]．中国特种设备安全，2013，29(10)：57-58.

[16] GB 50236—2011 现场设备、工业管道焊接工程施工规范[S].

[17] GB 50316—2000 工业金属管道设计规范[S].

The Weld Joint Cracking Analysis and Repairing Scheme of a Buried Gas Pipeline

Wu Xiaotao
(Liangshan Special Equipment Supervision and Inspection Institute Xichang 615000)

A leakage accident of natural gas pipeline occurred in a site. After on-site investigation, it was found that there was a welding crack with the length of 50 mm in a butt weld joint of gas pipeline, and the weldingseam fractured during digging the soil. The comprehensive analysis of accident was conducted in aspect of pipeline welding, installation, NDE(non-damage examination), and therefore it was thought that the main reason of pipeline failure and cracking is due to the failure of controlling the installation quality during pipeline installation. After entire pipeline inspection, two schemes for repairing and recovering pipeline have been proposed and compared. Toward this, a repairing scheme involving adaption of metallic wavy expansion joint was utilized. After summarizing the experience, the advice related to pipeline installation and inspection has been proposed.

Buried natural gas pipeline Welding joint Cracking Reason Treatment method

X924．1

B

1673-257X（2017）03-0070-05

10．3969/j．issn．1673-257X．2017．03．014

吴晓涛(1968～)，男，本科，副所长，工程师，从事承压类特种设备检验工作。

2016-07-21）