天然氣管線沖刷破損失效分析

【摘 要】某燃氣公司一段埋地高壓天然氣輸送管線某處發生嚴重破損，為分析失效原因，作者采用宏觀形貌分析、掃描電鏡分析、化學成分分析、顯微組織分析、力學性能檢驗、Fluent模擬分析等系列方法對該失效管段進行分析。結果表明，與該天然氣管近距離平行鋪設的自來水供水管道破裂，導致高速水流正面與切向沖刷作用，最終導致天然氣管破裂。根據分析結論，提出了預防同類事故發生的建議。

【關鍵詞】天然氣管線；水流沖刷；失效分析

【Abstract】 A section of underground high-pressure natural gas pipeline in gas company broken. Failure causes were investigated by means of visual examination， SEM observation， chemical compositions analysis， metallographic examination， mechanical properties testing and simulation with Fluent software. The results show that the water pipeline， which was laid close and parallel to the gas pipeline， broke and leaded to spewing out of high speed water flow. High speed flow had a big scouring action on the gas pipeline and finally leaded to broken of it. Prevention measures and recommendations were proposed to prevent the similar failure.

【Keywords】natural gas pipeline； scouring action； failure analysis

0 引言

某燃氣公司一段高壓天然氣輸送管線中某處發現嚴重破損，造成該天然氣管道出現一個長為200mm寬為135mm的不規則貫穿性破口。此段高壓天然氣管道于2008年鋪設后，一直作為備用應急管道，從未正式使用過，但是會定期做氮氣保護及增壓保壓檢驗工作。在2012年7月下旬的檢測過程中，發現管線系統壓力顯示不正常，后經現場勘查發現管段存在破口，該部位恰好位于一條自來水管上方70mm處，該部位自來水管曾經發生過爆管，爆管部位已用管箍把緊處理。據調查，事發天然氣管段采用GB/T9711.2～1999 L415MB的材料，對應的是美國石油學會標準API SPEC 5L X60材料。為分析破裂原因，作者對破口處管材進行了一系列的理化檢驗和模擬分析。

1.理化檢驗分析

1.1 現場勘察分析

從現場勘察得知，該破口天然氣管段和自來水供水管道（ND250）上下并行鋪設，兩管線外表面平行距離約70mm；此處自來水供水管曾發生破裂，后用管箍修補，管箍與天然氣管外表面平行距離約25mm，如圖1。

現場觀察發現，天然氣管破口周邊3層PE防腐層脫落；破口呈現船形，邊緣厚度減薄，邊緣圓滑，具有嚴重的沖刷宏觀特征 [1]。

通過比對天然氣管破口周邊泥土、水源、環境差異性，綜合分析天然氣管、自來水管各部位形貌特征，初步判斷事故原因為自來水管破裂未及時發現，高速水流直接沖擊、沖刷天然氣管道外表面，導致天然氣管發生穿孔性破壞，破口逐漸擴大，直至水管堵漏為止。

1.2 破口宏觀形貌分析

對該天然氣管道破口進行宏觀觀察發現：破口呈不規則、近橢圓形狀；破口周邊發生從外壁向內壁的壁厚減薄，最薄處壁厚約2～3mm；減薄形成的坡度變化范圍為10°到85°，表明破口不同部位所受沖刷的角度存在差別；破口內壁可以觀察到明顯的氣液分界線，破口內壁無明顯的壁厚減薄；破口坡度陡峭處可觀察到徑向沖刷痕跡[2]。如圖2。

宏觀分析表明，破口陡峭處外壁受到了高壓流體的正面沖擊，沖擊方向與管外表面接近垂直；在破口其它位置，流體流向與管外壁夾角逐漸減小；當天然氣管出現破口后，部分高速水流沖入管內，形成了流痕與水線。

1.3 破口微觀形貌分析

使用掃描電子顯微鏡（SEM）對破口周邊外壁面進行微觀觀察發現，坡度平緩處外壁面具有相互平行的沖刷溝槽（圖3a），屬于典型的剪切沖刷痕跡；坡度陡峭處外壁面呈現蜂窩形貌[3]（圖3b），其凹坑屬高速流體垂直沖刷致使晶粒脫落形成的韌窩痕跡，個別凹坑沿沖刷方向有略微拉長現象。

微觀分析表明，天然氣管破口周邊外壁面具有高速流體沖刷作用的微觀形貌，其中破口平緩處受剪切沖刷左右，陡峭處受垂直沖刷作用[4]。

1.4 化學成分分析

在天然氣管破口部位取試樣進行化學成分分析，結果如表1。分析結果顯示，破口段材料的各化學成分均符合標準指標的要求。

1.5 金相檢驗

在天然氣管破口處制取金相試樣，經磨拋腐蝕后，采用光學顯微鏡進行顯微組織觀察，如圖4。

由破口段管材金相圖觀察可得，管材的基體為白色鐵素體，在鐵素體間分布著珠光體；管材的晶粒細小，排列規整，分布均勻，無偏析、滲碳等組織缺陷[5]。檢驗結果表明管材的金相組織正常，基體組織并未受高速水流沖刷作用影響。

1.6 力學性能檢驗

對破口段管材沿徑向從外壁向內壁進行顯微硬度測試，測試結果如表2。硬度測試結果表明，破口段管材硬度從外壁向內壁均勻分布，平均硬度為209.2HV。

對破口段管材分布制取標準拉伸樣和沖擊樣進行拉伸和沖擊試驗，其測試結果如表3。測試結果表明破口管段的強度指標、塑性指標和韌性性能均滿足標準要求。

2.Fluent模擬分析

為分析天然氣管壁受到高速流體沖刷時流場壓力分布及管壁周圍流體的速度矢量分布，從視覺上更加直觀地認識高速水沖刷管線的過程，根據破口管道現場環境，用Fluent軟件對天然氣管受到高速水沖刷進行模擬[6]。

模擬假定參數為：天然氣管外徑為711mm；水管爆口尺寸為長100mm，寬5mm；爆口長度方向和水管中心線平行，爆口深度方向和鉛錘面成2°夾角；設定流體為水，設定水管中水的壓力為0.6mPa；網格及邊界條件設置如圖5所示。

模擬結果如圖6所示。由天然氣外壁受流體作用壓力分布圖和沖刷流體壓力分布圖可以看出，正對著水管爆口的管壁所受壓力最大，壓力范圍為0.0973mPa～0.109mPa；且天然氣管外壁受流體作用沖刷嚴重處壓力分布形態呈橢圓形，與實際破口形貌對應。由天然氣管外壁表面沖刷流體速度矢量圖和沖刷流體速度矢量圖可以看出，正對著水管爆口的管壁受到流體沖刷的速度最大，流速范圍為9.92m/s～11.9m/s，當水流沖擊天然氣管壁后流向突變，開始沿著管外壁周向沖刷，沖刷速度從爆口向四周逐步減小。

模擬結果表明，在破口外圍，沖刷水流壓力較小，流速較低，且方向呈切向，從而形成破口邊緣平緩坡度；同時由于水管爆口方向和鉛錘面呈一定角度的因素，最終形成該天然氣管線破口特殊形貌，如圖2（a）。

3. 結論及建議

依據上述現場勘察、系列試驗及模擬分析可知：（1）天然氣管線的材料滿足相應標準指標，管材質量符合要求；（2）天然氣管線破口產生的原因為，鄰近天然氣管線鋪設的供水管道發生破裂，高速水流噴射在天然氣管線表面而產生的長時間正面與切向沖刷作用。

為預防此類失效的重復發生，作者建議：（1）在規劃、設計、鋪設天然氣高壓管道時，要嚴格執行相關法規、標準、規范，嚴禁不同管道交叉和超近距離鋪設；（2）加強管線的監控、巡線、檢測與檢驗和維護，主動預防天然氣管線的第三方破壞。

參考文獻：

[1] 廖景娛，劉正義. 金屬構件失效分析[M]. 北京：化學工業出版社，2003.

[2] 蔡峰，柳偉等. 流體噴射條件下金屬材料沖刷腐蝕的研究進展[J]. 摩擦學學報，2011，31（5）：521-527.

[3] 韓順昌.金屬腐蝕顯微組織圖譜[M].北京：國防工業出版社，2008.11

[4] 趙會友，陳華輝，邵荷生，趙善鐘等. 幾種鋼的腐蝕沖蝕磨損行為與機理研究[J]. 摩擦學學報，1996，16（2）：112-119.

[5] 任頌贊，張靜江，陳質如等. 鋼鐵金相圖譜[M]. 上海科學技術文獻出版社，2003：29.

[6] 李進良，李承曦等. Fluent流場分析[M]. 北京：化學工業出版社，2009：9.

作者簡介：肖聰，女，助教，武漢理工大學碩士，主要從事力學、畫法幾何的教學工作。