某X80鋼級CO2輸送管道斷裂事故調查分析情況介紹

吳 文，鐘桂香，黃衛鋒 編譯

（1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；2.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900）

0 前 言

美國從20 世紀70 年代開始建設CO2管道，絕大多數管道以超臨界態輸送CO2，主要用于提高油井采收率，是目前世界范圍內擁有CO2管道里程最長的國家。根據監管管道安全的美國運輸部管道和危險品安全管理局（PHMSA）2022 年的數據，該機構監管的超臨界CO2管道超過8 500 km，沒有發生過造成人員死亡的CO2管道事故。目前，美國聯邦層面將超臨界CO2管道劃歸危險液體管道進行監管，業內普遍認為CO2管道帶來的安全風險并不比天然氣和石油管道更高。

2020 年2 月22 日發生在美國密西西比州亞祖縣Satartia 鎮附近的一起CO2管道破裂事故，引發公眾對CO2管道安全的廣泛關注。該管道建于2009年，是目前鋼級最高（API 5L X80）的長距離超臨界CO2輸送管道。此外，隨著近年來美國政府頒布加快部署碳捕集、利用與封存（CCUS）項目的一系列法案，配套規劃的CO2管道項目越來越多，這些CO2管道與以往管道相比，將有更多管道通過人口密集區。因此，美國國內對這起CO2管道事故的關注程度進一步提高。

按照美國法規，PHMSA 負責組織對該事故的調查分析、事故調查報告編制及恢復輸送等方面的全面監管，PHMSA 于2022 年5 月26 日發布了該事故的調查報告，同時還公布了對該管道運行企業采取的執法行動；發布要求所有管道運行企業立即為類似該事故的土體移動和地質災害風險制定計劃并采取措施的全國性建議公告；征集此事故有關的加強CO2管道安全的研究項目；啟動CO2管道新法規制定工作。可見該起事故在美國管道行業的影響之大，該事故的調查、分析以及后續處理會對美國CO2及油氣管道安全管理起到推動作用。筆者編譯了該事故調查報告的主要內容及相關重要信息，并簡單介紹了與此事故有關的安全行動，以期為國內管道行業從業人員提供參考。

1 事故概況

2020 年2 月22 日，美 國Denbury 公 司 的Delhi CO2輸送管道在密西西比州亞祖縣Satartia鎮附近的一道環焊縫失效，導致管道破裂。Denbury 公司在提交的事故報告中稱，此次破裂估計共泄漏了31 405 桶CO2，事故發生后附近200 人被疏散，45 人被送往醫院，無人員死亡，總財產損失近395萬美元。

Delhi 管道于2009 年投產，輸送超臨界態CO2，用于提高該公司的陸上油井采收率。該管道的有關數據見表1。

表1 管道基本信息

圖1為事故現場照片，事故管段位于鄰近433號公路的陡峭路堤上，采用水平定向鉆安裝，失效位置位于Tinsley 站下游約10.6 km（6.59 mile）處的山腳下，海拔高度明顯低于433 號公路的表面。

圖1 事故現場失效管段及環焊縫照片

美國現行聯邦規章規定，PHMSA 負責財產損失超過5 萬美元的危險液體管道事故的調查。事故發生后，PHMSA 組織進行了全面的調查和分析，包括現場調查、現場土壤和地質災害分析、以實驗室失效分析為核心的根本原因分析、焊接工藝規程審查、應急響應及事故發生后空氣監測等。調查報告于2022 年5 月26 日公開發布。

2 事故調查與分析

2.1 現場調查

事故發生后，PHMSA調查員、Denbury代表和應急救援人員共同到現場進行調查，調查發現，管道在環焊縫處斷裂分離，CO2快速泄漏導致管道上方形成彈坑。CO2迅速泄漏導致低溫，使該區域覆蓋了一層厚厚的冰層，管道的上游部分沒有被冰覆蓋。圖2 所示為事故5 天后失效分析團隊拍攝的現場照片，管道失效位置位于路面下約12 m 處（圖2（a）），在環焊接頭破裂邊緣觀察到輕微的鋸齒狀（圖2（b））。

圖2 事故5天后失效分析團隊拍攝的現場照片

2.2 實驗室試驗和根本原因分析

2.2.1 概況

Denbury公司委托Mears公司完成Delhi管道事故的根本原因分析（root cause analysis，RCA）。RCA是一種結構化的調查活動，目的在于識別問題的真正原因以及消除它所必需的措施，是國外正式事故調查過程的通用方法。

本次管道破裂事故的RCA 工作包括：事故現場調查，腐蝕狀況及防腐層有關的評價，對管道有關的設計、規格書、施工、運行和維護文檔信息進行審查以及實驗室失效分析。實驗室分析對失效現場收集的三段鋼管試樣進行冶金學試驗和失效分析，主要工作內容包括：宏觀檢查、磁粉檢測、金相和斷口分析、硬度測試、力學性能測試、化學分析以及拍照和錄像記錄。實驗室失效分析工作由DNVGL公司完成。

在破裂現場安裝好坡體支護裝置后，開挖出了上游的鋼管，切割出了兩段失效的管段，最后共取3節管段進行試驗，開挖和切割后的管段情況如圖3所示。

圖3 管段和分析取樣示意圖

2020 年3 月11 日，失效鋼管試樣被運往到俄亥俄州哥倫布市的DNVGL 實驗室進行分析。為便于分析，Denbury 公司與Mears 公司合作，編制了鋼管試樣收集規程，并向DNVGL 提供了一份試驗規程，要求其按試驗規程開展試驗。

2.2.2 目視檢查、測量和試樣截取

首先對三個管段試樣進行目視檢查和測量，發現失效環焊接頭兩側鋼管試樣的防腐層部分已經脫落，可能是因為管道內CO2從正常輸送條件（超臨界態）到管道破裂后的大氣環境會形成干冰（約-56.7 ℃或更低溫度），影響了防腐層的黏合。

對鄰近斷裂面的鋼管和失效環焊接頭進行了目視檢查。發現斷裂表面平整，基本呈180°，且沒有影響壁厚的減薄。其中A管段的測量結果如圖4 所示，水平標尺測量的是到A 管段邊緣的距離，周向標尺測量的是沿著介質流動方向距頂部正中心的順時針距離或角度。圖5 為A 管段失效環焊接頭的斷裂面及管道內表面照片。

圖4 A管段的測量情況示意圖

圖5 A管段失效環焊接頭斷裂面及鋼管內表面情況（管內介質流動方向為從外向內）

其次，確定管段的取樣位置和冶金學分析位置，取樣位置和不同類型試樣如圖6所示，其中M、MU 表示金相分析試樣；S 表示斷口分析試樣。

圖6 實驗室取樣示意圖

2.2.3 環焊接頭缺陷檢查

用軟鬃刷清潔失效環焊接頭內外表面后，進行金相分析試驗，從失效環焊接頭A管段和B管段選定5 個區域，從C 管段上正常環焊接頭選定1個區域（圖6）。斷裂表面有平滑區和壁厚不均勻的更粗糙區域，圖7為其中一個示例，未發現有以前的焊接或材料缺陷跡象。由于斷裂表面沒有人字紋，無法確定起裂的準確位置。

圖7 環焊縫斷裂面形貌

2.2.4 金相分析及斷口分析

對6 個金相試樣（M1～M5，MU）進行宏觀和微觀形貌分析。圖8為試樣照片，可觀察到一些試樣在剪切角（裂紋擴展路徑穿過平滑表面）有斷裂路徑，另一些試樣的裂紋擴展路徑垂直于自由面和剪切失效區（斷口表面粗糙）。其中，M2試樣的截面形貌如圖9所示。

圖8 從失效環焊接頭切取的含裂紋金相試樣（M1-M5）

圖9 金相試樣M2的截面形貌

管段A的金相試樣相鄰位置切取出了 4 個斷口表面試樣進行了掃描電鏡分析（見圖6），沒有發現以前存在的缺陷或疲勞開裂現象。

2.2.5 硬度測試

對6個金相試樣進行維氏硬度測試，測試結果如圖10所示，未發現異常高硬度區域。失效環焊接頭的硬度測試顯示出的變化可能與失效過程中的冷卻效應有關。正常環焊接接頭的硬度測試值最能代表失效前環焊接頭的基本硬度值。對正常環焊接頭的硬度測試結果表明，焊縫金屬的硬度低于管體金屬的硬度。正常環焊接頭的橫向焊接接頭試樣（對應管體縱向）的拉伸試驗結果與實際斷裂失效情況相似，進一步表明環焊接頭硬度較低，是軸向應力作用下易出現超載失效的位置。

圖10 M2試樣截面硬度值分布

2.2.6 力學性能試驗

從失效環焊縫下游A 管段上截取2 個相同的母材試樣進行拉伸試驗，測得的屈服強度和抗拉強度平均值見表2。從表2 可以看出，母材橫向試樣的試驗結果均滿足建設期的API SPEC 5L 44版中X80M PSL2的要求。

表2 失效環焊縫下游A管段母材試樣的拉伸試驗結果

從失效環焊縫上游C管段上截取2個相同母材試樣進行拉伸試驗，屈服強度和抗拉強度平均值見表3。從表3可看出，母材橫向試樣均滿足建設期的API SPEC 5L 44版中X80M PSL2要求。

表3 失效環焊縫上游C管段母材試樣的拉伸試驗結果

另外，從完好環焊接頭截取兩個相同的橫向（對應管體縱向）試樣，測得抗拉強度平均值為711.7 MPa（103.3 ksi），兩個試樣均在環焊接頭斷裂，與運行管道實際失效情況類似。在API 1104 中沒有規定環焊接頭的屈服強度值，環焊接頭的抗拉強度值雖滿足API SPEC 5L 44 版中X80M PSL2 的要求，但是低于下游和上游鋼管的縱向抗拉強度值759.8 MPa （109.7 ksi） 和730.3 MPa（106 ksi）。

母材試樣的CVN 試驗結果表明，所有試樣的沖擊功值都超過建設時API SPEC 5L 44 版中X80M PSL 2管線管的規定最低值。取自C管段環焊接頭試樣的沖擊試驗結果也在可接受范圍，85%FATT為15.6 ℃。

2.2.7 化學成分分析

對A 管段和C 管段的化學成分進行了分析。結果表明，管線鋼的化學成分滿足施工時API SPEC 5L 44 版X80M PSL2 管線鋼的成分要求。對母材試樣的碳當量CEPcm進行了計算，A 管段和C 管段試樣分別為0.17 和0.16，滿足建設階段的要求（CEPcm最大允許值為0.25）。這些鋼管的碳當量相當低，表明具有非常好的抵抗焊縫熱影響區氫致冷裂紋開裂（HACC）的能力。

2.2.8 失效管段的應力分析

作為根本原因分析的一部分以及開挖維修工作的需要，Denbury 委托Mott MacDonald（MM）公司對事故相關管段進行應力分析。分析采用Denbury提供的竣工資料和MM 公司調查的數據，使用AutoPIPE CONNECT 高級版12.02.00.14軟件對管道建模，建模分析采用應力工程方法和計算應力分析方法進行。

為獲得應力分析需要的施加在管道上的土壤荷載，MM 公司進行了事故現場的土體移動分析，土壤荷載利用ASCE ALA《埋地鋼制管道設計指南》（2001 年7 月版）推薦的做法確定。首先確定了給定環境下土體移動造成管道應力開始超出許用應力所對應的最大均布荷載（36.7 kN/m），然后根據巖土勘察結果和無人機地形圖，進行了土體移動分析，結論是土體移動將在管道上產生40 kN/m 的均布荷載。在40 kN/m 均布載荷下，應力分析結果顯示斷裂區域管段的應力比ASMB B31.4 中規定的許用應力高43%，因此，事故位置土體移動產生的管道軸向應力足可以引起該管段過載。

根據分析結果，MM 公司還提出了釋放應力應開挖的管段長度和最少更換管段長度的建議。為了保證管道完整性，該區域其他承受高拉伸載荷的管段按ASME B31.4要求將進行水壓試驗。

2.2.9 分析結論

事故調查的綜合結果表明，事故根本原因是管道軸向應力足夠大引發了環焊縫處過載，土壤移動是可能的誘因。根據調查分析，得出如下結論：

（1）脆性斷裂起于環焊接頭。帶韌窩（韌性斷裂模式）的軟化區域和解理面（脆性斷裂模式）是超載引發失效的典型特征。

（2）軸向應力導致失效。沒有固有的缺陷跡象，具體的起裂位置不明顯。

（3）失效和正常環焊接頭的焊縫金屬硬度值均低于鋼管母材硬度值，表明焊縫金屬比母材軟，更可能使管道在軸向應力作用下超載。調查結果不能表明失效是焊接質量問題造成的。

（4） 沒有發現引發本次失效的內外腐蝕證據。

（5）力學性能和化學成分分析結果表明，鋼管符合建設時API SPEC 5L 44 版中X80M PSL 2管線管的要求。

（6）失效環焊接頭上、下游鋼管母材的顯微組織是現代X80M PSL2管線鋼的顯微組織。

完成的RCA 報告題目為“Study of Root Cause and Contributing Factors”（根本原因和主要原因研究），共210 頁（調查報告共269 頁），包括實驗室分析的過程和結論。附錄8個，涵蓋鋼管試樣收集、冶金學試驗和取樣規程、冶金分析報告、焊接工藝及評定、應力分析報告等。

2.3 土壤和地質災害情況分析

調查確定事故位置的土層為該地區典型的黃土地層，由于事發前多次強降雨，導致地層雨水相對飽和。后來分析的干燥區內土層特征證實該地層是由粉粒和黏粒組成的黃土地層，表明在適當的條件下，地層容易吸水，進而發生濕陷或坍塌（黃土的孔隙度相對較高，通常為50%～55%，垂直節理發育，堆積黃土會沿豎向節理發生破壞并形成垂直陡壁，黃土陡壁更易發生垂直侵蝕）。由于浸水后土層飽和，陡峭坡體的垂直侵蝕更加嚴重，土體移動給管道施加了超過其承受能力的軸向載荷，導致管體環焊縫失效。

Denbury 公司表示，事故管道沿線每年會遇到2～3個與土體移動有關的問題。公司的完整性管理程序（IMP）將“地質災害”確定為該管道的一項潛在風險，但沒有對應的危害評估或預防/緩解措施的額外要求，例如使用帶有慣性測量單元傳感器的內檢測工具進行彎曲應變分析，或進行地質災害評估。Denbury 的運行和維護（O&M）規程也缺乏地質災害識別、評估、整治和員工培訓的實質性信息。此外，按照美國聯邦法規的管道巡線要求，Denbury 公司通常是利用飛機巡線，記錄顯示巡線是按規章要求定期進行，但在破裂位置沒有發現地質災害。

此次破裂事故后，PHMSA對Denbury公司的完整性管理程序以及運行和維護活動進行了審查，發現Denbury 公司沒有處理管道的地質災害風險問題，也沒有在事故發生前采取足夠的預防和緩解措施。PHMSA 對該公司已經開始制定的地質災害管理程序提出了具體建議。

2.4 CO2擴散分析

美國國家氣象局（NWS）利用事故發生時的大氣數據，根據管道泄漏出的CO2從地面消散時的方向生成了CO2羽流或云層模型，該模型顯示Satartia 鎮（鎮中心距事故地點1.6 km）位于CO2高濃度區域，因此，由急救機構疏散該鎮居民。

2011 年Denbury 曾委托第三方公司為CO2泄漏構建了影響半徑模型，利用該模型，劃定了Delhi 管道的可能影響范圍，Satartia 鎮位于影響范圍外，因此該管段沒有被Denbury 確定為可能影響的“重度危險區”，該鎮也沒有被列入Denbury 的公眾警示程序（美國聯邦管道規章中對“重度危險區”和建立公眾警示程序都有明確規定），相應地也沒有被納入當地的各種應急響應計劃中。

3 事故調查結果與結論

PHMSA 在事故調查報告中指出，Delhi 管道破裂是因土壤移動引發管道軸向荷載過大，導致了環焊接頭失效。失效管段沿線的地形、土壤類型以及事故前幾個月的持續降雨，使管道上方山丘一側的黃土飽和并被垂直侵蝕。在強降雨前的兩個月里，當地較高氣溫是否也會引發土壤不穩定尚不明確。

引發事故的因素包括：

（1）Denbury 公司的運行和維護規程沒有針對因土壤不穩定可能引發管道損壞的解決方案，盡管之前有土體移動風險的經驗和知識。

（2）Denbury 公司的完整性管理程序（IMP）沒有應對地質災害的完整性危險因素識別和/或評估，也沒有對應的預防及緩解措施。

（3）事故發生前，按美國聯邦規章規定進行的空中巡線沒有在事故點發現地質災害。

（4）Denbury 的CO2擴散模型低估了可能受到泄漏影響的范圍。因此，該管段沒有被定為可能影響的“重度危險區”管段，Satartia 鎮也沒有被納入美國聯邦規章要求的公眾警示程序中，未在當地應急響應機構報備，告知可能發生的失效后果。

（5）Denbury 沒有告知當地救援人員可能的危害，當地救援人員在管道斷裂失效40 min后聯系了Denbury，這導致對緊急事件有關情況的理解出現混亂，并妨礙了急救人員和社區應對緊急事件的能力。

4 修復及恢復輸送情況

修復該段管道之前，Denbury 委托一家工程公司制定切除失效管段以及減輕未來可能的土體移動計劃。Denbury 公司沿433 號公路安裝了土壤支撐設施。PHMSA 評估了修復計劃并監督其實施。

2020 年9 月1 日，Denbury 開 始 更 換 事 故 管段，9 月26 日，Denbury 將新管段焊接完成。新安裝的24 m 管段采用Φ610 mm 的鋼管，該鋼管由Mannesmann 鋼管公司于2019 年生產，是API SPEC 5L X70 鋼級、壁厚14.3 mm 的HFW 鋼管，并且具有FBE防腐層。

Denbury向PHMSA提供了重新啟輸計劃，經PHMSA 審查和批準后，Denbury 于2020 年10 月26日重新啟用了該管道。在Denbury進行維修和重新啟動工作的同時，PHMSA對Denbury的管道運行情況進行了檢查，發布了各種執法行動通知，包括發布本次事故的可能違規通告（notice of probable violation，NOPV）。NOPV 是一種執法方式，指在聯邦或州內機構授權的管道檢查員進行例行檢查、事故調查或其他監督活動后，PHMSA 區域主管確定是否可能發生違規行為，并在適當情況下向運營商發出NOPV。NOPV 中指出Denbury 未遵守美國聯邦規章的8 條規定，對其中7 條進行了處罰，累計民事處罰約387 萬美元。

5 事故后PHMSA針對管道安全的新行動

2022 年5 月26 日，PHMSA 在其網站發布了新聞，公布了該起管道事故的調查報告，向Denbury 公司發出可能違規通知（NOPV），還同時公布了以下內容：

（1）為了修訂CO2管道的標準，包括與應急準備和響應有關的要求，啟動一項新的法規制定工作。

（2）更新2019年5月發布的提醒管道所有者和經營者由于山體滑坡和沉降引發土體移動可能對管道造成損害的全國性建議公告，在美國政府的《聯邦公報》上發布，強調管道運行單位需立即為減少與土體移動和地質災害有關的風險制定計劃。

（3）公開征集2022年提升CO2管道安全的研究項目，項目名稱為“利用機器學習方法確定CO2管道的潛在影響半徑”，要求項目給出計算CO2管道潛在影響半徑的工具或模型。根據后期PHMSA 網站消息，承擔單位計劃采用計算流體動力學模擬和機器學習方法，給出類似于天然氣管道潛在影響半徑的計算公式。該項目作為PHMSA 管理的競爭性學術協議項目（CAPP），PHMSA 出資27.9 萬美元，委托Texas A&M Engineering Experiment Station 完成，計劃于2022年9月開始，2024年9月結束。

6 結束語

美國2009年投產的某X80超臨界CO2輸送管道，因降雨誘發土體移動造成環焊縫斷裂事故，該事故對美國CO2及油氣管道安全管理影響較大。鑒于事故調查采用的結構化根本原因分析步驟、工作內容、管道應力分析及重新啟用等工作，我國具有重要參考價。該管道的設計參數、鋼管參數、防腐及焊接工藝、事故經過、事故調查主要工作內容、調查結果和管道重新啟用情況，以及針對CO2管道制定的法規和CO2管道影響范圍研究等，可為從事CO2管道工程的相關人員提供參考。

致謝：中國石油管道科學研究院有限公司的孫巧飛建議本文2.2 節詳細介紹重點內容，本文2.2.8節和第6節由中國石油天然氣管道工程有限公司余志峰校審，2.3 節由中國石油天然氣管道工程有限公司任海賓校審。