天然气进站预处理单元预冷放空管线撕裂原因及改进措施

黄健文

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

1 概况

2019年8月超强台风“利奇马”登陆时中心附近最大风力达17级，对海上油田某终端设施造成很大破坏。期间终端正常生产，由于受到供电故障影响终端生产关停，且不具备恢复生产的条件。终端关停后，海管上岸压力呈快速上涨趋势，终端中控通过远程打开预处理单元预冷器放空管线的泄压阀SBDV-1168对海管压力进行泄放。

图1 泄压管线

(1)第一次阀门打开时间为11:20-11:28，开启阀门前温度为24℃，压力为6.4612MPa。持续时间8分钟；

(2)第二次阀门打开时间为11:37-11:46，开启阀门前温度为23℃，压力为6.0412MPa。持续时间9分钟。

第一次开阀是因为下游关停后海管压力上升较快，对系统进行泄压，降低海管上岸压力，开启几分钟后发现海管压力有下降趋势，在11:28关闭阀门。阀门关闭后海管压力又呈上升趋势，在11:37再次开启阀门进行泄压，11:46发现现场有泄漏，即关闭阀门，操作人员到现场确认管线上甲醛注入口撕裂，见图2、图3。事故管线主要技术参数：管线压力等级：8MPa；材质：20#钢；法兰压力等级Class 600。该段管线于2012年底开始投入使用，正常工况时无介质通过，为常温常压状态。

图2 管线被破坏后

2 材料样品分析

图3 管线甲醛注入口被撕裂后

2.1 宏观分析

分析样品见图4，分别为撕裂口母管（编号1#）、母管相连的甲醛注入口管座及法兰（编号2#）。由于2#样品上的原始端口已被打磨掉，因此实验分析工作重点针对1#样品进行。

图4

图4样品明显呈弯曲状态，断裂口位于弯曲内弧的中部，内外壁均未见有明显的腐蚀迹象，在断口附近有长约35mm的轴向裂纹。

图5

从图5可见撕裂口大致呈菱形状，棱形上部有明显撕裂形成的折皱，为撕裂断面。而棱形下部断口很平整，疑是原始表面，断口各处上未发现有可能导致断裂发生的原始缺陷存在。

2.2 化学成分分析

对样品进行化学成分分析，分析结果见表1，分析表明，母管的化学成分满足相关标准要求。

表1

2.3 拉伸试验

从样品的母管上取样进行室温拉伸试验，试验结果见表2，结果表明母管的强度和延伸率均满足相关标准要求。

表2

2.4 冲击试验

从母管上截取小尺寸冲击试验，结果见表3，母管在0℃时仍有较高的韧性储备。

表3

3 微观分析

对未清洗的断口A和断口B进行腐蚀产物能谱分析，见图6。

图6

图7 断口A微观分析部位

图8 断口B微观分析部位

分析结果微观具有塑性剪切撕裂或剪切形貌；从能谱分析表明断口上主要元素为：O、C、Mn、P、S、AI、Si、Ca等化学成分。

表4

4 主要理化分析结果

(1)放空管线呈明显折弯变形，断裂部位基本位于折弯点内弧侧；

(2)母管物理性能满足相关标准要求；

(3)断口附近硬度相对偏高，这与断口撕裂时发生塑性变形有关，远离断口处的硬度基本正常；

(4)断口分析表明，撕裂处有塑性变形或剪切形貌，微观形貌属钢管原始状态下的表面，不属于断裂面；

(5)能谱分析断口主要元素为O、C、Mn、P、S、AI、Si、Ca等。

图9 管线8寸-PG-1110-8AZD

撕裂母管的化学成分和力学性能符合相关标准要求，管座与母管实际连接形式为熔透焊和填角焊，基本满足GB/T 19326-2003《钢制承插焊、螺纹和对焊支管座》的相关标准。事故重点考虑紧急开启气动截止阀SBDV-1168后由于管线内压骤降形成的附加载荷作用力大于管线薄弱处的管线物理性能导致管口撕裂。

5 管线布置因素

(1)安全泄压管段DN=200mm，水平有效长度较短，压降引起的内力变化较集中。安全泄压阀工作原理，存在瞬时性，稳态工况操作压力为6.04MPa，瞬时工况远大于操作压力。

(2)从24寸主管管座OLET（由于主管比支管大得多，OLET处相当于8寸支管的固定点）水平引出8寸管线约1m弯头后，开始接阀组，压降过程没有足够的柔性吸收大位移变化。

(3)8寸泄压管段，受的摩擦力是内压和自身重力组成，内压力是流体的反方向的力。三个支架点，从表面上看，前面2个支架仅承重，后面第3个支架为轴向限位支架；但第3个支架位置是在变为14寸管径大小头后、法兰前，且立管上的内压力方向为向下，加上支架上的支点（与地面支撑点）摩擦系数大，这个支架的摩擦力和反作用力异常大。

图10 8寸管段支架点

(4)在8寸泄压管段中，有甲醇注入口（8×4管座OLET）；开口为4寸×1-1/2变径口。整体的物理性能会弱于一般无支管口的管段。

从以上分析管口撕裂原因：压降过大，瞬时工况压力远大于操作压力；水平管线有效管段较短，没有足够的柔性吸收位移变化；管线摩擦力大，支架点设置不合理，在一定程度抑制了管线伸缩；从流程图上看，泄压管线从24寸变径至8寸，经泄压阀SBDV-1168后，再变径至14寸后接入30寸的FL系统低压放空主管；这种“大-小-大”管线结构中，相对较小泄压管段产生瞬时压降引起内力变化比大管大得多。

管线布置分析结果：瞬态期间，管线由内力和外力作用下，受管线两端挤压，以管座连接区域较薄弱部位，首先撕裂并迅速沿母管材质扩展。

6 改进措施

(1)CAESAR II模型分析，增大8寸支管的柔性，并将支管的支架与管鞋支架增加PTFE板（降低摩擦系数），使其支架点及各节点应力比尽量小。

图11 8寸管段改进措施

(2)将支架3修改到弯头处，并适当提高该支架的强度，降低立管自身对其他支架点的作用。

(3)在设计许可的情况下适当减少甲醇注入口接管开孔尺寸（可选用较小尺寸的管座），并适当提高注入点母管的壁厚，增加其物理性能。

(4)在非紧急情况下尽可能不开启SBDV-1168阀进行放空或降低开启速度，避免因阀门开启速度过快对管线造成冲击。

◆参考文献

[1] GB/T222-2006，钢的成品化学分析允许偏差[S].

[2] GB/T 19326-2012，锻制承插焊、螺纹和对焊支管座[S].

[3] GB/T 228.1-2010，金属材料 拉伸试验 第一部分：室温试验方法[S].

[4] GB/T 229-2007，金属材料 夏比摆锤冲击试验方法[S].

[5] GB/T 17359-2012，微束分析 能谱法定量分析[S].

[6] GB/T 13298-2015，金属显微组织检验方法[S].

[7] ASME31.3-2016 Pipe Process.