黃健文

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

1 概況

2019年8月超強臺風“利奇馬”登陸時中心附近最大風力達17級，對海上油田某終端設施造成很大破壞。期間終端正常生產(chǎn)，由于受到供電故障影響終端生產(chǎn)關(guān)停，且不具備恢復生產(chǎn)的條件。終端關(guān)停后，海管上岸壓力呈快速上漲趨勢，終端中控通過遠程打開預處理單元預冷器放空管線的泄壓閥SBDV-1168對海管壓力進行泄放。

圖1 泄壓管線

(1)第一次閥門打開時間為11:20-11:28，開啟閥門前溫度為24℃，壓力為6.4612MPa。持續(xù)時間8分鐘；

(2)第二次閥門打開時間為11:37-11:46，開啟閥門前溫度為23℃，壓力為6.0412MPa。持續(xù)時間9分鐘。

第一次開閥是因為下游關(guān)停后海管壓力上升較快，對系統(tǒng)進行泄壓，降低海管上岸壓力，開啟幾分鐘后發(fā)現(xiàn)海管壓力有下降趨勢，在11:28關(guān)閉閥門。閥門關(guān)閉后海管壓力又呈上升趨勢，在11:37再次開啟閥門進行泄壓，11:46發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場有泄漏，即關(guān)閉閥門，操作人員到現(xiàn)場確認管線上甲醛注入口撕裂，見圖2、圖3。事故管線主要技術(shù)參數(shù)：管線壓力等級：8MPa；材質(zhì)：20#鋼；法蘭壓力等級Class 600。該段管線于2012年底開始投入使用，正常工況時無介質(zhì)通過，為常溫常壓狀態(tài)。

圖2 管線被破壞后

2 材料樣品分析

圖3 管線甲醛注入口被撕裂后

2.1 宏觀分析

分析樣品見圖4，分別為撕裂口母管（編號1#）、母管相連的甲醛注入口管座及法蘭（編號2#）。由于2#樣品上的原始端口已被打磨掉，因此實驗分析工作重點針對1#樣品進行。

圖4

圖4樣品明顯呈彎曲狀態(tài)，斷裂口位于彎曲內(nèi)弧的中部，內(nèi)外壁均未見有明顯的腐蝕跡象，在斷口附近有長約35mm的軸向裂紋。

圖5

從圖5可見撕裂口大致呈菱形狀，棱形上部有明顯撕裂形成的折皺，為撕裂斷面。而棱形下部斷口很平整，疑是原始表面，斷口各處上未發(fā)現(xiàn)有可能導致斷裂發(fā)生的原始缺陷存在。

2.2 化學成分分析

對樣品進行化學成分分析，分析結(jié)果見表1，分析表明，母管的化學成分滿足相關(guān)標準要求。

表1

2.3 拉伸試驗

從樣品的母管上取樣進行室溫拉伸試驗，試驗結(jié)果見表2，結(jié)果表明母管的強度和延伸率均滿足相關(guān)標準要求。

表2

2.4 沖擊試驗

從母管上截取小尺寸沖擊試驗，結(jié)果見表3，母管在0℃時仍有較高的韌性儲備。

表3

3 微觀分析

對未清洗的斷口A和斷口B進行腐蝕產(chǎn)物能譜分析，見圖6。

圖6

圖7 斷口A微觀分析部位

圖8 斷口B微觀分析部位

分析結(jié)果微觀具有塑性剪切撕裂或剪切形貌；從能譜分析表明斷口上主要元素為：O、C、Mn、P、S、AI、Si、Ca等化學成分。

表4

4 主要理化分析結(jié)果

(1)放空管線呈明顯折彎變形，斷裂部位基本位于折彎點內(nèi)弧側(cè)；

(2)母管物理性能滿足相關(guān)標準要求；

(3)斷口附近硬度相對偏高，這與斷口撕裂時發(fā)生塑性變形有關(guān)，遠離斷口處的硬度基本正常；

(4)斷口分析表明，撕裂處有塑性變形或剪切形貌，微觀形貌屬鋼管原始狀態(tài)下的表面，不屬于斷裂面；

(5)能譜分析斷口主要元素為O、C、Mn、P、S、AI、Si、Ca等。

圖9 管線8寸-PG-1110-8AZD

撕裂母管的化學成分和力學性能符合相關(guān)標準要求，管座與母管實際連接形式為熔透焊和填角焊，基本滿足GB/T 19326-2003《鋼制承插焊、螺紋和對焊支管座》的相關(guān)標準。事故重點考慮緊急開啟氣動截止閥SBDV-1168后由于管線內(nèi)壓驟降形成的附加載荷作用力大于管線薄弱處的管線物理性能導致管口撕裂。

5 管線布置因素

(1)安全泄壓管段DN=200mm，水平有效長度較短，壓降引起的內(nèi)力變化較集中。安全泄壓閥工作原理，存在瞬時性，穩(wěn)態(tài)工況操作壓力為6.04MPa，瞬時工況遠大于操作壓力。

(2)從24寸主管管座OLET（由于主管比支管大得多，OLET處相當于8寸支管的固定點）水平引出8寸管線約1m彎頭后，開始接閥組，壓降過程沒有足夠的柔性吸收大位移變化。

(3)8寸泄壓管段，受的摩擦力是內(nèi)壓和自身重力組成，內(nèi)壓力是流體的反方向的力。三個支架點，從表面上看，前面2個支架僅承重，后面第3個支架為軸向限位支架；但第3個支架位置是在變?yōu)?4寸管徑大小頭后、法蘭前，且立管上的內(nèi)壓力方向為向下，加上支架上的支點（與地面支撐點）摩擦系數(shù)大，這個支架的摩擦力和反作用力異常大。

圖10 8寸管段支架點

(4)在8寸泄壓管段中，有甲醇注入口（8×4管座OLET）；開口為4寸×1-1/2變徑口。整體的物理性能會弱于一般無支管口的管段。

從以上分析管口撕裂原因：壓降過大，瞬時工況壓力遠大于操作壓力；水平管線有效管段較短，沒有足夠的柔性吸收位移變化；管線摩擦力大，支架點設置不合理，在一定程度抑制了管線伸縮；從流程圖上看，泄壓管線從24寸變徑至8寸，經(jīng)泄壓閥SBDV-1168后，再變徑至14寸后接入30寸的FL系統(tǒng)低壓放空主管；這種“大-小-大”管線結(jié)構(gòu)中，相對較小泄壓管段產(chǎn)生瞬時壓降引起內(nèi)力變化比大管大得多。

管線布置分析結(jié)果：瞬態(tài)期間，管線由內(nèi)力和外力作用下，受管線兩端擠壓，以管座連接區(qū)域較薄弱部位，首先撕裂并迅速沿母管材質(zhì)擴展。

6 改進措施

(1)CAESAR II模型分析，增大8寸支管的柔性，并將支管的支架與管鞋支架增加PTFE板（降低摩擦系數(shù)），使其支架點及各節(jié)點應力比盡量小。

圖11 8寸管段改進措施

(2)將支架3修改到彎頭處，并適當提高該支架的強度，降低立管自身對其他支架點的作用。

(3)在設計許可的情況下適當減少甲醇注入口接管開孔尺寸（可選用較小尺寸的管座），并適當提高注入點母管的壁厚，增加其物理性能。

(4)在非緊急情況下盡可能不開啟SBDV-1168閥進行放空或降低開啟速度，避免因閥門開啟速度過快對管線造成沖擊。

◆參考文獻

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