张强1 戴联双2

1.国家管网集团科学技术研究总院；2.国家管网集团公司

1  事故概述

2020年2月22日晚上7:00左右，位于美国密西西比州亚祖县433号公路附近，一条二氧化碳管道在公路穿越处发生环焊缝断裂事故，二氧化碳泄漏量估计在31405桶，采用ALOHA计算结果显示，二氧化碳羽流扩散了30～40公里（图 1）。事故未造成人员死亡，但有45人住院，200余人被疏散。

图 1 管道泄漏现场

事故管道建于2007年，全长177 km，管径24in（609 mm），壁厚13.7 mm，管材为X80，设计压力14.89 MPa，事故运行压力为9.67 MPa，二氧化碳处于超临界态，主要用于陆上油井的强化采油（EOR）。

2  分析与测试

事后开展了事故调查，调查结果显示事故的直接原因为当地持续降雨引发公路边坡下陷侧滑，土壤运动引起的轴向应力过载导致管道在环焊缝处发生断裂。企业对地质灾害风险识别、管理不到位，低估了二氧化碳的潜在影响区域，未及时向当地应急管理部门备案等因素，造成了事故后果的进一步扩大。

（1）环焊缝失效分析。失效分析结果表明，环焊缝力学和化学测试结果符合规范要求，不存在明显的制造缺陷或腐蚀缺陷，失效并不是由焊接质量问题引起。失效环焊缝存在低匹配问题，失效主要由于轴向应力过载引起，但失效环焊缝同时表现出韧性和脆性断裂特征。调查认为，可能是由于二氧化碳泄漏后泄漏口处的温度降低，达到了材料从韧性到脆性的转变温度。

（2）宏观分析。管道外表面检查发现，失效环焊缝水平方向断开约8英寸（20.32 cm），上下之间有轻微错位。失效处防腐层发生了损坏，可能是由于管道输送的二氧化碳处于超临界状态，破裂发生后泄漏口处温度骤降形成了干冰的积聚和流动，影响了管道防腐层的附着力，剩余管段的管道防腐层状况良好，未观察到外部腐蚀。对管道内表面检查显示，管道中没有积聚固体或液体，未有点蚀或腐蚀迹象。

环焊缝断裂表面平坦，通常180度角，受影响区域未发现明显减薄。断裂路径在不同位置横跨或穿过焊缝。管道椭圆度及壁厚符合API 5L的要求，对内外表面进行了磁粉检测，未发现裂纹缺陷（图 2）。

图 2 断裂的环焊缝和管道内部

（3）微观形貌分析。采用线切割在断口处取样，并经清洗后进行微观形貌观察。失效环焊缝选择了5个区域M1～M5（1:35、3:55、8:35、10:24、11:37）取样，上游相邻完好环焊缝选择了1个区域MU1（12:24）取样进行对比分析。

缺陷检查。断裂面由各光滑区域和粗糙表面组成，整个断裂面的厚度各不相同。没有证据表明存在制造缺陷。由于断裂表面没有人字纹，因此无法确定失效产生过程的确切位置（图 3）。

图 3 缺陷检查（样品M2）

断口形貌和金相分析。失效焊缝和相邻完好焊缝取样，断口形貌和金相分析如表 1所示。同时，通过扫描电子显微镜（SEM）没有发现预先存在缺陷或疲劳的迹象，并观察到了与韧性断裂相关的凹坑及与脆性断裂相关的平滑裂面的特征。

表 1 不同样品的断口形貌分析

（4）硬度测试。对所有六个金相横截面进行了硬度测试，未发现异常高硬度的区域。失效环焊缝的硬度显示出变化性，这可能与失效期间持续的冷外力有关。结果表明，与管体相比，焊缝金属的硬度更低，焊缝存在低匹配的问题。相邻完好环焊缝的轴向拉伸试验表明，其失效与实际断裂相似，进一步说明了在施加轴向应力的情况下，焊缝处的硬度较低，是过载失效的首选位置（图 4）。

图 4 失效环焊缝样品M4上不同点的硬度水平

（5）机械性能与化学成分测试。管材和焊缝的拉伸试验表明平均屈服强度和极限抗拉强度满足API 5L X80M PSL 2管线在施工时的要求。夏比冲击功测试结果表明，冲击值均超过API 5L X80M PSL 2管线在施工时规定的最小值的规定值。从提取的环焊缝样品的测试结果表明，85%的脆性转变温度（FATT）为59.9°F时，其值是可接受的。化学分析结果表明，管材和焊缝符合API 5L级X80M PSL 2管线管道的成分要求。

3  事故启示

（1）二氧化碳扩散模型低估了可能受到泄漏影响的潜在区域。2011年使用该模型沿管道路由生成了缓冲区，制定了公众宣传计划。但事后发现，受影响村庄未纳入公众宣传计划和当地应急影响计划。

（2）涉事企业没有将管道有关信息向当地应急管理部门备案。应急处置人员在破裂发生约40分钟后才联系了管道企业，影响了对相关情况的了解和及时开展应急响应。

（3）国内企业应建立完善二氧化碳管道相关维护与运行规范。二氧化碳与油气存在明显不同的物理特性，二氧化碳管道具有新的安全隐患。目前国内外尚未明确完整性管理规范是否适用于二氧化碳管道。我们应汲取事故教训尽快开展这方面的工作。

（4）进一步提升应对二氧化碳泄漏的应急处置能力。二氧化碳管道泄漏的响应与其他类型的管道泄漏响应有很大不同，其密度约为空气的1.5倍。泄漏后可能会靠近地面并聚集在狭窄的空间中，例如下水道和雨水渠等低洼地段，无味、无色且不可燃。接触过量二氧化碳会导致头痛、头晕、昏迷、窒息、失去知觉，甚至死亡。应急抢险部门要增加相关科目，抢险人员要做好个人防护。

编译自：《Failure Investigation Report - Pipeline Rupture/ Natural Force Damage》

作者简介：张强，1986年生，高级工程师，注册安全工程师、二级安全评价师、管道检验员，主要从事管道风险评价和完整性相关的研究与应用工作。先后参与制修订行业、企业标准5项，获得国家石油天然气管网集团科技进步奖、中国职业安全健康协会科学技术奖、河北省石油学会科技进步奖等奖项。联系方式：0316-2072640，zhangqiang14@pipechina.com.cn。