一起因焊接質(zhì)量引發(fā)的天然氣管道破裂爆炸事故

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事故概述2010年9月9日下午6:11，由PG&E（太平洋燃?xì)怆娏荆┻\(yùn)營(yíng)管理的132天然氣管線39.28km處發(fā)生破裂，隨后爆炸。事故發(fā)生在美國(guó)加利福尼亞州圣布魯諾的一處居民區(qū)，位于伯爵大街和格倫維尤快車道的交叉路口。爆炸形成一個(gè)長(zhǎng)22m，寬7.9m的大坑。一段長(zhǎng)8.5m，重1.36t的破裂管道在爆炸中被彈射至坑南30m。PG&E公司預(yù)估泄漏的天然氣達(dá)1.35×106m3。泄漏的天然氣遇明火發(fā)生爆炸，隨后引發(fā)重大火災(zāi)，導(dǎo)致38所房屋被毀壞，70所房屋受到嚴(yán)重?fù)p傷，8人死亡，多人受傷，大批居民逃離該區(qū)域（圖1～6）。根據(jù)PG&E的記錄，破裂管段建于1956年，管徑762mm，壁厚9.525mm，（API）5LX42無縫鋼管（后續(xù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)這個(gè)記錄是錯(cuò)誤的）。132管線最大許用操作壓力（MAOP）為2.758MPa。PG&E規(guī)定的最大運(yùn)行壓力為2.586MPa。2

事故受損情況132管線破裂爆炸火災(zāi)影響區(qū)域以管道爆炸點(diǎn)為中心半徑約183m，主要向東北方向蔓延?；馂?zāi)波及108座房屋，其中30座被摧毀，17座嚴(yán)重?fù)p壞，53座輕微損壞。此外，74輛汽車、一個(gè)公園林地和一個(gè)游樂場(chǎng)被損壞或燒毀。根據(jù)PG&E報(bào)告，管道修理費(fèi)用1350萬美元，泄漏天然氣價(jià)值26.3萬美元。3

事故管道的檢測(cè)破裂管道和其南北各截取的管道均送至NTSB材料實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)。南部截取段為直縫鋼管的一部分，中間段（即破裂爆炸段）由4根短管和與南部截取段相連接的直縫鋼管的一部分焊接而成，北部段由2根短管和另一端的直縫鋼管的一部分組成。為方便識(shí)別，6根短管由南至北依次編號(hào)1–-6，連接短管的環(huán)焊縫由南至北依次編號(hào)C1–C7（圖7）。1–5號(hào)短管長(zhǎng)度1.092～1.187m，6號(hào)管1.378m。所有6根短管、南部直管的公稱壁厚都為9.525mm。但是，北部直管的公稱壁厚只有7.925mm。而據(jù)1956年改線工程相關(guān)資料記載的管道型號(hào)，所有管道公稱壁厚均應(yīng)為9.525mm、直徑均為762mm。從管體外表面未發(fā)現(xiàn)任何可視的腐蝕區(qū)域。1–3號(hào)短管段的縱向直焊縫均采用熔焊方法加工，直焊縫外部由沉積的熔敷焊接金屬連接，但是內(nèi)部由于存在未焊透區(qū)域，1號(hào)短管的焊縫余高被打磨平了。未焊透區(qū)域貫穿整個(gè)直焊縫內(nèi)部。經(jīng)過表面磨削加工，1、2、3號(hào)短管直焊縫未焊透區(qū)域深度分別為4.115mm、4.953mm和4.110mm。目測(cè)（內(nèi)部）也能檢測(cè)到這樣的焊縫缺陷。1號(hào)短管直焊縫內(nèi)表面存在錯(cuò)邊，其角度差為15度，2號(hào)短管角度差為0，3號(hào)為7～10度。南北兩端的直縫管和6號(hào)短管為標(biāo)準(zhǔn)的雙面埋弧焊接直縫鋼管，管壁內(nèi)外表面均為埋弧焊接。內(nèi)外焊層疊加，焊縫外部表面凸起較為平滑。這樣的管道不存在焊縫或表面缺陷。4、5號(hào)短管的縱向焊縫外部均采用熔焊處理，內(nèi)部采用手工電弧焊。焊縫外表面經(jīng)過了打磨處理。4號(hào)短管接近焊透，5號(hào)短管外部熔深1.85mm，內(nèi)部熔深1.83mm。經(jīng)X光檢測(cè)，4號(hào)短管直焊縫存在表面未焊透、氣孔、咬邊缺陷，5號(hào)短管整個(gè)直焊縫區(qū)均存在未焊透缺陷。所有環(huán)焊縫內(nèi)外表面均采用手工電弧焊焊接，除了C1和C6，其他環(huán)焊縫至少包含一處未熔合、夾雜和氣孔缺陷。所有環(huán)焊縫均包含未焊透缺陷，且C2和C3存在咬邊缺陷。所有環(huán)焊縫外表面均未進(jìn)行打磨處理。部分短管還存在斜接。管體破裂起源于中間段1號(hào)短管的直焊縫，C1環(huán)焊縫以北0.516～0.577m處存在的未焊透裂紋的位置。光學(xué)和電子顯微鏡的檢測(cè)結(jié)果表明，管體發(fā)生破裂前，裂紋在其初始位置通過兩種模式擴(kuò)展。裂紋首先在焊縫根部發(fā)生韌性斷裂，其擴(kuò)展導(dǎo)致焊接連接區(qū)域逐漸減小，管體破裂初始位置裂紋達(dá)6.096cm，并占據(jù)整個(gè)區(qū)域的33%（一階段）；裂紋隨后以疲勞斷裂模式增長(zhǎng)，使得連接區(qū)域進(jìn)一步減小約10%（二階段）；最終發(fā)生準(zhǔn)解理斷裂導(dǎo)致管體破裂（三階段）（圖10）。只在1號(hào)短管的焊縫根部發(fā)現(xiàn)小范圍的疲勞裂紋，其他短管的直焊縫根部均表現(xiàn)為韌性斷裂，且其邊緣沒有疲勞跡象。制管鋼材的軋制方向取決于對(duì)鋼材熱軋方向和在熱軋過程中變形的硫化錳夾雜物變形方向的評(píng)估。在南北兩邊端管和6號(hào)短管表面可以觀察到沿縱向的細(xì)長(zhǎng)的夾雜物纖維軋制痕跡，這與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管材制造方向一致。在1、2、3、5號(hào)短管表面觀察到的軋制方向卻為橫向，與標(biāo)準(zhǔn)不一致。4號(hào)短管的方向不確定。4號(hào)短管的化學(xué)成分與其它管段有極大區(qū)別，其磷，銅，錫的含量很高，與回收廢料冶煉的金屬一致。1、2、3和5號(hào)短管是PG&E從CW（西部聯(lián)合鋼鐵公司）購(gòu)買的，它們既不符合X52材料性能規(guī)范的最低屈服強(qiáng)度要求，也不符合X42的要求（在PG&E公司的GIS系統(tǒng)上被錯(cuò)誤登記為X42）。4號(hào)和6號(hào)短管的屈服強(qiáng)度符合X42的最低屈服強(qiáng)度要求，但不符合X52的要求。南北兩邊的管道符合管材屈服強(qiáng)度要求。4

事故調(diào)查結(jié)果（1）事故調(diào)查排除了地震活動(dòng)、腐蝕、第三方破壞、玩忽職守等因素。（2）由多根短管組成的事故管道不符合PG&E公司的規(guī)范或其他已知規(guī)范；事故管段也不符合公認(rèn)的工業(yè)質(zhì)量控制和1956年的焊接標(biāo)準(zhǔn)。（3）在1956年的改線工程中，PG&E質(zhì)量控制措施不到位導(dǎo)致安裝了存在缺陷的管道并且運(yùn)營(yíng)期間沒有發(fā)現(xiàn)其問題，導(dǎo)致半個(gè)世紀(jì)過去后發(fā)生了重大事故。（4）132管線斷裂源于縱向焊縫存在的未焊透缺陷，這是塑性裂紋和疲勞裂紋逐步擴(kuò)展導(dǎo)致管道承壓能力下降引起的管道破裂。（5）由于事故管道存在焊接缺陷，在內(nèi)壓的作用下逐步使裂紋擴(kuò)展；在失效發(fā)生前，132號(hào)管線的運(yùn)行壓力沒有超過PG&E規(guī)定的最大運(yùn)營(yíng)壓力。（6）PG&E缺乏詳細(xì)全面的規(guī)程應(yīng)對(duì)大規(guī)模的緊急事件（如管體的破裂），沒有明確應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)，也沒有給SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）工作人員和其他相關(guān)人員分配具體職責(zé)。（7）PG&E的SCADA系統(tǒng)的局限性，延遲了管體斷裂事故確認(rèn)和快速定位，用了95分鐘才關(guān)斷了管道斷裂位置兩端的截?cái)嚅y，導(dǎo)致大量的天然氣泄漏燃燒。如果全線使用自動(dòng)關(guān)斷閥或遠(yuǎn)程控制閥，或?qū)⒋蟠鬁p少天然氣泄放量，降低燃燒程度。（8）1970年美國(guó)運(yùn)輸局（DOT）規(guī)定所有管道要進(jìn)行水壓試驗(yàn)，同時(shí)提出“1970年施工的管道可以免除進(jìn)行水壓試驗(yàn)”條款，這個(gè)條款沒有任何安全依據(jù)。如果132管線當(dāng)時(shí)進(jìn)行了1.25倍MAOP（最大容許操作壓力）壓力測(cè)試，那么很可能暴露出這次重大事故的管體缺陷。（9）PG&E沒有制定有效的完整性管理計(jì)劃，未基于管道面臨的威脅選擇合適的內(nèi)檢測(cè)技術(shù)。同時(shí)，缺乏公眾教育與宣傳，導(dǎo)致事故狀態(tài)下的組織管理、人員疏散等措施不到位。5

事故原因NTSB（美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)）最終確定的事故原因，一是PG&E在1956年的132線改線工程中，因質(zhì)量控制不合格，致使安裝了有焊接缺陷的管道，其焊縫缺陷甚至可以用肉眼觀察到。隨著時(shí)間的推移缺陷達(dá)到臨界尺寸，并由于米爾皮塔斯首站不良的電氣工程設(shè)計(jì)導(dǎo)致的一次升壓，造成管體破裂。二是PG&E管道完整性管理規(guī)程不足，未能發(fā)現(xiàn)并及時(shí)修復(fù)或移除缺陷管段。此外，CPUC（加利福尼亞公共設(shè)施委員會(huì)）和DOT