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一起燃气管道泄漏事故原因分析 | 2013-2-16 8:33:00
摘要 本文针对一起液化气配气主管道发生的泄漏事故，从管道所处地理位置、结构、焊接、受力等方面作了详细的原因分析，指出焊接缺陷及管道折点结构不合理是造成焊缝开裂的主要原因。
Abstract The article gives out an example of leakage occurred in liquid gas distribution main pipe and analyzes the reason in location，structure，welding and load etc，and then points out that the cracking of weld joint consists mainly in improper welding and refraction bender of pipe。
关键词 燃气管道 折点 未焊透 应力集中 静不定结构
1997年12月7日，济南市南郊郎茂山地区正在使用的燃气管道主送气管发生泄漏(输送50%液化石油气与50%空气的混合气)。泄漏点位于郎茂山南侧一管道折点处(见图1)。
图1 发生泄漏的管道折点部位平面图
(B为开裂部位，穿透性裂纹长12mm)
位于郎茂山南侧的管道液化气公司南郊制气厂，向市区供气的主管道顺郎茂山东路绕山向北延伸至市区。该段管道于1996年11月施工，1997年1月26日使用。发生事故的折点位于郎茂山南侧山脚下。由于该地区地面以下是坚硬的岩石，遂采用了爆破的方式开挖管沟，因此，此段管道上折点较多。
泄漏点处于图1所示折点焊口上部的焊缝中心，是一沿焊缝纵向长12mm的裂缝(见图1B处)，该折点角度为13(11'，施工中采用了在管道上割斜口对焊的型式。
该管道设计压力0.4Mpa，采用材质为Q235A的螺旋焊管((426×8)焊接而成，管道施工中所选用焊材及焊接环境均符合要求，并经压力为0.6Mpa强度试验(在该压力下进行了焊口检漏)和0.4Mpa气密试验合格。在投入运行不到一年的时间内，运行压力在0.15~0.2Mpa之间，环境温度亦无异常变化。根据现场勘察结果，我们认为有以下影响因素。(风险管理世界网-安全员之家)
(1)较大的拉应力
由于开裂部位两侧地质差别较大，在发生断裂的折点以南，管道隐蔽在管沟内，四周填充黄沙，对管道位移约束很小，而折点以北，管道是在岩石中炸出的沟槽内素土直埋，对管道位移约束很强。当地面载荷作用于管道时，尤其是当载重车辆由南向北驶过铺有管道的路面时(由南向北是斜上坡)，管道所受的载荷在折点处形成一拉力P1，又由于焊缝根部存有未焊透缺陷，其承载截面积减小，从而在有效承载截面上产生一较大的拉应为a1。
a1=P1/A (1)
式中A为焊缝有效承载面积。
(2)较大的弯曲应力
设折点南侧为位移弱约束点，北侧为位移强约束点，可将此段近似简化为静不定梁结构(如图2所示)，当地上载荷施加到管道折点处时，载荷在折点B处便产生一弯曲应力a2，截面B处的弯矩为
MB=-P2/2.(3a2/L2-a3/L3)(L-a) (2)
式中P2为施加到折点处的载荷
a为折点距强约束点c处的距离
L为两约束点的间距
由于焊缝根部存有未焊透，弯曲应力a2将远大于焊缝无缺陷时的弯曲应力。
图2 泄漏点(折点)附近管道约束
近似为静不定梁结构
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(3)较大的剪切应力当地面载荷(载重车辆)通过时，管道完好部位产生的剪应力较小且均匀，但折点(焊缝)处由于承载截面积较小(未焊透)，从而产生一较大的剪切应力τb，设地面载荷在折点处的有效载荷为P2，则载面B处的剪切力Qb=(1-a/L)P2，剪切应力：
τb=Qb/A=(1-a/L)P2/A (3)
式中A为焊缝有效承载截面积。
(4)折点结构不合理造成了应力集中
管道在折点处的对接采用了斜口对接这种不良结构，管道在此处结构突然变形，形成了应力集中部位，当外部载荷和管道内压同时加于该处时，在折点部位就会产生集中应力F。
(5)焊缝中存在焊接缺陷是造成管道破坏的主要原因
管道施工中，由于该折点角度较小(13(11()，施工单位采用了斜口对接的型式。具体施工过程中执行焊接工艺不严格，未能准确地把握好焊口的组对间隙，造成焊缝根部整圈未焊透深约3mm(该焊口割下后证实)，既减小了焊缝的有效壁厚(承载截面积减小)，又促成了应力集中源的存在，严重削弱了焊缝的实际承载能力。
由于以上诸因素的综合作用，经过一段时间的运行，在折点处造成了焊口的断裂。
针对事故发生的原因，选择了较为彻底的修复方案。
第一是用阀门将发生事故的管道隔离，并对管道内可燃气体进行置换。然后将断裂的焊口割下，代之以现场制作的非标弯头，使管道在转角处圆滑过度，从而改变以前斜口对接所造成的不良影响，同时对弯头两端环焊缝作100%射线探伤，以保证焊接质量。
第二是在折点两侧10m处，各加一个混凝土支墩(混凝土现浇)，形状尺寸如图3所示。并且在支墩部位的管道上加钢卡子，在卡子上焊接筋板打入混凝土内，以使管道与混凝土墩牢固地结为一体。目的是使折点两侧管道所受约束相同，改善其受力状况。
图3 修复后的折点结构示意图
(混凝土墩尺寸：1m×1m×1m)
目前，燃气管道设计规范及施工规范中，关于钢质管道的内容较少且不具体。建议设计人员在设计工作中，不仅考虑管道的设计压力，温度和被输送介质，还应考虑管道的具体结构。输送管道不仅受内压的作用，还要受到各种外力的作用，设计时应考虑到各种因素的影响，多参考其它工业部门在类似管道设计中的成熟经验，使钢质燃气管道的设计、施工、检验尽可能做到全面和严密。此外，工程的建设单位和施工单位应切实抓好施工质量管理。施工质量的高低，将直接影响燃气管道的安全运行。
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