路民旭

北京科技大學(xué)

 

今年11月22日，是山東省青島市“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故10周年。5年前，我曾應《管道保護》編輯部之邀，就這起事故接受采訪(fǎng)，撰寫(xiě)了事故原因分析文章，與管道保護微信群的同仁進(jìn)行了互動(dòng)交流。今年恰逢事故發(fā)生10周年，早在9月份編輯部就向我約稿，希望我能再寫(xiě)點(diǎn)東西以紀念逝者，警醒來(lái)者，讓悲劇不再重演，讓我們的發(fā)展和生活環(huán)境更加平安和諧。

2013年11月下旬，我在日本JFE鋼鐵廠(chǎng)考察訪(fǎng)問(wèn)期間，突然接到國家安監總局通知，要我盡快趕回國內參加青島事故調查。我立即于23日當天乘飛機趕回北京，晚上便抵達了青島。我和中國石油大學(xué)（北京）于達教授、西南石油大學(xué)李長(cháng)俊教授、石油管工程技術(shù)研究院霍春勇教授主要任務(wù)是調查泄漏原因和泄漏量。24日上午我們來(lái)到事故現場(chǎng)，親眼目睹爆炸所造成的巨大破壞：青島經(jīng)濟開(kāi)發(fā)區秦皇島路和齋堂島街一帶排水暗渠水泥蓋板被爆炸氣浪全部掀翻，橫七豎八散落在馬路上。周邊的麗東化工廠(chǎng)、益和電器公司的部分建筑嚴重損毀，滿(mǎn)目瘡痍。據事后確認公布，這次事故共造成63人死亡、156人受傷，直接經(jīng)濟損失75 172萬(wàn)元。

我們在事故發(fā)生地點(diǎn)調查發(fā)現，輸油管道在秦皇島路橋涵南半幅頂板下架空穿過(guò)，與排水暗渠交叉。橋涵內設3座支墩，管道通過(guò)支墩洞孔穿越暗渠。了解到與排水暗渠交叉段的輸油管道所處區域土壤鹽堿和地下水氯化物含量高，排水暗渠內隨著(zhù)潮汐變化海水倒灌，輸油管道長(cháng)期處于干濕交替的海水鹽霧腐蝕環(huán)境。管道上部市政道路大型載重卡車(chē)往來(lái)頻繁，使得管道承受比較大的載荷和振動(dòng)，防腐層在力學(xué)作用下老化破損。分析判斷，在防腐層破損之后，管道金屬與墻體發(fā)生直接接觸，電化學(xué)腐蝕減薄加速，管道壁厚減薄，在內壓作用下導致破裂，造成大批量原油瞬間泄漏。下面，我根據當年掌握的一些資料，簡(jiǎn)要回顧介紹一下事故管道情況和圍繞事故原因所開(kāi)展的分析研究工作。

1  事故管道情況

東黃輸油管道1985年建設，1986年投產(chǎn)。管道材質(zhì)為日本進(jìn)口A(yíng)PI5L X60，規格Φ711.2 mm直縫焊接鋼管，站間管道壁厚采用變壁厚設計，壁厚分別為8.74 mm、7.92 mm和7.14 mm，穿跨越段設計最大壁厚9.52 mm。管道外壁采用石油瀝青玻璃布防腐，外加電流陰極保護，距離事故段最近的陰保間位于約15 km處。事故發(fā)生段原來(lái)是埋地管道，管道壁厚為7.14 mm。

事故位置管道與排水暗渠交叉穿越，管道采用水泥管墩支撐，排水暗渠上方覆蓋水泥蓋板，其上為瀝青道路。事故發(fā)生時(shí)，穿越段管道整體擠壓變形，呈扁平狀，如圖 1所示。管道與排水暗渠墻體穿越位置處發(fā)生開(kāi)裂，斷口位置如圖 2所示。

圖 1 事故段管道整體擠壓變形

圖 2 事故段管道開(kāi)裂位置

開(kāi)裂段管道下部壁厚明顯減薄，超聲波測厚檢查斷口處最薄為2.74 mm�，F場(chǎng)測試表明腐蝕泄漏發(fā)生在墻體外15 cm、管道下部的6點(diǎn)鐘位置，管道開(kāi)裂斷口附近內壁腐蝕輕微，局部區域外壁腐蝕嚴重，斷口附近外表面布滿(mǎn)腐蝕坑，最大坑深測量值超過(guò)3 mm，外腐蝕情況如圖 3所示。

圖 3 開(kāi)裂位置管道外腐蝕照片

2  管道屈服壁厚和爆裂壁厚的計算和分析

按照管道爆裂理論，管道爆裂有兩種方式，一種是先漏后破，腐蝕穿孔泄漏之后再發(fā)生爆裂；一種是先破后漏，管道先發(fā)生破裂隨后發(fā)生泄漏。根據現場(chǎng)情況分析，應該屬于先破后漏事故。數值計算考慮了兩種情況：以管道底部6點(diǎn)鐘位置為中心，一種在60°扇形面積內發(fā)生腐蝕，另一種在120°扇形面積內發(fā)生腐蝕。

（1）腐蝕管道屈服壁厚和爆裂壁厚的理論分析。

假設管道沿著(zhù)整個(gè)壁厚均勻減薄以簡(jiǎn)化計算。管道環(huán)向應力計算公式如下：

即管道進(jìn)入屈服時(shí)的剩余壁厚為4.12 mm，管道爆裂時(shí)的剩余壁厚為3.30 mm。

實(shí)際上，管道屈服以后管徑不斷增大。假設按管道10%和20%延伸率分別進(jìn)行計算，則管道爆裂的剩余壁厚分別為：

也就是說(shuō)，不考慮屈服后管徑增加和考慮屈服后管徑增加10%和20%情況下，管道爆裂對應的剩余壁厚分別為3.30 mm、 3.63 mm和3.96 mm。

（2） 60°和120°扇形面積內腐蝕模擬計算分析。

東黃輸油管道管徑711.2 mm，壁厚7.14 mm，內壓4.8 MPa；名義屈服強度413.7 MPa，名義斷裂強度517.1 MPa；X60的延伸率一般取30%（標準沒(méi)有給出延伸率），計算可得真實(shí)斷裂強度為672.2 MPa。

腐蝕發(fā)生在管道底部60°扇形面積。假設60°扇面腐蝕沿管線(xiàn)軸向無(wú)限伸長(cháng)，減薄深度分別為2.50 mm，3.00 mm，3.50 mm，4.00 mm；對應的腐蝕剩余壁厚則分別為4.64 mm，4.14 mm，3.64 mm，3.14 mm。計算結果表明，當腐蝕深度達到3.00 mm，管道剩余壁厚4.14 mm時(shí)，管道減薄區域整體進(jìn)入屈服。當腐蝕深度達到4.00 mm，管道剩余壁厚3.14 mm前時(shí)，管道已經(jīng)無(wú)法承受內壓而發(fā)生爆裂。

腐蝕發(fā)生在管道底部120°扇形面積。假設腐蝕發(fā)生在管道底部120°扇形范圍內，造成大面積減薄，經(jīng)模擬計算結果表明，當腐蝕深度達到3.00 mm，剩余壁厚為4.14 mm時(shí)，腐蝕減薄部位整體進(jìn)入屈服。當缺陷深度達到3.50 mm，剩余壁厚3.64 mm時(shí)，將無(wú)法承受內壓而發(fā)生爆裂。

3  現場(chǎng)調查與測試

調查組對事故管段附近的雜散電流干擾及陰極保護情況進(jìn)行了調查和測試，對土壤腐蝕性進(jìn)行了實(shí)驗室分析，并查閱了事故管段近年來(lái)的外防腐層檢測數據、陰極保護有效性檢測數據以及管體檢測數據。分析結果如下。

（1）土壤腐蝕性測試。

事故管段周?chē)�土壤以沙石為主，疏松，較為潮濕�，F場(chǎng)取樣位置共有5處，1號位于大煉油管道附近（分別從地表和地下取土樣進(jìn)行分析），2號位于青島麗東化工廠(chǎng)門(mén)口西側， 3號位于事故點(diǎn)西側殘留管段，4號位于殘留管段西側665 m處，5號位于殘留管段西側680 m測試樁。

檢測發(fā)現，現場(chǎng)土壤中的氯離子濃度接近或超過(guò)600 mg/kg，高于37～370 mg/kg普通氯離子濃度范圍，屬于高氯離子土壤，腐蝕性較強。綜合分析，4號位置土壤腐蝕性強，其他位置土壤腐蝕性屬于中等或弱。4號位置處管道靠近排污管道，且排污管道有破損，污水泄漏后滲入土壤內，導致土壤電阻率和氧化還原電位均遠低于其他位置，腐蝕性增強。

（2）管道交流干擾測量。

現場(chǎng)勘查結果顯示，管道與10 kV和35 kV高壓輸電線(xiàn)路并行。測量了二處管道的交流干擾情況：一處位于事故點(diǎn)西側680 m測試樁，另一處位于事故點(diǎn)西側700 m。測量結果表明，管道交流干擾電壓低于4 V，交流電流密度低于30 A/m²，參考GB/T 50698―2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準》等標準規定，說(shuō)明在當前高壓線(xiàn)的運行負荷下，穩態(tài)交流干擾程度為弱，管道與高壓輸電線(xiàn)桿塔間距為5.0 m～7.0 m，接近標準要求的臨界值。

（3）管道陰極保護效果測試。

現場(chǎng)調研及測試表明，事故管段采用外加電流陰極保護方式，陰保間距事故管段約15 km，當時(shí)陰極保護系統仍在正常運行，運行參數為輸出電壓7.0 V，輸出電流4.0 A，控制電位（參比電位）1494 mV。

對事故點(diǎn)西側殘留管段以西700 m范圍內管地通電電位、斷電電位進(jìn)行測量，測試間距為10 m。測量結果表明該管段通電電位﹣0.83 VCSE～ ﹣1.05 VCSE，斷電電位﹣0.78 VCSE～﹣1.01 VCSE，如圖 4所示。此外，現場(chǎng)檢測該區域內未施加陰保管道及試片的自然電位為﹣0.48 VCSE～﹣0.63 VCSE。

圖 4 管道陰極保護電位測量結果

依據GB/T 21447―2008《鋼制管道外防腐控制規程》6.6.2、GB/T 21448―2008《埋地鋼制管道陰極保護技術(shù)規范》4.3規定。測試管道通電電位、斷電電位均滿(mǎn)足﹣0.85 VCSE的最小保護電位指標或100 mV極化偏移指標。因此判斷管道事故點(diǎn)西側殘留管段以西700 m范圍內管道具備一定的陰極保護效果。

4  事故管段外腐蝕機理探討

（1）涂層損傷和老化導致防腐層過(guò)早失效。

事故管段穿越排水暗渠上方覆蓋水泥蓋板，蓋板以上為瀝青道路，經(jīng)常有大型載重車(chē)輛穿行。上部重載車(chē)輛振動(dòng)在管道上的作用力不大，對管道本體的力學(xué)損傷可以忽略不計。但是，管道上部重載車(chē)輛載荷對防腐層破損影響很大，這是因為管道防腐層直接放在水泥墻上，管道和內部原油自重和延伸管道上部的部分土壤自重，都加載在防腐層上，而下部水泥墻對管道防腐層下部是剛性約束，不像土壤可以按照彈簧受力模型對防腐層進(jìn)行一些緩沖。研究表明，上部車(chē)輛振動(dòng)載荷導致的小幅波動(dòng)載荷（ripple loading）會(huì )對防腐層膠黏劑與管道之間粘結強度不斷造成損傷，導致防腐層與管道之間過(guò)早的脫粘[1,2]。

另外，途經(jīng)城區的情況復雜，開(kāi)挖多，復填多，涉第三方施工多，工程質(zhì)量監督不到位，損傷經(jīng)常發(fā)生。地鐵高鐵等引起的雜散電流腐蝕也比較突出！如果這種情況導致防腐層損傷，又有地鐵雜散電流影響，則防腐層破損的地方往往是雜散電流的流入流出點(diǎn)，電流流入則會(huì )導致氫脆或者陰極剝離，電流流出則會(huì )導致腐蝕。

同時(shí)，由于靠近排水暗渠，會(huì )受暗渠內污水影響。防腐層在力學(xué)和化學(xué)的綜合作用下易出現局部破損，管道失去防腐層保護，直接接觸腐蝕介質(zhì)則加速腐蝕。

（2）管道陰極保護效果下降且測試電位困難。

盡管事故段西側殘留管段測得具備一定的陰極保護效果，但事故泄漏點(diǎn)位置陰保電位準確數據已經(jīng)無(wú)法獲得，對于該位置處的保護效果及電位測量存在以下問(wèn)題。

一是管道穿越墻體底部涂層受損，涂層缺陷位置處的陰極保護電位相對于沒(méi)有缺陷位置處存在明顯正移，保護效果下降。為了對比涂層缺陷處陰極保護電位和其他位置的差異，進(jìn)行了數值模擬計算，所建模型局部放大如圖 5所示。

圖 5 數值計算網(wǎng)格模型圖

當防腐層破損處位于墻體內側30 mm～90 mm，分別處于管道下方60°和120°時(shí)管道外表面電位分布如圖 6所示。

圖 6 管道電位分布計算結果

由以上計算結果可以看出防腐層破損處的陰極保護電位要明顯正于其他位置，保護效果下降。

①管道穿越混凝土墻體界面位置對陰極保護電流存在一定的屏蔽效應，界面靠近懸空管段，沒(méi)有連續電解質(zhì)，陰保電流無(wú)法到達；混凝土墻體電阻率一般高于土壤電阻率，故對陰極保護電流也存在陰保屏蔽作用。

②泄漏點(diǎn)上方為水泥墻體和瀝青道路，由于瀝青道路的絕緣性，不通過(guò)瀝青路面打孔，在地表很難準確測得路面下管道的真實(shí)極化電位。

③放置在地表的參比電極測量得到的管地電位，是由地表參比電極向下輻射120°范圍內管道表面上各極化電位的綜合體現。

④目前現有國標中沒(méi)有給出管體穿越墻體界面結構的陰極保護電位測試方法。

二是管道穿越墻體界面富氧環(huán)境導致腐蝕速率加快。管體穿越墻體界面處環(huán)境的氧含量要高于土壤側，同時(shí)界面位置處受到排污暗渠內污水、倒灌海水等影響濕度高，由于O2為強去極化劑，同時(shí)又有水分存在，腐蝕速率會(huì )大大加快， O2含量對金屬腐蝕電位和腐蝕速率的影響如圖 7所示。

圖 7 氧含量對腐蝕速率的影響[3]

此外，管體穿越墻體界面兩側也會(huì )存在鹽濃度差，同時(shí)還遭受排污暗渠中細菌的腐蝕，均會(huì )使得界面處的腐蝕加速。

三是氧濃差電池導致管道距離墻體表面1 m之內腐蝕嚴重。管體穿越墻體界面靠近排污暗渠側氧含量較高，靠近墻體側氧含量較低，會(huì )在局部形成氧濃差腐蝕電池，加速缺氧位置處的腐蝕，從而導致墻體內側1 m范圍內局部腐蝕嚴重。這個(gè)類(lèi)似于穿越路面的管道由于氧濃差電池導致管道腐蝕，如圖 8所示。

圖 8 穿路管道氧濃差腐蝕電池形成

根據以上分析，東黃輸油管道泄漏原因為：首先由于與排水暗渠交叉段的輸油管道所處區域土壤鹽堿和地下水氯化物含量高，同時(shí)排水暗渠內隨著(zhù)潮汐變化海水倒灌，輸油管道長(cháng)期處于干濕交替的海水鹽霧腐蝕環(huán)境；其次管道上部是市政重要道路，大型載重卡車(chē)往來(lái)頻繁，使得管道承受比較大的載荷和振動(dòng)，導致管道下部與墻體接觸的防腐層在力學(xué)作用下首先老化破損；防腐層破損之后，管道金屬與土壤發(fā)生直接接觸，電化學(xué)腐蝕減薄加速，導致管道底部壁厚減薄到不足3 mm，在內壓作用下導致大面積破裂，造成大批量原油瞬間泄漏。泄漏點(diǎn)位于秦皇島路橋涵東側墻體外15 cm左右，處于管道正下部位置。

5  評價(jià)結論

（1）管道現場(chǎng)發(fā)現在暗涵和管道交叉處墻體內部6點(diǎn)鐘位置大約30 mm～90 mm部位發(fā)生大面積腐蝕減薄，導致管道腐蝕爆裂，腐蝕最薄處測試厚度3.18 mm。

（2）根據力學(xué)理論分析和數值計算結果，在大面積腐蝕的情況下，管道腐蝕剩余壁厚達到3.30 mm，就會(huì )導致腐蝕爆裂，與所測爆裂厚度相符。

（3）管道接近事故點(diǎn)西側700 m段陰極保護測試表明，陰極保護電位符合國家標準。外部交流輸電線(xiàn)路對管道的干擾造成的腐蝕速率較小，不是主要原因。

（4）事故發(fā)生處管道處于暗涵和道路下方，對陰極保護和管道防腐層破損測試造成重大障礙，是導致目前所有外檢測技術(shù)都沒(méi)有測試出有關(guān)腐蝕事故的主要原因之一。

（5）失效事故處管道6點(diǎn)鐘位置防腐層在管道本身承載和路面車(chē)輛振動(dòng)力學(xué)作用下，會(huì )導致過(guò)早老化和失效，促進(jìn)腐蝕減薄。

6  啟示

青島“11·22”事故是一場(chǎng)災難，也是一筆寶貴財富。它像警鐘長(cháng)鳴，時(shí)刻提醒我們要把安全擺在第一位。正如習總書(shū)記強調的：人命關(guān)天，發(fā)展決不能以犧牲人的生命為代價(jià)。當前我國管道安全所面臨問(wèn)題的復雜程度遠比西方國家大得多、面臨的風(fēng)險也多得多。鋼管材料研制和應用在較短時(shí)間里實(shí)現了從單純依靠進(jìn)口到國產(chǎn)化，X80鋼鋼管敷設里程達到全世界之最。管道建設速度也很驚人，前幾年幾乎以每年數千公里的速度增長(cháng)，目前達到12萬(wàn)多公里。當前管道安全首先面臨三大突出風(fēng)險：高壓直流輸電系統對油氣管道的安全影響；復雜地質(zhì)條件下管道的服役安全問(wèn)題；X80鋼環(huán)焊縫缺陷的安全保障問(wèn)題。管道面臨的外部干擾問(wèn)題日益突出，我們對管道在各種外部干擾作用下的失效機理和失效規律方面的研究和認識還很不深入。

目前我們正在和國內油氣管道、電網(wǎng)和地鐵等公司合作，共同研究解決高壓交直流輸電線(xiàn)路、高鐵、城鐵雜散電流對管道干擾和影響問(wèn)題。國內不少單位也在開(kāi)展對含缺陷管道的剩余壽命評價(jià)和剩余強度的評價(jià)方法和焊縫缺陷、熱影響區、止裂韌性等關(guān)鍵問(wèn)題的研究。管道企業(yè)針對近期發(fā)生的幾起安全事故進(jìn)一步加強管道建設和運行管理，解決外部載荷過(guò)重以及復雜地質(zhì)條件下管道服役等關(guān)鍵問(wèn)題。智慧管道建設也應該突出考慮管道的安全風(fēng)險監控，如管道外力導致應力應變監測、管道的交直流干擾監測、高后果區和環(huán)境敏感區其它風(fēng)險監測等。相信這些措施都會(huì )為促進(jìn)我國管道安全水平的提高做出貢獻。

 

參考文獻：

[1]PEARSON J M. Concepts and Methods of Cathodic Protection Part 2[J]. Corrosion, 1947, 3(11): 549-566.

[2]THOMPSON N G, LAWSON K M. Improved Pipe-to-Soil potential Survey Methods[R]. Houston, TX: Pipeline Research Council International, 1991: PR-186-807.

[3]BARLO T J. BERRY W E. An Assessment of the Criteria for Cathodic Protection of Buried Pipelines[J]. Mater. Performance, 1984, 23(9): 2-5.

 

作者簡(jiǎn)介：路民旭，北京科技大學(xué)教授，國務(wù)院青島“11·22”東黃輸油管道泄漏爆炸事故調查組成員。NACE Fellow（會(huì )士），中國腐蝕與防護學(xué)會(huì )會(huì )士， NACE 認證陰極保護專(zhuān)家。 AMPP北京分部主席， ASME 管道部中國分會(huì )主任。曾任中國腐蝕與防護學(xué)會(huì )副理事長(cháng)， CSCP環(huán)境敏感斷裂委員會(huì )副主任，國家安全生產(chǎn)專(zhuān)家等。先后承擔過(guò)各種科研項目150余項，發(fā)表與合作發(fā)表論文300余篇，出版著(zhù)作10部，獲得省部級以上和國際獎勵10余項，授權國家發(fā)明專(zhuān)利50余項。研究領(lǐng)域包括油氣田高溫高壓H2S和CO2腐蝕、陰極保護和交直流干擾、管道完整性和安全評估、環(huán)境敏感斷裂、油氣管道內檢測等。