国内外油气长输管道阀室设计标准差异研究

李菲菲，李磊，廖晖，孟虎林，张志刚，李欣妍

（1.中国石油天然气股份有限公司管道丹东输油气分公司，辽宁丹东118001；2.中国石油天然气股份有限公司管道济南输油分公司，山东济南250000；3.中国石油管道局工程有限公司，河北 廊坊065000；4.中国石油青海油田分公司管道输油处，青海格尔木816000；5.中国石油管道局工程有限公司第四分公司，河北廊坊065000）

阀室是保证油气长输管道安全运行的重要设施，沿线每隔一定距离以及在特殊地段应设置阀室，以便在管道发生破裂时可以紧急自动关闭阀门，以减少放空损失，并防止事故进一步扩大，减少环境污染［1］。油气长输管道工程阀室按照功能分为手动阀室、单向阀室、高点放空阀室、监控阀室等。

中国油气长输管道阀室设计中还存在若干问题，现有的阀室设计标准尚未明确规定，或者设计理念偏于保守，这都会对管道运行维护造成不便和影响，例如：阀室选址和间距缺乏灵活性，输油管道河流穿跨越设置阀室还没有统一做法，采用的单向阀设计造成清管困难，偏远地区阀室供电可靠性差等［2］。美国、俄罗斯、加拿大等国家管道行业比较发达，国内近年来已深入开展了国外先进管道标准先进性研究［3-4］。本文研究了国内外阀室设计标准的重要技术差异，并介绍了美国、俄罗斯在阀室设计运行管理方面的实践经验，对于完善国内管道阀室设计标准，以及提高管道运行管理水平具有重要意义。

1 国内外阀室标准

本文研究涵盖的国内外阀室标准包括：

1）中国国家标准：GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》、GB 50253—2014《输油管道工程设计规范》；中石油企业标准：Q/SY 1445—2011《输气管道工程线路阀室设计规范》、Q/SY 1446—2011《输油管道工程线路阀室设计规范》。

2）美国标准：ASME B31.8—2016《气体输送和配送管道系统》、ASME B31.4—2016《液态烃和其他液体管道输送系统》。

3）加拿大标准：CSA Z662—2015《油气管道系统》。

4）俄罗斯标准：CHнП2.05.06—1985《管道干线设计规范》、ОНТП51-1—1985《输气管道干线设计规范》、СТОГазпром2- 6.2-149—2007《天然气管道》。

2 阀室选址

GB 50251—2015规定：“阀室应选择在交通方便、地形开阔、地势相对较高的地方，防洪设防标准不应低于重现期25 a一遇”。GB 50253—2014规定：“阀室应设置在交通便利、地形开阔、地势较高、检修方便，且不受地质灾害及洪水影响的地方”。

ASME B31.8—2016规定：“设计阀室应考虑的因素是维修和维护时气体的放空量、泄漏或断裂时气体的泄漏量、隔离管段气体的排放时间、环境敏感区气体的排放、供气连续性影响和管道附近区域未来的发展”。雪佛龙公司位于美国加利福尼亚州康特拉科斯达县（Contra Costa）的原油管道项目中，管道穿越人口密集区，在一段长度约为48 km的管线上，共设计了5个监控阀室和7个手动阀室［5］。

针对阀室选择原则，国内管道行业标准侧重交通、地质、防洪和检修等方面。美国管道行业阀室的选址原则是为了使阀室之间管道破裂后所造成的泄漏油品损失达到最小，即污染的修护成本、罚款以及与管道泄漏相关的诉讼费用达到最小。美国管道行业阀室选址原则首先考虑减少泄漏风险，即阀室越多，泄漏风险越小；其次再考虑建设成本，重视管道失效后果和危害性对社会公众环境的影响，设计理念更为合理，具有借鉴意义。

3 阀室间距

GB 50251—2015规定：“位于一级、二级、三级和四级地区的管道沿线相邻阀室的间距不宜大于32 km，24 km，16 km和8 km，如因地物、土地征用、工程地质或水文地质造成选址受限的可做调整，调整不应超过4 km，3 km，2 km 和1 km”。GB 50253—2014规定：“原油、成品油管道阀室的间距不宜超过32 km，人烟稀少地区可适当加大间距”。

美国标准规定的油气管道阀室的间距与国内标准一致。ASME B31.4—2016规定：“在山区、穿越河流以及穿越工商业、第三方施工频繁区域和人口密集区等特殊情形下，输油管道阀室间距允许适当调整”；CSA Z662—2015未对原油管道阀室的间距进行明确要求，原油、成品油管道阀室间距允许在10%规定范围内调整，天然气管道阀室间距允许在25%规定范围内调整。

以往国内长输管道严格按规定间距设计阀室，缺乏灵活性且对运行维护造成不便。管道设计部门针对阀室间距调整也存在争议，涉及钢管等级、安全管理、运营和投资成本等诸多方面。目前，管道行业较为公认的观点是随着管道运行管理技术提升，管道事故概率总体呈下降趋势，在西部等人口稀少地区的管道阀室间距可增加到32 km 以上［6］。GB 50251—2015和 GB 50253—2014增加了阀室间距允许调整的条款，但与国外标准相比仍存在差距，表现在国内标准仅在人口稀少地区允许阀室间距调整，国外标准则适用于山区、穿越河流和穿越人口密集区等特殊地区，涵盖范围更广；另一方面，国外标准阀室间距允许调整数值更高，例如输气管道可达8 km，国内标准中输气管道一级地区阀室间距调整最大为4 km，输油管道阀室间距调整未给出具体数值。

4 RTU阀室设计

4.1 设计原则

RTU阀室（remote terminal unit）也称为远程终端控制系统。针对RTU阀室设置位置，国内外管道做法基本一致，均在穿跨越、人口稠密区、环境敏感点、大型河流两端等关键点设置RTU阀室。针对偏远地区设置RTU阀室，国内外管道略有差异，Q/SY 1445—2011，Q/SY 1446—2011规定：“车程超过1.5 h以上的管道阀室设计为RTU阀室”。

北美Kinder Morgan管道公司则认为在操作人员1.0 h内无法到达现场关阀门的地区设置RTU阀室。此外，俄罗斯标准CHнП2.05.06—1985规定：“原油和成品油管道在河流穿跨越处应设置为RTU阀室”；ОНТП51-1—1985规定：“并行敷设的输气管道合建的阀室，与支线连接处的阀室应为RTU阀室”。

建议RTU阀室设置原则：与最近的有人职守站场的线路距离超过100 km以上或车程超过1.0 h以上的管道阀室设计为RTU阀室。

4.2 间 距

近年来，从保证管道安全和运行监测角度，国内管道中RTU阀室占比逐渐增多，但大量使用RTU阀室是否造成资源浪费还存在着意见分歧。国内多数管道单位认为不应具体规定RTU阀室的数量和间距，实际国内对管道RTU阀室的做法也不统一［7］。例如：中石油西气东输一线干线180座阀室全部为RTU阀室，西气东输二线西段干线全长2 441.1 km，设置18座RTU阀室，占全部阀室的24%，平均间距为135 km；中石化川气东送管道共设计20座RTU阀室，占全部阀室的22%，间距不超过75 km。

北美Kinder Morgan管道公司认为不应严格限定RTU阀室的设置间距，应根据实际运营需要，在所有的人口密集区、高风险点、通行不便地区设置RTU阀室。这与4.1节中RTU阀室的设计原则也是一致的。

5 输气管道和输油管道阀室的差异

GB 50253—2014规定：“输油管道在河流大型穿跨越及饮用水水源保护区两端应设置阀室，在人口密集区管段或根据地形条件需要处，宜设置阀室”。GB 50251—2015无上述规定，仅规定了阀室与电力、通信线路杆、铁路、公路地界和建筑物的安全距离。可以看出，国内标准更重视原油管道油品泄漏可能造成的环境污染问题。

Q/SY 1445—2011，Q/SY 1446—2011规定：输气管道和输油管道监控阀室的设置区域，均要求在大型穿跨越、地质灾害和地震断裂带区域、人口密集区、相邻输气站（泵站、加热站）间以及合并建设的通信站和阴极保护站场设置监控阀室，二者差异在于：

1）输气管道分输、进气阀室设置为监控阀室，输油管道分输、注入管道未要求设置监控阀室。

2）输油管道应进行水击分析，特殊位置设置监控阀室。

6 阀室类型

GB 50251—2015规定：“阀室可采用自动或手动阀门，并应能通过清管器或检测仪器”。GB 50253—2014规定：“需防止油品倒流的部位应安装能通过清管器的止回阀，阀室应能通过清管器和管道内检测仪”。Q/SY 1446—2011规定：“在河流大型穿越的下游以及在管道的上坡段设置单向阀室”。

调研北美ShawCor及ConocoPhillips公司，不推荐在管道任何位置使用单向阀，原因是单向阀的密封性相对差，存在潜在的泄漏隐患；单向阀会增加管道清管难度，单向阀内径一般大于管道内径，清管器皮碗难以完全接触阀体全部空间，需要管道提供更大的运行压力通过单向阀，此外单向阀与清管器上的皮碗装置的兼容性也不够理想，可能导致清管器运行中断或堵塞。

国内标准未明确规定油气管道阀室类型，输油管道在穿跨越和上坡段采用了单向阀室设计。随着管道运行控制技术发展，特别是管道高点设置远程压力检测仪表等，管道采用单向阀室设计值得商榷［8］，完全可以在河流大型穿越的下游以及管道的上坡段使用RTU阀室来代替单向阀室，建议国内标准修订关于设置单向阀室的规定。

7 河流穿跨越阀室做法

GB 50253—2014规定：输油管道在河流大型穿跨越两端应设置阀室，但未说明“大型河流”、“管道两端”和“阀室类型”的具体含义和做法，可能对阀室设计造成混淆和不便。国内长输管道设计针对宽度小于40 m的河流、湖泊穿跨越不在岸边设置阀室，仅针对宽度大于200 m且水深小于5 m，或宽度大于100 m且水深大于5 m的河流、湖泊穿跨越在岸边设置阀室。岸边阀室也没有统一做法，主要根据以往工程经验，执行国家安全法规大型堤坝100 m范围之内不允许设置阀室的规定，一般在河流岸边较近距离选址设置阀室。

美国河流穿跨越两岸设置阀室做法如下，美国陆军工程师兵团认为可以航行的水路为大中型河流；联邦法规49 CFR中条款159.260（e）规定宽度超过30 m的河流应在河流两端设岸边阀室；Koch管道公司、Marathon石油公司规定河流两端阀室距离为3.2 km；ASME B31.4规定输油管道在河流穿越处上游宜设置截断阀室，河流穿越处下游宜设置监视阀室。

建议GB 50253—2014借鉴美国管道行业做法，规定输油管道在河流大型穿跨越两端设置阀室涉及的河流宽度、阀室距离、阀室类型等重要参数。

8 阀室供电

偏远地区RTU阀室环境恶劣且无人值守，供电非常重要。Q/SY 1445—2011规定：“阀室采用电网供电，当无法使用市电，可使用太阳能供电、柴油发电机或天然气发电等”。中石油西部管道阀室供电方式：具备公共电网的监控阀室可采用常规电网供电；利用太阳能发电给太阳能电池充电，供负载使用，一般年平均日照时间大于1 800 h的地区可采用太阳能供电；如日照不足或者在夜间则有蓄电池组在控制器的控制下给直流负载供电［9］。

英国Petrofac石油公司使用输电线路的补充输电线路。СТОГазпром2-6.2-149—2007规定：阀室可以直接使用天然气发电机；俄罗斯Gazprom公司使用燃气发电机或者柴油发电机，太阳能电池组不作为主要电源使用，可以作为补充电源使用。美国Trans Canada，Kinder Morgan公司在没有市政电网可供使用时，会使用太阳能对设备间进行供电，但也需要设置备用发电机。Boradwalk管道公司、Sunoco石油公司考虑电力供应的持续性，不使用太阳能对设备间进行供电。EPP，Alliance，Conoco Phillips供电方式采用密闭循环法蒸汽发电机CCVT（closed cycle vapor turbogenerator），也称奥密特能源转换器，可使用管道内天然气为燃料进行加热。在阿拉斯加偏远地区，BP石油公司阀室供电使用的是电池和变流器设备，或者使用天然气发电，然后给监控阀室进行供电。对于太阳能供电，则需要使用备用电源，主要考虑监控阀室电源供应保证足够的阀门全开或全关的操作时间，必要时增加30%～50%的操作时间余量［10］。Shell公司设计文件 DEP 32.71.00.31—1997《微波系统》规定：根据功率需求确定阀室供电方式，阀室供电功率需求在500 W以下，优先使用太阳能电源供电；供电功率需求在500～1 000 W，考虑使用太阳能电源及风能组合的供电方式；供电功率需求在1 000 W以上，应进行经济比选后（以3年期效益为基准）考虑使用柴油发电机进行供电，并必须设置备用电源。

国内外针对阀室的供电方式基本一致，国内优先采用外电，其次为太阳能光伏电源系统，若仍无法满足供电需求会使用燃气发电装置（TEG）。对于重要负荷，设置后备电源，通常为蓄电池组、不间断电源、应急电源。Petrofac石油公司使用来自输电线路的补充输电线路；俄罗斯Gazprom公司使用燃气发电机或者柴油发电机；BP石油公司针对阀室供电使用的是电池和变流器设备，或者使用天然气发电。Shell公司标准根据供电功率不同，分别采用太阳能、太阳能电源及风能组合以及使用柴油发电机进行供电，并设置备用电源。建议国内标准借鉴Shell公司根据阀室供电功率的需求范围确定供电方式。

9 阀室敷设方式

国内外管道均倾向于阀室的设备间在地面以上，以便于操作和维护。Q/SY 1445—2011规定：“阀室应独立设置设备间，分地上和地下两种形式，最低月平均地表面温度低于0℃，设备间宜地下设置，否则设备间地上设置，覆土厚度不宜小于0.6 m”。国内标准主要考虑蓄电池正常使用温度不应低于0，使用采暖设备的维护工作量较大。调研表明：国内更多考虑的是管道更好的保温效果，大部分采用阀室设备间地下设计方式，蓄电池也埋于地下，特别是温差较大以及地下水位较低的地区，除非在南方潮湿多雨地区，才采用阀室设备间地上设计方式。

国外管道行业认为即使在寒冷地区阀室设备间也应该放在地上，地下设备间会受到渗水影响。美国Kinder Morgan管道公司认为阀室的设备组多为露天设置，考虑到防爆以及方便员工操作等因素，仅仅会对计量站里面的色谱仪等计量装置设置实体建筑物；API协会专家认为将阀室的设备组放置在实体建筑物内，并且多为地面设置。在外电供应充足的地区，优先使用空调进行采暖；外电供应不足时，也会使用暖风机或者电暖器的方式进行采暖。北美的Alliance公司对于寒冷地区RTU阀室的设备间是使用配有温控开关的暖风机进行供暖，将加热的启动条件设置为0，当设备间内温度低于0时会自动开启暖风机对设备间进行加热，暖风机运行功率根据建筑面积进行计算。

生产实践证明：国内阀室设备间地下设计方式极易受到地下水渗透影响，特别是近年来国内特殊气象条件多发，北方地区夏季也容易发生暴雨洪水灾害，近年来阀室水淹问题较普遍［11］。建议国内标准修订阀室应采用地上敷设方式，并根据供电条件配备空调、暖风机或电暖气等加热设备。

10 结论和建议

综上所述，美国、俄罗斯、加拿大等国外管道阀室设计标准的先进理念主要包括以下方面，建议国内标准借鉴参考：

1）美国管道阀室选址原则：首先考虑阀室间油品泄漏风险和经济损失最小，其次再考虑建设成本，阀室选址重视管道失效后果和危害性对社会公众及环境的影响。

2）在山区、穿越河流，以及穿越工商业、第三方施工频繁区域和人口密集区等特殊情形下，原油、成品油管道和天然气管道的阀室间距允许在10%和25%规定范围内调整。

3）建议RTU阀室设置原则：除在穿跨越、人口稠密区、环境敏感点、大型河流两端等关键点设置RTU阀室，与最近的有人职守站场的线路距离超过100 km以上或车程超过1.0 h以上的线路截断阀室设为RTU阀室。

4）在河流大型穿越的下游以及管道的上坡段使用RTU阀室来代替单向阀室。

5）阀室设计标准中统一规范输油管道在河流大型穿跨越两端设置阀室涉及的河流宽度、阀室距离、阀室类型等重要参数。

6）借鉴Shell公司根据阀室供电功率的需求范围确定供电方式。

7）阀室应采用地上敷设方式，并根据供电条件配备空调、暖风机或电暖气等加热设备。