西部成品油管道水击泄压保护系统优化

马光田，邱姝娟，杨军元，张 晓

中国石油管道联合有限公司西部分公司，新疆乌鲁木齐 830013

随着我国新建和在役输油管道数量的逐年增加，确保管道的安全经济运行是企业的重要任务[1-3]。当管道输送油品时，由于泵的突然启停、阀门突然开闭等原因会导致管道内出现瞬变压力脉动，从而引起水击现象，可能对管道造成巨大破坏，导致输油过程的中断[4-7]。目前国内新建管道的安全保护系统主要采取管道增强保护、水击超前保护和水击泄压保护等三种方法，其中水击泄压保护是管道保护中最直接、有效的方法，同时也是当其他保护措施失效时的最后一道屏障[8-9]。当管道增强保护和水击超前保护系统无法保障管道安全时，系统将通过水击泄压阀泄放管道内的油品以达到减小管内压力的目的，从而防止管道系统受到水击破坏[10]。因此，水击泄压保护系统的可靠性对于管道系统运行安全起着极其重要的作用。本文从水击泄压阀失效模式分析入手，汲取了国外管道设计经验，对西部成品油管道水击泄压保护系统进行了优化，这对于保证管道安全运行具有重要意义。

1 水击泄压阀常见失效模式及原因分析

水击泄压阀根据驱动力类型可以分为先导式泄压阀和氮气式泄压阀[11]。其中先导式泄压阀是以管道中的压力作为驱动力，氮气式泄压阀是通过氮气控制系统控制氮气压力从而开、闭泄压阀，以保证管内压力维持在设定值[12]。在管道行业内，先导式泄压阀一般应用于油品黏度较低的成品油管道；当油品运动黏度较大（>50 mm2/s） 时，一般考虑采用氮气式泄压阀。两种泄压阀失效模式及原因为[13]：

（1） 先导式泄压阀失效的最主要原因是先导式泄压阀取压来自管内介质本身，而一旦管内介质中的杂质进入阀门的各部位，则会引起过滤器堵塞、引压管堵塞、密封面磨损等问题，并最终导致先导式泄压阀未达设定值泄压或超过设定值不泄压这两种严重失效情况，给管道运行安全带来隐患。

（2） 氮气式泄压阀启闭压力来自于独立的氮气源，不受管道内液体杂质影响。其主要的失效模式有阀体装配不精确导致的微漏、密封圈老化、氮气控制柜漏气等。因此，只要做好定期的检查和维护，氮气式泄压阀的失效率要低于先导式泄压阀[14]。

综上，在管道内杂质较少且能满足定期维护保养的情况下，理论上先导式泄压阀和氮气式泄压阀均能满足管道安全运行要求。

2 西部成品油管道输油泵泄压阀失效情况

西部成品油管道自投产以来，多个输油泵站出现先导式泄压阀过滤器堵塞结冰、密封圈失效、滤芯堵塞等问题，具体情况见表1。

表1 先导式泄压阀失效模式及失效原因

从表1 可以看出，管道水击泄压保护系统存在失效现象，因此有必要对其进行优化设计。

3 国内外泄压系统设置对比

3.1 泄压系统功能设置

国内已建大型输油管道均根据GB 50253—2014《输油管道设计规范》的要求进行泄压系统设置，即首站出站与中间泵站进、出站以及末站进站均设置泄压系统[15]。

国外不同管道的泄压保护系统的设计不尽相同。部分管道设置了泄压系统，如BTC 管道土耳其段（德国ILF 设计）、阿布扎比原油管道、乍喀管道；部分管道在设计建设时则没有设置泄压系统，如BTC 管道阿塞拜疆段和格鲁吉亚段（美国Bat 和John Brand 设计）、横穿美国和加拿大的Keystone 管道、伊拉克格拉夫原油外输管道工程、伊拉克巴德拉原油外输管道工程、肯尼亚3#线工程等[15-17]。

3.2 泄压系统流程设置

国内外泄压系统的流程设置大体相同，均为在泄压阀的上游和下游设置截断阀门，以便于泄压阀的拆除维修。

对于泄压阀上、下游阀门类型，国内外均没有统一规定，有的采用电动阀门，有的采用手动阀门，但均根据规范采用了锁开（LO） 形式。对于上下游阀门的结构形式，国内管道有的采用了全通径球阀，有的采用了缩颈球阀；国外公司全部采用了全通径球阀（FB）。根据API 521—2014 规范，泄压管道所用阀门应为全通径[18]。除了泄压阀上、下游阀门，BTC 管道土耳其段（由德国ILF 设计）和纳西里耶油库（SNC-Lavalin 设计） 在站内主管道和泄压橇之间还设置了一台阀门，以截断主管道和泄压管道。BTC 管道土耳其段进站设置了2 用1备3 路泄压阀（泄压值均相同），出站泄压采用了2 用+1 旁路方案；国内一般均采用1 路或1 用1备的设置方案[15]。

对于流量开关的设置，国内外管道的泄压系统均设置了流量开关，一旦泄压，流量开关将报警信号传递至调控室。

对于油库进站泄压，由于纳西里耶油库有多条管道进库，因此在每条泄压管道上还设置了单向阀门，以防止各条泄压管道之间互相影响。

4 西部成品油管道泄压系统优化

4.1 增加站场进站超压保护程序

西部成品油管道在投产运营时，由于水击泄压阀本体故障造成运行压力没有达到泄压值时出现故障泄放。为有效保障对水击泄压阀本体失效泄放（无阻力泄放） 进行有效诊断并切断，在水击泄压阀前采用电动球阀，电动执行机构应具备SIL2 安全等级且纳入UPS 配电；同时，在各站场进站水击泄压阀的泄压保护系统中增加了进站超压联锁超前保护程序，将进站超压保护联锁设定值设定为比水击泄压阀设定值低0.2 MPa 以上，防止进站压力一直处于高压运行且未到水击泄压阀设定值的情况下可能对水击泄压阀的本体安全造成影响，避免出现阀门内漏或不正常开启事故。改造前后的工艺流程及逻辑示意见图1 和图2。

图1 改造前工艺流程及逻辑示意

图2 改造后工艺流程及逻辑示意

4.2 提高泄压系统设备及仪表元件安全等级

在水击泄压阀前的管路上设置压力变送器（PT），压力变送器应具备SIL2 安全等级。解决了以往用压力开关受限于数字量信号而本身无检测功能，在使用中无法检测失效的问题。压力变送器是智能型仪表，在安全仪表系统范畴内输出可检测到的危险失效率λDD和安全失效率λSD等一系列的诊断信息，能随时在上位机显示仪表故障，进行修理和更换。

在实际应用中为保证整个系统的有效性，避免安全失效导致安全相关系统误动作，与安全相关系统关联的单元可采用二取一、二取二、三取二或者使用诊断功能等多仪表结构表决机制[19]。其实现过程是使其中一个通道发生失效，通过诊断能对失效的通道报警，在保证安全的前提下继续工作，等待在规定时间内完成修复，如果不能完成修复再将过程置于安全状态。

表2 展示了典型表决结构应用效果的比较。由表2 可知，兼顾可用性和可靠性最高的配置是2oo3 表决机制。1oo2 表决机制可靠性很高，但可用性只是设置单独仪表的一半。

表2 典型表决结构应用效果比较

多通道表决系统要达到高的可靠性和可用性，需注意避免共因失效。共因失效是指在一个系统中由于某种共同原因而引起两个或两个以上单元的同时失效[20]，共因失效是冗余系统失效的主要原因，共因失效降低了系统的可靠性和可用性[21]。结合部件失效的原因，减小共因失效可采用差别化设计和物理上对冗余组件进行隔离两种措施。为提高泄压系统的可靠性，将泄压罐液位计和流量开关更换为具备SIL2 安全等级的检测仪表，由控制系统对水击泄压阀前压力、流量开关、液位计等参数进行逻辑判断。当水击泄压阀前运行压力低于泄压阀开启值时，流量开关或液位计发出液位报警，由站控人员根据实际情况远程关闭泄压阀上游电动阀门，截断泄压系统，避免冒罐事故，实现水击泄压阀前流量开关、液位计组合式联锁系统，能有效避免共因失效问题。

5 结束语

西部成品油管道各站场进站增加了超压保护程序、泄压阀前手动阀门改为电动、采用三取二压力变送器的多仪表结构等措施，改造至今未出现因阀门本体或仪表故障导致泄压阀误动作事故，有效提高了输油管道泄压系统的安全性和可靠性，降低了水击现象对管路的损害，为“大站管小站、区域中心集中调控”的少人站场、管道区域化管理奠定了有力的设备保障基础。