输油管道截断阀的优化设定

2023-10-26齐先志王晓霖

石油工程建设 2023年5期

齐先志，谢成，王唯，石磊，王晓霖，夏天

1.中国石化大连石油化工研究院，辽宁大连 116045

2.国家管网集团华南分公司，广东广州 510623

3.中国石化销售有限公司上海石油分公司，上海 201111

输油管道沿线通常设置截断阀，在管道泄漏或其他紧急情况下关闭截断阀能够减少油品泄漏量[1]。同时，截断阀的功能也包括截断待维护的管道区段、在阀门处监测压力与温度、接入支线管道[1]。GB 50253—2014《输油管道工程设计规范》规定[2]，截断阀的间距不应小于32 km，同时，穿越大中型河流、饮用水源、人员密集区段应设置截断阀。但该标准和其他标准规范未对截断阀是否配备远程自动化控制装置作出规定。如果截断阀无远程自动化控制装置，在紧急情况下，截断阀关闭需要管道管理人员到现场手动操作，耗时较长，不利于应急处置。截断阀位置的设定在考虑阀门维护、保养便利的同时，也应考量截断阀在泄漏情况下对油品泄漏量的控制效果。

Enbridge管道公司的Weir提出的截断阀位置优化计算方法为[3]：在数据调研后，首先，在管道全线布点，为了管控敏感区域的泄漏风险，基于布点的效能系数对截断阀的位置进行筛选，经过多轮次迭代计算，确定截断阀位置。其次，基于总体泄漏降量，继续在非敏感区域增设截断阀，经过多轮次迭代计算，确定截断阀位置，确保管道沿线所有点的泄漏量低于Enbridge管道公司设定的限值。第三步，对特殊区域的泄漏量进行核算，确定特殊区域有无增设截断阀的需求。最后，现场核查，确定最终截断阀位置。在由Dynamic Risk Assessment Systems 公司Deng 提出的截断阀和止回阀设置优化方法中[4]，基于管道失效频率、失效后果、阀设置对失效后果的影响、阀本身的建设和维护成本等因素，进行详细的量化核算。在考虑失效频率的情况下，通过对比阀门相关的预防性投入与阀门设置对泄漏后果损失的降量，保证增设阀门的投入产生正向效益。在由Fontecha 给出的截断阀位置优化计算模型中[5]，在管道泄漏量计算分析、管道沿线的环境危害受体分析和管道个人风险计算的基础上，建立了计算框架，优化了截断阀的位置和数量，将截断阀设置的优化问题转变为最短路径问题。采用Bellman-Ford 算法，将个人风险控制在可接受范围的同时，将泄漏危害降至最低。计算实例说明，该方法取得了较好的优化效果。

为了研究截断阀的设置对管道泄漏量的影响，阐述了表征截断阀在降低泄漏量方面发挥作用的方法，基于该表征方法可以对截断阀的位置进行优化设计，以期通过截断阀控制管道泄漏量和管控泄漏危害后果。

1 管道泄漏量计算

国外对管道泄漏事故调研和泄漏模拟计算证实[3]，如果临近泄漏发生处的截断阀在泄漏发生后及时关闭，能够显著降低油品泄漏量，进而降低危害后果。实现截断阀的远程控制能够提升泄漏情况的应急处置能力。同时，泄漏事故的模拟证实，在停泵后及时关闭截断阀一般不会造成管道的超压[6]。

管道泄漏量与泄漏孔尺寸密切相关，泄漏孔尺寸越大，泄漏量越大，潜在的危害后果越严重。为了充分评估泄漏危害后果，在泄漏量计算模型中，按管道全尺寸破裂计算泄漏量。同时，国外管道监管机构和管道企业为了管控泄漏风险，设定了泄漏量的限值，规定在任何情况下，管道的泄漏量不能超过该值。

在上下游截断阀为远程控制自动阀的条件下，将管道泄漏发生后按应急处置的操作可分为以下两个阶段[7]：

第一，泄漏探测至截断阀关闭阶段，从泄漏发生、被探测、停泵，至截断阀关闭过程。该阶段油品泄漏量按式（1）计算。

式中：V为该阶段泄漏量，m3；Q为管道流量，m3/s；t为该阶段持续时间，s。

第二，油品排空阶段，泄漏处上下游的截断阀被关闭后，被隔断的管道区段中油品在重力作用下从泄漏处排出，该阶段泄漏量计算模式如图1所示[4]，排空管道的容积为该阶段泄漏量。

图1 油品在管道中排空，红色标识的区段为排空管道

参考现阶段我国输油管道的运行经验，第一阶段的持续时间设定为8 min。采用专业的计算软件计算第二阶段排空管道的长度，该软件中，输入数据为管道的高程与里程对应数据（每隔10 m取点）、泄漏点和泄漏点上下游截断阀位置里程。管道泄漏量为以上两阶段的泄漏量之和。

2 截断阀作用表征

某管道的两个站场之间的区段长95 km，每隔200 m 布点，计算该点发生全尺寸破裂后泄漏量。在该管道某位置增设截断阀前后，管道全程的泄漏量如图2所示。

图2 截断阀安装前后管道全线泄漏量

自动化远控截断阀的设置可以有效降低泄漏量，采用以下4 种方法对截断阀发挥的作用进行表征[8]。

1）截断阀效能系数按式（2）计算。

式中：Ef为截断阀效能系数；i为某高后果区；n为截断阀能够影响的高后果区数量；ΔVi为截断阀设置前后，某高后果区泄漏量的差值；Li为高后果区内管道长度；Wi为高后果区等级。

2）截断阀效率系数按式（3）计算。

式中：Ey为截断阀效率系数；V0为未设置截断阀时该处高后果区泄漏量。

以上两个系数的计算需要采集截断阀影响区域的高后果区信息，对于管道沿线不存在高后果区或高后果区较少的管道，可采用总体泄漏降量和平均泄漏降量表征截断阀的作用。总体泄漏降量和平均泄漏降量需要对管道全线进行泄漏量计算，计算和数据处理量较大。

3）总体泄漏降量采用式（4）进行计算。

式中：Rtot为总体泄漏降量。

4）平均泄漏降量采用式（5）进行计算。

式中：Ravg为平均泄漏降量。

现阶段，很多输油管道配备的截断阀为手动，管道企业为了提升泄漏情况下的应急处置能力，将手动截断阀改造升级为远控自动截断阀。为了确保改造投资产生较好的安全效益，企业可采用以上4种表征方法对待改造的手动截断阀进行优选排序。截断阀的系数或泄漏降量值越高，说明截断阀改造投资产生的安全效益越大。

3 截断阀位置优化设计

管道截断阀位置优化设计的流程如图3所示。

图3 截断阀位置优化设计实施流程

管道企业在截断阀优化方面的主要需求包括以下方面：第一，在人员密集区域或失效频率高的区域通过截断阀的设置控制泄漏量；第二，通过截断阀设置控制大落差管道泄漏量；第三，在役管道的截断阀自动化改装实施中，手动阀的排序优选；第四，在保持标准规定的截断阀最低数量的条件下，基于全线泄漏量对截断阀位置进行优化。

4 计算实例

4.1 案例1

某输油管道在站场A 和站场B 间距离113 km，管径为276 mm，年输量为（150～200）×104t。管道穿越某大型河流（位置里程为68 km 处），两端设置远控的自动化截断阀。按照设计标准对截断阀的规定，在里程为80～90 km 处应设置一截断阀，实地调研征地、接入电源、截断阀现场维护等因素，选择了3 处候选位置，按以上方法，对3 处位置进行计算分析，选择最优位置。9 处高后果区发生泄漏后，泄漏量受到待安装的截断阀影响，如表1所示。

表1 高后果区信息与高后果区管道在不同情况下泄漏量

3 处候选位置设置截断阀的效能系数、效率系数、总体泄漏量和平均泄漏量如表2所示。

表2 3处候选位置安装截断阀在控制泄漏量方面发挥的作用

由表2 可知，A 位置安装截断阀的效能系数和效率系数最高，从总体泄漏降量和平均泄漏降量角度来看，B 位置安装截断阀效果最佳。高后果区也是风险水平较高的区域，从风险管控角度来看，A位置是安装截断阀的最终位置。

4.2 案例2

某大型成品油管道约2 600 km，共配备75 个截断阀，其中22 处安装在大型河流的两岸，截断阀均为手动操作。为了提升应急处置能力，对截断阀进行自动化改造，增设远控装置，为了保证改造投资产生较好的安全效益，对截断阀进行优选排序，排除22 处河岸截断阀，其余截断阀的计算分析结果如图4～6所示。

图4 截断阀效能系数

图5 截断阀效率系数

图6 截断阀总体泄漏降量

部分截断阀的效能与效率系数、总体泄漏降量均处于较高的水平，说明该类截断阀的设置能够有效地降低泄漏量和高后果区泄漏危害后果。部分截断阀效率系数和效能系数较低，但总体泄漏降量较高，说明该类截断阀周边区段高后果区较少，但截断阀能够显著降低周边区段管道的泄漏量。部分截断阀效能系数较低，但效率系数较高，该现象有两种解释：一方面，某些截断阀能够降低特定高后果区管道区段的泄漏量，但对其他区段影响较小；另一方面，小口径管道的流速和容积显著低于大口径管道，这导致小口径管道效能系数较低，但某些小口径管道截断阀能够显著降低泄漏量，因此，部分小口径管道截断阀效能系数低，效率系数高。同时，在优选排序决策中，失效频率高的管道区段的泄漏量降低效果也是决策的重要影响因素。

基于以上计算分析，同时考量电源接入、设备投资等因素，确定1～13 号、16 号、19 号、44 号和48 号为优选截断阀；14 号、15 号、17 号、18号、20～34号、38号为次优选截断阀；其余为第三批次截断阀。在管道泄漏后泄漏量控制方面，优选截断阀能够发挥显著作用，次优选截断阀发挥的作用次之，第三批次截断阀发挥的作用较小。