程浩力 鄧東風(fēng)

1.中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計分公司, 北京 100085;2.中國石油工程建設(shè)有限公司, 北京 100120

0 前言

管道是輸送石油天然氣產(chǎn)品的經(jīng)濟運輸方式,但在臨近居民區(qū)、商業(yè)區(qū)及生產(chǎn)辦公場所,油氣管道爆炸事故往往導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。如2013年“11.22”東黃輸油管道泄漏爆炸特大事故造成62人死亡、136人受傷[1];2021年“6.13”湖北十堰市張灣區(qū)艷湖社區(qū)集貿(mào)市場重大燃氣爆炸事故造成26人死亡,138人受傷[2]。輸油氣管道途經(jīng)居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、生產(chǎn)辦公場所等人員密集場所，高后果區(qū)及管道完整性管理一直是各國安全管理工作的重點[3-8],線路地區(qū)等級及截斷閥室設(shè)置在管道完整性管理中占有重要的地位,國內(nèi)很多學(xué)者也進行了長期重點跟蹤研究[9-13]。

近20年來,中國石油大量參與海外油氣田項目投資,并同中東及歐美石油巨頭開展合作,接觸到越來越多的歐美石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。以?？松梨?、德士古(雪佛龍)、英國石油、殼牌公司等為代表的歐美石油巨頭都是現(xiàn)代石油工業(yè)的開創(chuàng)者,其石油工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過百年的發(fā)展已經(jīng)非常完善和成熟。全球第一大石油公司沙特阿美作為由雪佛龍、?？松兔梨诘任鞣绞凸窘⑵饋淼钠髽I(yè),自創(chuàng)立至今，經(jīng)營和技術(shù)管理近90年間一直由歐美石油巨頭直接管理，其技術(shù)要求融合了石油巨頭的理念,在定性及定量的安全設(shè)計要求方面比較詳細,部分條款可實施性較好。本文基于沙特阿美強制性規(guī)范SAES-L-410—2018《管道設(shè)計》(以下簡稱SAES-L-410)、SAES-B-064—2017《陸上及近海管道安全》(以下簡稱SAES-B-064),研究其在地區(qū)等級劃分、截斷閥室設(shè)置等方面的規(guī)定同ASME B31.8—2020《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》(以下簡稱ASME B31.8—2020)、ASME B31.4—2019《液態(tài)烴和其他液體管線輸送系統(tǒng)》(以下簡稱ASME B31.4—2019)、GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱GB 50251)、GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱GB 50253)、Q/SY 06303.4—2018《油氣儲運工程線路設(shè)計規(guī)范 第4部分:輸油管道工程閥室》(以下簡稱Q/SY 06303.4)、Q/SY 06303.5—2018《油氣儲運工程線路設(shè)計規(guī)范 第5部分:輸氣管道工程閥室》(以下簡稱Q/SY 06303.5)和國家管網(wǎng)DEC-NGP-G-GE-002-2020-1《輸氣管道工程線路閥室技術(shù)規(guī)定》(以下簡稱DEC-NGP-G-GE-002)等相關(guān)要求的差別,為油氣管道設(shè)計及國內(nèi)油氣管道安全的定量設(shè)計及相關(guān)規(guī)范完善提供一定的借鑒。

1 地區(qū)等級劃分

管道地區(qū)等級是確定油氣管道設(shè)計系數(shù)的重要參數(shù),是管道完整性管理的高后果區(qū)識別及管道強度設(shè)計時壁厚計算等過程中必不可少的要素[14-18]?，F(xiàn)行GB 50251第4.2節(jié)“地區(qū)等級劃分及設(shè)計系數(shù)確定”中,參考了美國機械工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CSA Z662《油氣管道系統(tǒng)》(以下簡稱CSA Z662)及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)ISO 13623《石油和天然氣工業(yè) 管道輸送系統(tǒng)》(以下簡稱ISO 13623)等規(guī)范，按居民住戶(建筑物)密度指數(shù)劃分為四個地區(qū)等級,并結(jié)合中國實際情況對居民住戶(建筑物)密度指數(shù)的確定做了一定調(diào)整。GB 50251對于居民(建筑物)密度指數(shù)確定為:沿管道中心線兩側(cè)各200 m范圍內(nèi),任意劃分長度為2 km的若干管道區(qū)域,按劃定區(qū)域內(nèi)供人居住的獨立建筑物(戶)數(shù)。ASME B31.8按任一特定區(qū)段內(nèi)不同的建筑物數(shù)量將輸氣管道沿線劃分為四個地區(qū)等級，關(guān)于區(qū)段劃分方式，ASME B31.8第840.2.1條規(guī)定、沿管道走向以管道中線為中心的兩側(cè)各200 m范圍內(nèi)，在沿管道中線任意1.6 km區(qū)域內(nèi)(400 m×1 600 m)包含的供人居住獨立建筑物的最大數(shù)量，作為確定不同地段地區(qū)等級的依據(jù)。

沙特阿美油氣管道工程規(guī)范SAES-L-410、SAES-B-064等主要是對ASME B31.4及ASME B31.8的補充。SAES-L-410適用于長輸管道、集輸管道等陸上和近岸海底管道設(shè)計,作為ASME B31.4和ASME B31.8對管道設(shè)計的補充要求。SAES-B-064適用范圍涵蓋長輸管道、集輸管道等陸上管道和近岸海底管道,不適用于場站內(nèi)及遠海海底管道。SAES-B-064第5.5節(jié)規(guī)定,依據(jù)ASME B31.4和ASME B31.8設(shè)計的液體和氣體管道均應(yīng)采用管道地區(qū)等級,地區(qū)等級應(yīng)基于管道破裂暴露半徑(Rupture Exposure Radius,RER)內(nèi)的人口密度指數(shù)(Population Density Index,PDI)劃分。根據(jù)SAES-B-064第5.7節(jié),沙特阿美新建管道地區(qū)等級具體分類詳見表1。

表1 沙特阿美新建管道地區(qū)等級分類表

新建管道地區(qū)等級分類應(yīng)根據(jù)RER及PDI確定,由于不同介質(zhì)及管徑的管道的RER不同,因此,經(jīng)過同一地區(qū)的不同介質(zhì)及管徑的管道的地區(qū)等級也不同。RER是管道全孔破裂時地面H2S質(zhì)量濃度達到150 mg/m3或可燃氣體達到可燃下限(Lower Flammable Limit,LFL)的1/2時的順風(fēng)擴散距離,以較大者為準(zhǔn)。SAES-B-064規(guī)定的默認RER經(jīng)驗值參見表2～3,為了確定管道地區(qū)等級,計算的RER值不得大于此值。除了含硫酸性介質(zhì)的管道外,RER值并不是人員禁區(qū),它用于計算RER內(nèi)的建筑物數(shù)量以確定管道所在的地區(qū)等級。由于默認的RER值相對較大,執(zhí)行項目時,需要向沙特阿美安全部下屬的止損部提交請示,沙特阿美止損部將會提供項目不同介質(zhì)及管徑的管道的RER具體值供使用。

表2 低真實蒸氣壓液體的RER經(jīng)驗值表

表3 氣體及低真實蒸氣壓液體的RER經(jīng)驗值表

對于非酸低硫的商品天然氣(H2S濃度<24 mg/m3且總硫<460 mg/m3),用以下公式計算RER:

(1)

式中:RRERSW為非酸低硫商品天然氣的RER，m;D為管道內(nèi)徑,in.(1 in.=25.4 mm);p為管道最大操作壓力,psi(1 psi=0.068 9 MPa)。

為了確定地區(qū)等級,SAES-B-064第5.6節(jié)對人口密度指數(shù)劃分作了進一步規(guī)定,要求人口密度指數(shù)應(yīng)采用線路各段現(xiàn)有密度指數(shù)值與虛擬密度指數(shù)值之和。樓層超過四層的可供人居住建筑物應(yīng)作為等效建筑物的數(shù)量計入密度指數(shù),等效建筑物數(shù)量計算方法是將這些建筑物的層數(shù)除以3并四舍五入取整。

某地段的現(xiàn)有密度指數(shù)應(yīng)根據(jù)位于管道RER內(nèi)的建筑物數(shù)量來確定,以管道中心兩側(cè)RER距離范圍內(nèi),任意劃分成長度為1 km的若干管段,各管段中的建筑物和等效建筑物的數(shù)量就是該管段現(xiàn)有密度指數(shù)。在規(guī)劃開發(fā)的地區(qū),需要根據(jù)未來建筑物的預(yù)估數(shù)量和功能來確定虛擬密度指數(shù),同樣以管道中心兩側(cè)RER距離范圍內(nèi),任意劃分成長度為1 km的若干管段,區(qū)域內(nèi)規(guī)劃開發(fā)的土地面積乘以0.000 75并向上取整,得到的整數(shù)是該管段的虛擬密度指數(shù)。例如,某28英寸(DN 600 mm)非酸性天然氣管道(H2S摩爾含量<1.5%),管道總體位于荒漠地區(qū),管道某處1 km長度的管道兩側(cè)1 km距離范圍內(nèi)形成的1 km×2 km矩形區(qū)域內(nèi)沒有房屋等建筑物,即現(xiàn)有人口密度指數(shù)為0,但該范圍內(nèi)存在某規(guī)劃開發(fā)的面積為 10 000 m2土地,則該區(qū)域內(nèi)虛擬密度指數(shù)為2×10 000×0.000 75=15,考慮未來規(guī)劃時,該區(qū)域管道地區(qū)等級根據(jù)表1的分類為二級地區(qū)。

GB 50251第4.2.2節(jié)及ASME B31.8第840.4節(jié)均規(guī)定,管道進行設(shè)計時,應(yīng)考慮該地區(qū)未來規(guī)劃發(fā)展情況來確定地區(qū)等級。沙特阿美SAES-B-064針對存在發(fā)展規(guī)劃的地區(qū),直接定義了虛擬密度指數(shù),使設(shè)計者可遵從定量標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計,具有較好的可操作性。同時SAES-B-064要求,為了防止后續(xù)無序建設(shè)及侵占,新建管道鋪設(shè)在未開發(fā)空地應(yīng)預(yù)留管道RER內(nèi)的土地,在進行圖紙設(shè)計時,RER邊界、地區(qū)等級區(qū)域之間的邊界和地區(qū)等級名稱應(yīng)在線路平面圖上標(biāo)出。

2 截斷閥室

線路截斷閥室是降低油氣管道風(fēng)險及便于管道系統(tǒng)維護的重要保障之一,海外項目普遍采用ASME B31.4、ASME B31.8和ISO 13623，以及國內(nèi)GB 50253和GB 50251等規(guī)范，都對截斷閥室間距做了定量規(guī)定,孫芳芳等人[19-21]也對國內(nèi)外油氣管道閥室設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)差異進行了研究。

現(xiàn)行GB 50253參照ISO 13623、ASME B31.4、CSA-Z662、澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2885.1《油氣管道設(shè)計及施工》、俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn)СниП pk 3.05-01《干線管道設(shè)計規(guī)范》等的規(guī)定,基于國內(nèi)多年工程建設(shè)經(jīng)驗規(guī)定線路截斷閥間距不宜超過32 km。同時對閥室選址,在水域和人口密集區(qū)的截斷閥室設(shè)置及單向閥室設(shè)置做了基本規(guī)定。現(xiàn)行GB 50251關(guān)于截斷閥室間距的設(shè)置基本遵循ASME B31.8的設(shè)定,以8 km為基準(zhǔn),針對不同地區(qū)等級下相鄰的截斷閥室間距作了規(guī)定,并針近年來在中國人口密集地區(qū)輸氣管道閥室選址困難的問題,參照加拿大CSA Z662增加了線路截斷閥間距調(diào)增規(guī)定。中國石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 06303.4按照功能將閥室分為監(jiān)控閥室、手動閥室、單向閥室和高點檢測閥室,在閥室分類及設(shè)置原則、閥室選址、閥室設(shè)計條件及設(shè)計內(nèi)容等方面相比GB 50253做了更具體的規(guī)定。中國石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 06303.5按照功能將閥室分為普通閥室、監(jiān)視閥室和監(jiān)控閥室,對閥室分類及設(shè)置原則、閥室選址及建設(shè)水平相比GB 50251做了更具體的規(guī)定。國家管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)DEC-NGP-G-GE-002在閥室分類及設(shè)置原則、閥室選址、閥室設(shè)計及建設(shè)水平等方面相關(guān)技術(shù)要求基本同Q/SY 06303系列標(biāo)準(zhǔn)一致,并結(jié)合實際對個別條款進行了增補修訂。

沙特阿美SAES-B-064第8章對線路截斷閥室(緊急隔離閥)做了規(guī)定,要求根據(jù)ASME B31.4及ASME B31.8設(shè)計的管道,應(yīng)按ASME B31.8規(guī)定的閥室間距進行,此外還需要滿足以下幾點要求。

1)ASME B31.8規(guī)定的不同地區(qū)等級管段之間應(yīng)安裝緊急隔離閥,具體要求:一級地區(qū)同三級地區(qū)、四級地區(qū)之間;二級地區(qū)同三級地區(qū)、四級地區(qū)之間;三級地區(qū)同四級地區(qū)之間。

2)對于油氣田生產(chǎn)區(qū)內(nèi)的管徑DN 600及以下的單井管線、集輸干線、測試線、氣舉管線、注水和供水管線等,在一級地區(qū)和三級地區(qū)等級之間以及在二級地區(qū)和三級地區(qū)等級之間不需要安裝緊急隔離閥。

3)緊急隔離閥應(yīng)安裝在較低的地區(qū)等級內(nèi),至少超出地區(qū)等級邊界的1倍RER距離,壁厚較大的管道應(yīng)延伸至隔離閥。

4)當(dāng)需要緊急隔離閥時,只能在緊急隔離閥處更改ASME B 31.8地區(qū)等級設(shè)計。允許將具有較高強度ASME B31.8地區(qū)等級設(shè)計的管道段延伸到超出所需RER距離的較低地區(qū)等級區(qū)域,以盡量減少緊急隔離閥的數(shù)量。

5)三級地區(qū)和四級地區(qū)的緊急隔離閥應(yīng)配備壓力變送器,閥門應(yīng)具遠程關(guān)斷功能。緊急隔離閥的關(guān)閉速度應(yīng)根據(jù)管道的水擊特性確定,但總關(guān)閉時間不應(yīng)超過10 min。

根據(jù)上述要求的緊急隔離閥位置(截斷閥室)見圖1。

圖1 緊急隔離閥位置示意圖

中國石油Q/SY、國家管網(wǎng)DEC等企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比沙特阿美SAES-B-064標(biāo)準(zhǔn),對閥室分類及設(shè)置原則、閥室選址及建設(shè)水平的要求更加詳細。SAES-B-064則對不同地區(qū)等級管段之間截斷閥室設(shè)置原則做了細致明確的規(guī)定,并對三級地區(qū)、四級地區(qū)設(shè)置監(jiān)控閥室及閥門關(guān)斷時間做了明確要求。

3 結(jié)論及建議

1)由于中國地域廣闊,地理自然環(huán)境及人口密度復(fù)雜多變,輸油氣管道的設(shè)計面臨著極為復(fù)雜的條件,因此以中國石油Q/SY、國家管網(wǎng)DEC等為代表的國內(nèi)規(guī)范對于地區(qū)等級劃分、不同類型閥室設(shè)置原則、閥室選址、閥室設(shè)計條件及設(shè)計內(nèi)容的規(guī)定更詳細,GB 50251、GB 50253等對地區(qū)等級劃分及線路截斷閥室設(shè)置也做了詳細的條文解釋,有助于設(shè)計人員開展設(shè)計。

2)在地區(qū)等級劃分及高后果區(qū)識別中,GB 50251、GB 32167《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》等國內(nèi)規(guī)范經(jīng)常提到“地區(qū)發(fā)展規(guī)劃足以改變該地區(qū)現(xiàn)有等級時,管道設(shè)計應(yīng)根據(jù)地區(qū)發(fā)展規(guī)劃劃分地區(qū)等級?！边@一規(guī)定一定程度上考慮了對未來地區(qū)發(fā)展的設(shè)計預(yù)留,但針對標(biāo)準(zhǔn)中的此類定性描述，實際執(zhí)行過程中常因不同設(shè)計人員、不同設(shè)計單位的不同設(shè)計理念和思路而有所差別。沙特阿美SAES-B-064標(biāo)準(zhǔn)對ASME B31.8的地區(qū)等級劃分進行了補充完善,在地區(qū)等級劃分時基于不同類型介質(zhì)的RER、現(xiàn)有密度指數(shù)值及虛擬密度指數(shù)值等定量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,有利于設(shè)計的可操作性及執(zhí)行的統(tǒng)一性。相關(guān)規(guī)范修訂過程中可適當(dāng)借鑒SAES-B-064的地區(qū)等級劃分定量化規(guī)定思路,結(jié)合最新人口普查報告及各省市經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r,給出考慮未來發(fā)展的虛擬密度指數(shù)指標(biāo)作為設(shè)計最低標(biāo)準(zhǔn),作為地區(qū)等級設(shè)計時的可參照選項,進一步降低定性描述帶來的不同設(shè)計人員理解偏差問題,提高規(guī)范的可執(zhí)行性。

3)由于三級地區(qū)、四級地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速，人口密度增長相對較快,由此可能在未來導(dǎo)致高后果區(qū)范圍擴大及地區(qū)等級升級帶來的高后果區(qū)識別分級提高,沙特阿美SAES-B-064標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于長輸管道線路截斷閥室位置設(shè)置統(tǒng)籌兼顧了地區(qū)等級劃分,有利于輔助高后果區(qū)重點管控及近遠期一定時間內(nèi)高后果區(qū)的管理和風(fēng)險控制,避免區(qū)域內(nèi)過早出現(xiàn)管道不能滿足地區(qū)等級而導(dǎo)致改線/換管或調(diào)整該管段最大操作壓力情況,對相關(guān)規(guī)范中線路閥室設(shè)計時統(tǒng)籌考慮高后果區(qū)識別及管理有一定參考價值。