齊先志，謝 成，王 唯，石 磊，王曉霖，夏 天

1.中國(guó)石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116045

2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)華南分公司，廣東廣州 510623

3.中國(guó)石化銷(xiāo)售有限公司上海石油分公司，上海 201111

輸油管道沿線通常設(shè)置截?cái)嚅y，在管道泄漏或其他緊急情況下關(guān)閉截?cái)嚅y能夠減少油品泄漏量[1]。同時(shí)，截?cái)嚅y的功能也包括截?cái)啻S護(hù)的管道區(qū)段、在閥門(mén)處監(jiān)測(cè)壓力與溫度、接入支線管道[1]。GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定[2]，截?cái)嚅y的間距不應(yīng)小于32 km，同時(shí)，穿越大中型河流、飲用水源、人員密集區(qū)段應(yīng)設(shè)置截?cái)嚅y。但該標(biāo)準(zhǔn)和其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范未對(duì)截?cái)嚅y是否配備遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制裝置作出規(guī)定。如果截?cái)嚅y無(wú)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制裝置，在緊急情況下，截?cái)嚅y關(guān)閉需要管道管理人員到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作，耗時(shí)較長(zhǎng)，不利于應(yīng)急處置。截?cái)嚅y位置的設(shè)定在考慮閥門(mén)維護(hù)、保養(yǎng)便利的同時(shí)，也應(yīng)考量截?cái)嚅y在泄漏情況下對(duì)油品泄漏量的控制效果。

Enbridge管道公司的Weir提出的截?cái)嚅y位置優(yōu)化計(jì)算方法為[3]：在數(shù)據(jù)調(diào)研后，首先，在管道全線布點(diǎn)，為了管控敏感區(qū)域的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，基于布點(diǎn)的效能系數(shù)對(duì)截?cái)嚅y的位置進(jìn)行篩選，經(jīng)過(guò)多輪次迭代計(jì)算，確定截?cái)嚅y位置。其次，基于總體泄漏降量，繼續(xù)在非敏感區(qū)域增設(shè)截?cái)嚅y，經(jīng)過(guò)多輪次迭代計(jì)算，確定截?cái)嚅y位置，確保管道沿線所有點(diǎn)的泄漏量低于Enbridge管道公司設(shè)定的限值。第三步，對(duì)特殊區(qū)域的泄漏量進(jìn)行核算，確定特殊區(qū)域有無(wú)增設(shè)截?cái)嚅y的需求。最后，現(xiàn)場(chǎng)核查，確定最終截?cái)嚅y位置。在由Dynamic Risk Assessment Systems 公司Deng 提出的截?cái)嚅y和止回閥設(shè)置優(yōu)化方法中[4]，基于管道失效頻率、失效后果、閥設(shè)置對(duì)失效后果的影響、閥本身的建設(shè)和維護(hù)成本等因素，進(jìn)行詳細(xì)的量化核算。在考慮失效頻率的情況下，通過(guò)對(duì)比閥門(mén)相關(guān)的預(yù)防性投入與閥門(mén)設(shè)置對(duì)泄漏后果損失的降量，保證增設(shè)閥門(mén)的投入產(chǎn)生正向效益。在由Fontecha 給出的截?cái)嚅y位置優(yōu)化計(jì)算模型中[5]，在管道泄漏量計(jì)算分析、管道沿線的環(huán)境危害受體分析和管道個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的基礎(chǔ)上，建立了計(jì)算框架，優(yōu)化了截?cái)嚅y的位置和數(shù)量，將截?cái)嚅y設(shè)置的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)樽疃搪窂絾?wèn)題。采用Bellman-Ford 算法，將個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受范圍的同時(shí)，將泄漏危害降至最低。計(jì)算實(shí)例說(shuō)明，該方法取得了較好的優(yōu)化效果。

為了研究截?cái)嚅y的設(shè)置對(duì)管道泄漏量的影響，闡述了表征截?cái)嚅y在降低泄漏量方面發(fā)揮作用的方法，基于該表征方法可以對(duì)截?cái)嚅y的位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期通過(guò)截?cái)嚅y控制管道泄漏量和管控泄漏危害后果。

1 管道泄漏量計(jì)算

國(guó)外對(duì)管道泄漏事故調(diào)研和泄漏模擬計(jì)算證實(shí)[3]，如果臨近泄漏發(fā)生處的截?cái)嚅y在泄漏發(fā)生后及時(shí)關(guān)閉，能夠顯著降低油品泄漏量，進(jìn)而降低危害后果。實(shí)現(xiàn)截?cái)嚅y的遠(yuǎn)程控制能夠提升泄漏情況的應(yīng)急處置能力。同時(shí)，泄漏事故的模擬證實(shí)，在停泵后及時(shí)關(guān)閉截?cái)嚅y一般不會(huì)造成管道的超壓[6]。

管道泄漏量與泄漏孔尺寸密切相關(guān)，泄漏孔尺寸越大，泄漏量越大，潛在的危害后果越嚴(yán)重。為了充分評(píng)估泄漏危害后果，在泄漏量計(jì)算模型中，按管道全尺寸破裂計(jì)算泄漏量。同時(shí)，國(guó)外管道監(jiān)管機(jī)構(gòu)和管道企業(yè)為了管控泄漏風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)定了泄漏量的限值，規(guī)定在任何情況下，管道的泄漏量不能超過(guò)該值。

在上下游截?cái)嚅y為遠(yuǎn)程控制自動(dòng)閥的條件下，將管道泄漏發(fā)生后按應(yīng)急處置的操作可分為以下兩個(gè)階段[7]：

第一，泄漏探測(cè)至截?cái)嚅y關(guān)閉階段，從泄漏發(fā)生、被探測(cè)、停泵，至截?cái)嚅y關(guān)閉過(guò)程。該階段油品泄漏量按式（1）計(jì)算。

式中：V為該階段泄漏量，m3；Q為管道流量，m3/s；t為該階段持續(xù)時(shí)間，s。

第二，油品排空階段，泄漏處上下游的截?cái)嚅y被關(guān)閉后，被隔斷的管道區(qū)段中油品在重力作用下從泄漏處排出，該階段泄漏量計(jì)算模式如圖1所示[4]，排空管道的容積為該階段泄漏量。

圖1 油品在管道中排空，紅色標(biāo)識(shí)的區(qū)段為排空管道

參考現(xiàn)階段我國(guó)輸油管道的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，第一階段的持續(xù)時(shí)間設(shè)定為8 min。采用專(zhuān)業(yè)的計(jì)算軟件計(jì)算第二階段排空管道的長(zhǎng)度，該軟件中，輸入數(shù)據(jù)為管道的高程與里程對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)（每隔10 m取點(diǎn)）、泄漏點(diǎn)和泄漏點(diǎn)上下游截?cái)嚅y位置里程。管道泄漏量為以上兩階段的泄漏量之和。

2 截?cái)嚅y作用表征

某管道的兩個(gè)站場(chǎng)之間的區(qū)段長(zhǎng)95 km，每隔200 m 布點(diǎn)，計(jì)算該點(diǎn)發(fā)生全尺寸破裂后泄漏量。在該管道某位置增設(shè)截?cái)嚅y前后，管道全程的泄漏量如圖2所示。

圖2 截?cái)嚅y安裝前后管道全線泄漏量

自動(dòng)化遠(yuǎn)控截?cái)嚅y的設(shè)置可以有效降低泄漏量，采用以下4 種方法對(duì)截?cái)嚅y發(fā)揮的作用進(jìn)行表征[8]。

1）截?cái)嚅y效能系數(shù)按式（2）計(jì)算。

式中：Ef為截?cái)嚅y效能系數(shù)；i為某高后果區(qū)；n為截?cái)嚅y能夠影響的高后果區(qū)數(shù)量；ΔVi為截?cái)嚅y設(shè)置前后，某高后果區(qū)泄漏量的差值；Li為高后果區(qū)內(nèi)管道長(zhǎng)度；Wi為高后果區(qū)等級(jí)。

2）截?cái)嚅y效率系數(shù)按式（3）計(jì)算。

式中：Ey為截?cái)嚅y效率系數(shù)；V0為未設(shè)置截?cái)嚅y時(shí)該處高后果區(qū)泄漏量。

以上兩個(gè)系數(shù)的計(jì)算需要采集截?cái)嚅y影響區(qū)域的高后果區(qū)信息，對(duì)于管道沿線不存在高后果區(qū)或高后果區(qū)較少的管道，可采用總體泄漏降量和平均泄漏降量表征截?cái)嚅y的作用。總體泄漏降量和平均泄漏降量需要對(duì)管道全線進(jìn)行泄漏量計(jì)算，計(jì)算和數(shù)據(jù)處理量較大。

3）總體泄漏降量采用式（4）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Rtot為總體泄漏降量。

4）平均泄漏降量采用式（5）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Ravg為平均泄漏降量。

現(xiàn)階段，很多輸油管道配備的截?cái)嚅y為手動(dòng)，管道企業(yè)為了提升泄漏情況下的應(yīng)急處置能力，將手動(dòng)截?cái)嚅y改造升級(jí)為遠(yuǎn)控自動(dòng)截?cái)嚅y。為了確保改造投資產(chǎn)生較好的安全效益，企業(yè)可采用以上4種表征方法對(duì)待改造的手動(dòng)截?cái)嚅y進(jìn)行優(yōu)選排序。截?cái)嚅y的系數(shù)或泄漏降量值越高，說(shuō)明截?cái)嚅y改造投資產(chǎn)生的安全效益越大。

3 截?cái)嚅y位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

管道截?cái)嚅y位置優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程如圖3所示。

圖3 截?cái)嚅y位置優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施流程

管道企業(yè)在截?cái)嚅y優(yōu)化方面的主要需求包括以下方面：第一，在人員密集區(qū)域或失效頻率高的區(qū)域通過(guò)截?cái)嚅y的設(shè)置控制泄漏量；第二，通過(guò)截?cái)嚅y設(shè)置控制大落差管道泄漏量；第三，在役管道的截?cái)嚅y自動(dòng)化改裝實(shí)施中，手動(dòng)閥的排序優(yōu)選；第四，在保持標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的截?cái)嚅y最低數(shù)量的條件下，基于全線泄漏量對(duì)截?cái)嚅y位置進(jìn)行優(yōu)化。

4 計(jì)算實(shí)例

4.1 案例1

某輸油管道在站場(chǎng)A 和站場(chǎng)B 間距離113 km，管徑為276 mm，年輸量為（150～200）×104t。管道穿越某大型河流（位置里程為68 km 處），兩端設(shè)置遠(yuǎn)控的自動(dòng)化截?cái)嚅y。按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)截?cái)嚅y的規(guī)定，在里程為80～90 km 處應(yīng)設(shè)置一截?cái)嚅y，實(shí)地調(diào)研征地、接入電源、截?cái)嚅y現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)等因素，選擇了3 處候選位置，按以上方法，對(duì)3 處位置進(jìn)行計(jì)算分析，選擇最優(yōu)位置。9 處高后果區(qū)發(fā)生泄漏后，泄漏量受到待安裝的截?cái)嚅y影響，如表1所示。

表1 高后果區(qū)信息與高后果區(qū)管道在不同情況下泄漏量

3 處候選位置設(shè)置截?cái)嚅y的效能系數(shù)、效率系數(shù)、總體泄漏量和平均泄漏量如表2所示。

表2 3處候選位置安裝截?cái)嚅y在控制泄漏量方面發(fā)揮的作用

由表2 可知，A 位置安裝截?cái)嚅y的效能系數(shù)和效率系數(shù)最高，從總體泄漏降量和平均泄漏降量角度來(lái)看，B 位置安裝截?cái)嚅y效果最佳。高后果區(qū)也是風(fēng)險(xiǎn)水平較高的區(qū)域，從風(fēng)險(xiǎn)管控角度來(lái)看，A位置是安裝截?cái)嚅y的最終位置。

4.2 案例2

某大型成品油管道約2 600 km，共配備75 個(gè)截?cái)嚅y，其中22 處安裝在大型河流的兩岸，截?cái)嚅y均為手動(dòng)操作。為了提升應(yīng)急處置能力，對(duì)截?cái)嚅y進(jìn)行自動(dòng)化改造，增設(shè)遠(yuǎn)控裝置，為了保證改造投資產(chǎn)生較好的安全效益，對(duì)截?cái)嚅y進(jìn)行優(yōu)選排序，排除22 處河岸截?cái)嚅y，其余截?cái)嚅y的計(jì)算分析結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 截?cái)嚅y效能系數(shù)

圖5 截?cái)嚅y效率系數(shù)

圖6 截?cái)嚅y總體泄漏降量

部分截?cái)嚅y的效能與效率系數(shù)、總體泄漏降量均處于較高的水平，說(shuō)明該類(lèi)截?cái)嚅y的設(shè)置能夠有效地降低泄漏量和高后果區(qū)泄漏危害后果。部分截?cái)嚅y效率系數(shù)和效能系數(shù)較低，但總體泄漏降量較高，說(shuō)明該類(lèi)截?cái)嚅y周邊區(qū)段高后果區(qū)較少，但截?cái)嚅y能夠顯著降低周邊區(qū)段管道的泄漏量。部分截?cái)嚅y效能系數(shù)較低，但效率系數(shù)較高，該現(xiàn)象有兩種解釋?zhuān)阂环矫妫承┙財(cái)嚅y能夠降低特定高后果區(qū)管道區(qū)段的泄漏量，但對(duì)其他區(qū)段影響較??；另一方面，小口徑管道的流速和容積顯著低于大口徑管道，這導(dǎo)致小口徑管道效能系數(shù)較低，但某些小口徑管道截?cái)嚅y能夠顯著降低泄漏量，因此，部分小口徑管道截?cái)嚅y效能系數(shù)低，效率系數(shù)高。同時(shí)，在優(yōu)選排序決策中，失效頻率高的管道區(qū)段的泄漏量降低效果也是決策的重要影響因素。

基于以上計(jì)算分析，同時(shí)考量電源接入、設(shè)備投資等因素，確定1～13 號(hào)、16 號(hào)、19 號(hào)、44 號(hào)和48 號(hào)為優(yōu)選截?cái)嚅y；14 號(hào)、15 號(hào)、17 號(hào)、18號(hào)、20～34號(hào)、38號(hào)為次優(yōu)選截?cái)嚅y；其余為第三批次截?cái)嚅y。在管道泄漏后泄漏量控制方面，優(yōu)選截?cái)嚅y能夠發(fā)揮顯著作用，次優(yōu)選截?cái)嚅y發(fā)揮的作用次之，第三批次截?cái)嚅y發(fā)揮的作用較小。

5 結(jié)束語(yǔ)

兩個(gè)計(jì)算實(shí)例說(shuō)明：截?cái)嚅y效能系數(shù)、效率系數(shù)、總體泄漏降量和平均泄漏降量4個(gè)參數(shù)能夠較合理地表征截?cái)嚅y在降低管道泄漏量方面發(fā)揮的作用。以上參數(shù)可應(yīng)用于設(shè)計(jì)階段截?cái)嚅y位置的優(yōu)化和運(yùn)行階段的截?cái)嚅y改造的優(yōu)選排序。

4 個(gè)參數(shù)的計(jì)算是基于管道破裂情況下的泄漏量，未考量中孔和微孔泄漏，在參數(shù)的實(shí)際應(yīng)用中需注意該缺陷，靈活應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。