國(guó)內(nèi)二氧化碳長(zhǎng)輸管道建設(shè)安全性分析

李家強(qiáng) 梁海寧 劉建武

1中國(guó)石化勝利油田分公司規(guī)劃計(jì)劃部2中國(guó)石化勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

國(guó)內(nèi)二氧化碳長(zhǎng)輸管道建設(shè)安全性分析

李家強(qiáng)1梁海寧2劉建武2

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擬建設(shè)的國(guó)內(nèi)首條CO2長(zhǎng)輸管道長(zhǎng)度約70km，設(shè)計(jì)CO2輸量50萬(wàn)噸/年。從目前的初步分析結(jié)果可以看出，在人口稀少的情況下，管道輸送對(duì)安全間距不敏感，而且超臨界或密相輸送方案投資較低，因此人口稀少時(shí)宜采用投資低的密相輸送或超臨界輸送；在人口稠密的情況下，管道輸送對(duì)安全性要求高，氣相輸送相對(duì)安全。如果采用密相輸送方案，為確保安全、控制安全間距，需要設(shè)置大量的閥室或者進(jìn)行大量的拆遷，因此，對(duì)人口密集處宜采用安全性高的氣相輸送。

CO2；長(zhǎng)輸管道；安全設(shè)計(jì)；投資

1 CO2輸送狀態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)介質(zhì)的狀態(tài)不同，除固態(tài)以外，管道輸送可以分為氣相輸送、一般液體輸送、密相輸送和超臨界流體輸送四種。由于二氧化碳（CO2）的相態(tài)特性，一般液體狀態(tài)輸送溫度難以控制，必須進(jìn)行保冷；且長(zhǎng)距離輸送時(shí)需要增加制冷站，實(shí)施難度大，不作為長(zhǎng)輸管道的比選方案。因此，針對(duì)密相輸送、超臨界流體輸送和氣相輸送三種輸送方式進(jìn)行了比選。

為了保證管道在輸送過(guò)程中不發(fā)生相變，在進(jìn)行密相輸送和超臨界輸送時(shí)，保證末點(diǎn)壓力不低于8MPa；由于氣相輸送起點(diǎn)壓力越高，能耗越低，但氣相輸送時(shí)輸送壓力高于4MPa時(shí)，有發(fā)生相變的危險(xiǎn)，因此氣相輸送起點(diǎn)壓力定為4MPa[1]。

以擬建設(shè)的國(guó)內(nèi)首條CO2長(zhǎng)輸管道（齊魯石化廠至勝利油田CO2長(zhǎng)輸管道）為例，進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)比分析。該管道長(zhǎng)度約70km，設(shè)計(jì)CO2輸量50萬(wàn)噸/年，三種輸送方案的工藝計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 三種輸送方案工藝計(jì)算結(jié)果

1.1 投資對(duì)比分析

三種方案的管道投資對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，密相輸送時(shí)建設(shè)總投資最低，超臨界流體輸送次之，氣相輸送時(shí)管道投資最高。此外，密相輸送和超臨界輸送時(shí)管徑相同，在管道中流動(dòng)狀態(tài)幾乎相同，但超臨界流體輸送的設(shè)計(jì)壓力略高于密相輸送，造成超臨界流體輸送時(shí)投資增加。

表2 三種方案的管道投資對(duì)比結(jié)果

1.2 安全性對(duì)比分析

安全性對(duì)比分析主要從泄漏影響分析和事故傷害與破壞兩個(gè)方面進(jìn)行。

（1）泄漏影響分析。因國(guó)內(nèi)至今沒(méi)有長(zhǎng)距離CO2管道輸送的工程實(shí)例，為保證管道運(yùn)行的安全性，勝利油田委托北京工業(yè)大學(xué)對(duì)密相輸送和氣相輸送兩種輸送方式泄漏影響范圍和影響時(shí)間進(jìn)行初步模擬，即按照泄漏管段長(zhǎng)度為8km和4km，風(fēng)速0.2～0.8m/s，對(duì)密相輸送和氣相輸送兩種輸送方式進(jìn)行泄漏模擬。從模擬結(jié)果可以看出，氣相輸送泄漏總量遠(yuǎn)低于密相輸送，此外在泄漏管段長(zhǎng)度分別為8 km和4km，濃度為10%和濃度為5%時(shí)，氣相輸送的最大影響區(qū)域直徑和影響時(shí)間均低于密相輸送。

（2）事故傷害與破壞評(píng)估對(duì)比分析。管道帶壓運(yùn)行時(shí)聚集了大量的氣體壓縮能，一旦破裂，材料裂紋的擴(kuò)展速度極快，不易止裂，撕裂長(zhǎng)度很大。管道物理爆破發(fā)生后產(chǎn)生的爆破超壓能量可致人員傷害和地面建筑區(qū)破壞。勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心對(duì)密相輸送和氣相輸送兩種輸送方式的事故傷害與破壞進(jìn)行初步模擬，涉及爆破物內(nèi)介質(zhì)的體積，管線計(jì)算長(zhǎng)度為爆裂長(zhǎng)度（20m）。由于事故傷害與破壞評(píng)估是按照架空管線進(jìn)行模擬的，而實(shí)際的管線采用埋地敷設(shè)，管道發(fā)生物理爆破后，管道以及掀起的物體觸及的人員和建筑物也會(huì)遭到傷害、破壞，其打擊傷害與破壞范圍可能遠(yuǎn)大于超壓造成的傷害與破壞范圍。結(jié)合模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，管道運(yùn)行壓力越高，管線產(chǎn)生爆破超壓能量越大，對(duì)人員傷害和地面建筑物破壞作用越大。因此密相輸送方案的影響范圍和危險(xiǎn)性均高于氣相輸送方案。

（3）初步結(jié)論。從目前的初步分析結(jié)果可以看出，在人口稀少的情況下，管道輸送對(duì)安全間距不敏感，而且超臨界或密相輸送方案投資較低，因此人口稀少時(shí)宜采用投資低的密相輸送或超臨界輸送；在人口稠密的情況下，管道輸送對(duì)安全性要求高，氣相輸送相對(duì)安全，如果采用密相輸送方案，為確保安全、控制安全間距，需要設(shè)置大量的閥室或者進(jìn)行大量的拆遷，因此，對(duì)人口密集處宜采用安全性高的氣相輸送。

2 CO2長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及建議

（1）國(guó)外CO2管道輸送標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用現(xiàn)狀。目前國(guó)際上沒(méi)有統(tǒng)一的CO2管道輸送的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在美國(guó)，CO2管道被列為危險(xiǎn)液體管道，其設(shè)計(jì)遵從美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)49—CFR195，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)《輸油管道系統(tǒng)（ANSIB31.4）》、美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)《液態(tài)烴和其他液體管道輸送系統(tǒng)（ASME B31.4）》，其中ASMEB31.4明確指出適用于CO2液體管道。美國(guó)運(yùn)輸部49—CFR195在材料兼容性、管道完整性、監(jiān)控和事故報(bào)告等方面提出了要求。在歐洲，《石油和天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)（CodesIP6、BSEN14161）》、《管道施工規(guī)范（BSPD8010）》和《海底管線系統(tǒng)（DNVOS—F101）》都適用于CO2輸送管道。在加拿大，CO2管道應(yīng)用遵從加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)《油氣管道系統(tǒng)（CAS—Z662—7）》。此外，挪威船級(jí)社于2010年編制了《CO2管道的設(shè)計(jì)和操作（DNV—RP—J202）》，對(duì)CO2管道的設(shè)計(jì)和操作提供一些基本的建議和依據(jù)。

（2）國(guó)內(nèi)CO2管道輸送標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用現(xiàn)狀。國(guó)內(nèi)CO2管道輸送技術(shù)起步較晚，尚無(wú)成熟的長(zhǎng)距離輸送管道。個(gè)別油田利用自身距CO2氣源點(diǎn)較近的優(yōu)勢(shì)，采用氣態(tài)或液態(tài)管道將CO2輸送至注入井井廠，達(dá)到提高油田采收率的目的，如江蘇油田、吉林油田等。目前江蘇油田CO2管道采用《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》。

（3）長(zhǎng)距離、大規(guī)模CO2輸送管道設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)建議。從以上分析可以看出，由于輸油管道和輸氣管道較成熟，規(guī)范較齊全，國(guó)內(nèi)外CO2管道均借鑒油氣管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在液相輸送或超臨界輸送時(shí)采用輸油類或液體類管道規(guī)范。對(duì)國(guó)內(nèi)工程來(lái)說(shuō)，由于超臨界或密相CO2管道在輸送狀態(tài)上與油管道類似，可暫時(shí)參考《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50253）》進(jìn)行設(shè)計(jì)，而氣態(tài)輸送CO2在輸送狀態(tài)上與天然氣一致，可參考《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50251）》進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)CO2的性質(zhì)和危險(xiǎn)性進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)。同時(shí)，建議今后在工程實(shí)施過(guò)程中，充分搜集國(guó)外有關(guān)CO2輸送項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，逐步編制和完善國(guó)內(nèi)的CO2輸送管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范。

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析，為了防止CO2泄漏造成沿線居民的傷害，確保居民的安全，建議在CO2長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)中采取以下安全措施：

（1）管道入口設(shè)組分分析儀和水露點(diǎn)分析儀以及壓力、溫度檢測(cè)裝置，隨時(shí)對(duì)上游CO2進(jìn)行檢測(cè)。如果上游CO2不滿足輸送要求，將立即停止輸送；同時(shí)，在設(shè)備、管道、閥門等管道組成件的材料選擇中應(yīng)充分考慮CO2的影響。

（2）管道沿線及站場(chǎng)、閥室設(shè)置音波檢漏系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)管道泄漏，立即停輸并關(guān)閉站場(chǎng)進(jìn)出站閥門和上下游截?cái)嚅y室，盡可能減少泄漏量；同時(shí)，從公共安全角度考慮，CO2泄漏濃度應(yīng)從嚴(yán)控制，在人口稠密區(qū)可考慮加密閥室來(lái)盡可能減少泄漏的影響范圍。

（3）為了保證沿線居民的安全，在5%濃度影響范圍內(nèi)的沿線村莊和企業(yè)設(shè)置廣播報(bào)警系統(tǒng)，在站場(chǎng)工藝裝置區(qū)、閥室等處設(shè)置CO2氣體檢測(cè)裝置，在音波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)或CO2氣體檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出泄漏報(bào)警或接到其他形式的泄漏報(bào)警后，立即啟動(dòng)廣播報(bào)警系統(tǒng)，即時(shí)通報(bào)有關(guān)信息并視情況決定是否撤離。對(duì)10%濃度以上影響范圍內(nèi)的村莊和企業(yè)進(jìn)行拆遷。

[1]吳瑕，李長(zhǎng)俊，賈文龍．二氧化碳的管道輸送工藝[J]．油氣田地面工程，2010，29（9）：52-53.

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.4.019