油氣儲(chǔ)運(yùn)安全技術(shù)進(jìn)展研究

周 雪 靜

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）， 北京102249）

油氣儲(chǔ)運(yùn)安全技術(shù)進(jìn)展研究

周 雪 靜

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）， 北京102249）

石油與天然氣屬于易燃易爆化學(xué)品，儲(chǔ)運(yùn)難度大。油氣儲(chǔ)運(yùn)安全事故頻發(fā)，對(duì)安全技術(shù)的要求也越來(lái)越高。近幾年來(lái)，油氣儲(chǔ)運(yùn)工作者不斷探索研究，安全技術(shù)得到發(fā)展。在閱讀文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，歸納油氣儲(chǔ)運(yùn)安全技術(shù)的進(jìn)展。首先分析了油氣儲(chǔ)運(yùn)安全現(xiàn)狀，提出對(duì)安全技術(shù)的迫切需求，然后從管道和站場(chǎng)兩個(gè)方面進(jìn)展詳細(xì)介紹了近幾年來(lái)安全技術(shù)的進(jìn)展，最后提出未來(lái)幾年的探索方向。

油氣儲(chǔ)運(yùn)；安全技術(shù)；管道；站場(chǎng)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)于石油和天然氣的需求量逐漸升高。我國(guó)在1996年由石油出口國(guó)變成了石油進(jìn)口國(guó)，截至2013年6月，我國(guó)已建成天然氣管道將近6萬(wàn)km，原油管道2.6萬(wàn)km，成品油管道2萬(wàn)km，形成了橫跨東西、縱貫?zāi)媳钡挠蜌夤芫W(wǎng)。但是油氣儲(chǔ)運(yùn)的迅速發(fā)展卻帶來(lái)了頻發(fā)的油氣安全事故，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的油氣儲(chǔ)運(yùn)管道事故率平均為3次/（1 000 km·a），而美國(guó)僅為0.5次/（1000 km·a），歐洲甚至為0.26次/（1000 km·a）[1]。安全問(wèn)題受到越來(lái)越多人的關(guān)注。而近幾年發(fā)生的“11·22”青島管道爆炸事故再一次將人們的目光聚焦到油氣儲(chǔ)運(yùn)的安全問(wèn)題上。

石油與天然氣屬于易燃易爆的化學(xué)品，揮發(fā)性很強(qiáng)，儲(chǔ)運(yùn)難度大。一旦出現(xiàn)事故，小則破壞財(cái)產(chǎn)安全，大則危害生命安全[2]。目前石油天然氣在儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中還存在很多的安全問(wèn)題，包括管道爆炸，管道泄漏，油氣管線(xiàn)被違章占?jí)?，安全設(shè)施不完善，安全監(jiān)測(cè)不到位，自然災(zāi)害的破壞等[3]。面對(duì)這些問(wèn)題，我們要依靠先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，不斷探索研究，保證油氣管道運(yùn)行安全的同時(shí)，也是保護(hù)我們自己的安全。近幾年來(lái)，油氣儲(chǔ)運(yùn)工作者也在不斷摸索，安全技術(shù)也得到了很好的發(fā)展，并應(yīng)用于生產(chǎn)。本文將從管道和站場(chǎng)兩個(gè)方面來(lái)談?wù)劷鼛啄陙?lái)油氣儲(chǔ)運(yùn)安全技術(shù)的新進(jìn)展。

1 管道安全技術(shù)

管道設(shè)計(jì)首先要符合《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等國(guó)家規(guī)范的要求。

1.1 基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法的應(yīng)用

近幾年我國(guó)的油氣管道技術(shù)應(yīng)用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，引入基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法[4]。傳統(tǒng)的基于應(yīng)力的管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法是一種彈性設(shè)計(jì)，適用于在內(nèi)壓、溫差等以力為控制參量的載荷作用下的情形[5]，這種設(shè)計(jì)方法是建立在限制管壁環(huán)向應(yīng)力的基礎(chǔ)上，并且廣泛應(yīng)用于管道的設(shè)計(jì)。但是隨著極限狀態(tài)設(shè)計(jì)觀念的引進(jìn)，明確了管線(xiàn)的失效方式。新材料的發(fā)展使得材料脆性行為和相關(guān)的失效模式幾乎可以避免，但是變形失效模式，如地震和地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的管道失效引起了人們的重視。于是研發(fā)出了基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)方法。我國(guó)在2004年引入了基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)方法，它是一種塑性設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法一般適用于發(fā)生重大地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，作用于管道上的載荷以位移為控制參量的情況[6]。基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法應(yīng)滿(mǎn)足：εd≤φεc，其中：εd表示設(shè)計(jì)應(yīng)變；φ表示設(shè)計(jì)系數(shù)；εc表示許用應(yīng)變。

我國(guó)的管道建設(shè)面臨著各種各樣的地質(zhì)環(huán)境，比如松散黏土地區(qū)，不能集結(jié)成巖石；黃土層，在濕透之后會(huì)崩塌。同時(shí)還面臨著地震、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的威脅和越來(lái)越多海底管道敷設(shè)的任務(wù)。這些情形都適合使用基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法，它利用了管材的塑性變形能力，并且也能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。目前這種方法已經(jīng)應(yīng)用在某些管道項(xiàng)目上，隨著技術(shù)的成熟，基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法和基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，更能保障我國(guó)管道建設(shè)的安全。

1.2 陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

近幾年來(lái)，輸油氣管道都在使用陰極保護(hù)措施。陰極保護(hù)是一種利用電化學(xué)腐蝕原理對(duì)管道進(jìn)行保護(hù)的技術(shù)。陰極保護(hù)的原理是：給金屬補(bǔ)充大量的電子，使管道整體處于電子過(guò)剩的狀態(tài)，從而使管道表面各點(diǎn)達(dá)到同一負(fù)電位。陰陽(yáng)極之間有電流通過(guò)，會(huì)加速陽(yáng)極的腐蝕，并且抑制陰極的腐蝕[7]。文獻(xiàn)[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究論證了陰極保護(hù)對(duì)于管道防腐的有效性，作者開(kāi)發(fā)了一個(gè)有限元數(shù)值模型來(lái)模擬管道在電流密度上的潛在缺陷，然后確定了陰極保護(hù)下缺陷內(nèi)的電位分布，得到了陰極保護(hù)對(duì)于管道缺陷的有效性保護(hù)的結(jié)論，而且導(dǎo)出了計(jì)算腐蝕缺陷的經(jīng)驗(yàn)方程，為準(zhǔn)確評(píng)估管道的腐蝕余量和剩余壽命提供了依據(jù)。筆者認(rèn)為陰極保護(hù)的作用已經(jīng)得到了理論與實(shí)踐的驗(yàn)證，廣泛應(yīng)用于管道的運(yùn)行可以保障安全。

1.3 管道安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

由于油氣管道距離長(zhǎng)，分布廣，不可能任何一處都有人看守,但石油和天然氣需要一個(gè)24 h工作的監(jiān)控系統(tǒng)。油氣儲(chǔ)運(yùn)安全監(jiān)測(cè)主要利用的是網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字技術(shù)，對(duì)油氣輸送管道進(jìn)行安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)，這樣就解決了管道出現(xiàn)問(wèn)題卻不能得到及時(shí)解決的問(wèn)題。

安全監(jiān)測(cè)方法一般分為兩種：直接監(jiān)測(cè)和間接監(jiān)測(cè)。直接監(jiān)測(cè)是指通過(guò)監(jiān)測(cè)管道表面泄漏痕跡和擴(kuò)散氣味等來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。間接監(jiān)測(cè)則是通過(guò)監(jiān)測(cè)流量、壓力等運(yùn)輸條件的變化來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般具有視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控功能、報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能、流量分析功能和壓力分析功能，可以對(duì)管道參數(shù)進(jìn)行多點(diǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，同時(shí)進(jìn)行外部視頻監(jiān)測(cè)，內(nèi)部流量監(jiān)測(cè)，而且該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有較強(qiáng)的數(shù)字抗干擾能力，一旦出現(xiàn)流量、壓力等的異常，工作人員則能立刻發(fā)現(xiàn)并采取有效措施。

目前國(guó)際上發(fā)展了包括非光纖型和基于光纖的多種監(jiān)測(cè)技術(shù)，包括視頻監(jiān)控、光纖傳感、基于電的聲學(xué)傳感等類(lèi)型，多是根據(jù)傳感技術(shù)進(jìn)行精密的檢測(cè)。文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)和研究了一種新穎的光纖光柵傳感器，通過(guò)測(cè)量圓周應(yīng)變來(lái)得到結(jié)果。這種技術(shù)的應(yīng)用可以用來(lái)評(píng)估管道是否變薄和監(jiān)測(cè)管道是否泄漏。另外，這種傳感器的靈敏度還可以根據(jù)工程的實(shí)際情況來(lái)調(diào)整。安全監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要方面就是監(jiān)測(cè)管道的泄漏情況，Yu Zhang等[10]通過(guò)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)壓力變送器進(jìn)行長(zhǎng)輸管道的泄漏監(jiān)測(cè)?？刂剖壹皶r(shí)獲得動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)，管道泄漏的微小壓力變化也很容易捕捉到，普通的靜態(tài)壓力變送器定位精度和靈敏度都有限，通過(guò)初步的仿真結(jié)果可知?jiǎng)討B(tài)變送器可以獲取更多的壓力波動(dòng)。

對(duì)于油氣管道進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)，是確保儲(chǔ)運(yùn)安全的一項(xiàng)重要措施，目前國(guó)際上發(fā)展的多種監(jiān)測(cè)手段并用，同時(shí)保障管道的安全。

2 站場(chǎng)安全技術(shù)

油氣站場(chǎng)的特點(diǎn)是設(shè)備多且復(fù)雜，占地面積集中。它的安全技術(shù)設(shè)計(jì)首先要遵守《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》等國(guó)家規(guī)范的規(guī)定。為了保障安全，站址多選在地勢(shì)平緩、開(kāi)闊的地方，并且盡量避開(kāi)人工填土等地勢(shì)較差的地帶。

2.1 站場(chǎng)消防安全技術(shù)的應(yīng)用

油氣站場(chǎng)最主要的安全問(wèn)題就是消防設(shè)計(jì)是否合格。我國(guó)站場(chǎng)消防系統(tǒng)一般采用冷卻水泵、泡沫供水泵，管網(wǎng)單獨(dú)設(shè)置[11]。設(shè)計(jì)按照“預(yù)防為主，防消結(jié)合”的消防方針，主要是通過(guò)儲(chǔ)罐固定式冷卻水噴淋裝置和固定低倍數(shù)泡沫滅火裝置為站場(chǎng)提供消防保護(hù)。一旦出現(xiàn)火情，可及時(shí)撲滅，并且該消防系統(tǒng)設(shè)置了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，消防管網(wǎng)的控制閥均可以采用遠(yuǎn)程進(jìn)行控制。國(guó)內(nèi)消防系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是安全性高，投資設(shè)備省，而且操作方便。

而國(guó)外的消防系統(tǒng)采用冷卻水泵、泡沫供水泵，管網(wǎng)合并設(shè)置。此種方法需要的消防泵臺(tái)數(shù)比較少，管網(wǎng)設(shè)置簡(jiǎn)單，而且泡沫管線(xiàn)較短，試運(yùn)行之后，清理管線(xiàn)很方便。但是它的缺點(diǎn)是安全性低，滅火反應(yīng)時(shí)間無(wú)保證。筆者認(rèn)為，消防過(guò)程安全最重要，我國(guó)的方法更適合我國(guó)的生產(chǎn)活動(dòng)。

不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都需要用到泡沫滅火裝置。文獻(xiàn)［12］詳細(xì)介紹了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，這種系統(tǒng)與低倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)在宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)上均有不同，根據(jù)規(guī)范可以確定該泡沫罐的殼體厚度、罐底的厚度、水和泡沫的供應(yīng)強(qiáng)度等信息。然后其通過(guò)小規(guī)模的模型試驗(yàn)檢驗(yàn)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的滅火效果。最終得到的結(jié)論是泡沫罐可以承受火焰輻射，壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)可以應(yīng)用于儲(chǔ)罐滅火，可以用中間層效果理論解釋燃料液面高時(shí)出現(xiàn)火舌，燃料液面低時(shí)出現(xiàn)球形火焰的現(xiàn)象。筆者認(rèn)為，這是對(duì)消防設(shè)計(jì)中泡沫滅火裝置的一個(gè)升級(jí)探索，雖然沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用，但是模擬了滅火效果，有利于更好的改進(jìn)。

2.2 軟質(zhì)儲(chǔ)罐的應(yīng)用

近幾年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，軟質(zhì)裝備成為了油氣儲(chǔ)運(yùn)的新方式，軟質(zhì)儲(chǔ)罐則是油庫(kù)區(qū)的新型裝備[13]。它是一種可以折疊的軟體容器，其材料強(qiáng)度高，耐刺穿，抗撕裂，具有罐體密封性能好，力學(xué)性能好，裝卸運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，它的重量?jī)H為同容量鋼質(zhì)油罐的10%。由于它的安全系數(shù)大，成為了儲(chǔ)存油氣的新途徑。

2.3 地下水封油庫(kù)技術(shù)的應(yīng)用

地下儲(chǔ)油庫(kù)被認(rèn)為是相對(duì)于儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)更安全的儲(chǔ)存技術(shù)。地下水封油庫(kù)安全且儲(chǔ)存量大，很多國(guó)家都建了規(guī)模約為300萬(wàn)m3以上的地下水封原油庫(kù)。世界上庫(kù)容最大的為韓國(guó)麗水的地下油庫(kù)，總庫(kù)容達(dá)到790萬(wàn)m3。

地下水封油庫(kù)就是在地下水位以下的人工鑿巖洞內(nèi)，利用水封作用進(jìn)行油品的儲(chǔ)存。由于靜水壓力大于儲(chǔ)油的靜壓力，油品被密封[14]。若想很好的利用水封油庫(kù)，必須了解地下水位的動(dòng)態(tài)變化。文獻(xiàn)[15]以黃島地下水封油庫(kù)的地質(zhì)條件為依據(jù)，采用非飽和非恒定流數(shù)值分析方法，對(duì)地下水封油庫(kù)在施工期和運(yùn)行期的地下水位工況進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，得到的結(jié)果表明地下水位受巖體滲透系數(shù)、洞穴開(kāi)挖方式和運(yùn)行方式的影響。筆者認(rèn)為，地下水封油庫(kù)最大的優(yōu)勢(shì)就是它的安全性高，據(jù)研究，建地下儲(chǔ)油庫(kù)可以使地震減低1°左右。目前還沒(méi)有關(guān)于地下儲(chǔ)油庫(kù)的事故報(bào)道。在我國(guó)已經(jīng)實(shí)施的國(guó)家二期石油戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備計(jì)劃中，地下水封洞庫(kù)已經(jīng)列入其中，可見(jiàn)其在我國(guó)具有很好的發(fā)展前景。

3 結(jié)束語(yǔ)

在可預(yù)期的未來(lái)幾十年的中國(guó)發(fā)展中，對(duì)于油氣資源的需求仍會(huì)增長(zhǎng)，油氣儲(chǔ)運(yùn)的發(fā)展也必然向著運(yùn)用高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的方向發(fā)展。目前油氣儲(chǔ)運(yùn)安全技術(shù)需要研究的方面還有很多，比如油氣管線(xiàn)及站場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)，含缺陷管道的適用性評(píng)價(jià)技術(shù)，油氣管線(xiàn)及場(chǎng)站的完整性管理技術(shù)，管道地質(zhì)災(zāi)害的防控技術(shù)，大型油庫(kù)或者油罐的安全問(wèn)題等。我們要充分利用和提高已有的安全技術(shù)，并充分開(kāi)發(fā)新的技術(shù)解決新的挑戰(zhàn)。

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Research Progress in Security Technologies of Oil and Gas Storage and Transportation

ZHOU Xue-jing
（China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249 , China）

Oil and gas belong to flammable and explosive chemicals, and it is difficult to store and transport them. The frequent safety accidents lead to the higher demand for security technology of oil and gas storage and transportation. In recent years, the security technology has got fast development through experts’ indepth study on relevant technologies. In this paper, research progress in security technologies of the storage and transportation of oil and gas was summarized. Firstly, the present security situation of the storage and transportation of oil and gas was analyzed, and the urgent demand for the security technology was put forward. Then the progress in the security technology was introduced from two aspects of pipeline and station. Finally, research direction of the security technology in future was discussed.

Storage and transportation of oil and gas; Security technology; Pipeline; Station

TE 88

A

1671-0460（2015）08-1865-03

2015-06-06

周雪靜（1990-），女，河北保定人，在讀碩士生，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：油氣管道工藝技術(shù)研究。E-mail：zhouxuejing2009@163.com。