西部成品油管道水擊泄壓保護系統(tǒng)優(yōu)化

馬光田，邱姝娟，楊軍元，張 曉

中國石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司，新疆烏魯木齊 830013

隨著我國新建和在役輸油管道數(shù)量的逐年增加，確保管道的安全經(jīng)濟運行是企業(yè)的重要任務(wù)[1-3]。當(dāng)管道輸送油品時，由于泵的突然啟停、閥門突然開閉等原因會導(dǎo)致管道內(nèi)出現(xiàn)瞬變壓力脈動，從而引起水擊現(xiàn)象，可能對管道造成巨大破壞，導(dǎo)致輸油過程的中斷[4-7]。目前國內(nèi)新建管道的安全保護系統(tǒng)主要采取管道增強保護、水擊超前保護和水擊泄壓保護等三種方法，其中水擊泄壓保護是管道保護中最直接、有效的方法，同時也是當(dāng)其他保護措施失效時的最后一道屏障[8-9]。當(dāng)管道增強保護和水擊超前保護系統(tǒng)無法保障管道安全時，系統(tǒng)將通過水擊泄壓閥泄放管道內(nèi)的油品以達到減小管內(nèi)壓力的目的，從而防止管道系統(tǒng)受到水擊破壞[10]。因此，水擊泄壓保護系統(tǒng)的可靠性對于管道系統(tǒng)運行安全起著極其重要的作用。本文從水擊泄壓閥失效模式分析入手，汲取了國外管道設(shè)計經(jīng)驗，對西部成品油管道水擊泄壓保護系統(tǒng)進行了優(yōu)化，這對于保證管道安全運行具有重要意義。

1 水擊泄壓閥常見失效模式及原因分析

水擊泄壓閥根據(jù)驅(qū)動力類型可以分為先導(dǎo)式泄壓閥和氮氣式泄壓閥[11]。其中先導(dǎo)式泄壓閥是以管道中的壓力作為驅(qū)動力，氮氣式泄壓閥是通過氮氣控制系統(tǒng)控制氮氣壓力從而開、閉泄壓閥，以保證管內(nèi)壓力維持在設(shè)定值[12]。在管道行業(yè)內(nèi)，先導(dǎo)式泄壓閥一般應(yīng)用于油品黏度較低的成品油管道；當(dāng)油品運動黏度較大（>50 mm2/s） 時，一般考慮采用氮氣式泄壓閥。兩種泄壓閥失效模式及原因為[13]：

（1） 先導(dǎo)式泄壓閥失效的最主要原因是先導(dǎo)式泄壓閥取壓來自管內(nèi)介質(zhì)本身，而一旦管內(nèi)介質(zhì)中的雜質(zhì)進入閥門的各部位，則會引起過濾器堵塞、引壓管堵塞、密封面磨損等問題，并最終導(dǎo)致先導(dǎo)式泄壓閥未達設(shè)定值泄壓或超過設(shè)定值不泄壓這兩種嚴(yán)重失效情況，給管道運行安全帶來隱患。

（2） 氮氣式泄壓閥啟閉壓力來自于獨立的氮氣源，不受管道內(nèi)液體雜質(zhì)影響。其主要的失效模式有閥體裝配不精確導(dǎo)致的微漏、密封圈老化、氮氣控制柜漏氣等。因此，只要做好定期的檢查和維護，氮氣式泄壓閥的失效率要低于先導(dǎo)式泄壓閥[14]。

綜上，在管道內(nèi)雜質(zhì)較少且能滿足定期維護保養(yǎng)的情況下，理論上先導(dǎo)式泄壓閥和氮氣式泄壓閥均能滿足管道安全運行要求。

2 西部成品油管道輸油泵泄壓閥失效情況

西部成品油管道自投產(chǎn)以來，多個輸油泵站出現(xiàn)先導(dǎo)式泄壓閥過濾器堵塞結(jié)冰、密封圈失效、濾芯堵塞等問題，具體情況見表1。

表1 先導(dǎo)式泄壓閥失效模式及失效原因

從表1 可以看出，管道水擊泄壓保護系統(tǒng)存在失效現(xiàn)象，因此有必要對其進行優(yōu)化設(shè)計。

3 國內(nèi)外泄壓系統(tǒng)設(shè)置對比

3.1 泄壓系統(tǒng)功能設(shè)置

國內(nèi)已建大型輸油管道均根據(jù)GB 50253—2014《輸油管道設(shè)計規(guī)范》的要求進行泄壓系統(tǒng)設(shè)置，即首站出站與中間泵站進、出站以及末站進站均設(shè)置泄壓系統(tǒng)[15]。

國外不同管道的泄壓保護系統(tǒng)的設(shè)計不盡相同。部分管道設(shè)置了泄壓系統(tǒng)，如BTC 管道土耳其段（德國ILF 設(shè)計）、阿布扎比原油管道、乍喀管道；部分管道在設(shè)計建設(shè)時則沒有設(shè)置泄壓系統(tǒng)，如BTC 管道阿塞拜疆段和格魯吉亞段（美國Bat 和John Brand 設(shè)計）、橫穿美國和加拿大的Keystone 管道、伊拉克格拉夫原油外輸管道工程、伊拉克巴德拉原油外輸管道工程、肯尼亞3#線工程等[15-17]。

3.2 泄壓系統(tǒng)流程設(shè)置

國內(nèi)外泄壓系統(tǒng)的流程設(shè)置大體相同，均為在泄壓閥的上游和下游設(shè)置截斷閥門，以便于泄壓閥的拆除維修。

對于泄壓閥上、下游閥門類型，國內(nèi)外均沒有統(tǒng)一規(guī)定，有的采用電動閥門，有的采用手動閥門，但均根據(jù)規(guī)范采用了鎖開（LO） 形式。對于上下游閥門的結(jié)構(gòu)形式，國內(nèi)管道有的采用了全通徑球閥，有的采用了縮頸球閥；國外公司全部采用了全通徑球閥（FB）。根據(jù)API 521—2014 規(guī)范，泄壓管道所用閥門應(yīng)為全通徑[18]。除了泄壓閥上、下游閥門，BTC 管道土耳其段（由德國ILF 設(shè)計）和納西里耶油庫（SNC-Lavalin 設(shè)計） 在站內(nèi)主管道和泄壓橇之間還設(shè)置了一臺閥門，以截斷主管道和泄壓管道。BTC 管道土耳其段進站設(shè)置了2 用1備3 路泄壓閥（泄壓值均相同），出站泄壓采用了2 用+1 旁路方案；國內(nèi)一般均采用1 路或1 用1備的設(shè)置方案[15]。

對于流量開關(guān)的設(shè)置，國內(nèi)外管道的泄壓系統(tǒng)均設(shè)置了流量開關(guān)，一旦泄壓，流量開關(guān)將報警信號傳遞至調(diào)控室。

對于油庫進站泄壓，由于納西里耶油庫有多條管道進庫，因此在每條泄壓管道上還設(shè)置了單向閥門，以防止各條泄壓管道之間互相影響。

4 西部成品油管道泄壓系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 增加站場進站超壓保護程序

西部成品油管道在投產(chǎn)運營時，由于水擊泄壓閥本體故障造成運行壓力沒有達到泄壓值時出現(xiàn)故障泄放。為有效保障對水擊泄壓閥本體失效泄放（無阻力泄放） 進行有效診斷并切斷，在水擊泄壓閥前采用電動球閥，電動執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)具備SIL2 安全等級且納入UPS 配電；同時，在各站場進站水擊泄壓閥的泄壓保護系統(tǒng)中增加了進站超壓聯(lián)鎖超前保護程序，將進站超壓保護聯(lián)鎖設(shè)定值設(shè)定為比水擊泄壓閥設(shè)定值低0.2 MPa 以上，防止進站壓力一直處于高壓運行且未到水擊泄壓閥設(shè)定值的情況下可能對水擊泄壓閥的本體安全造成影響，避免出現(xiàn)閥門內(nèi)漏或不正常開啟事故。改造前后的工藝流程及邏輯示意見圖1 和圖2。

圖1 改造前工藝流程及邏輯示意

圖2 改造后工藝流程及邏輯示意

4.2 提高泄壓系統(tǒng)設(shè)備及儀表元件安全等級

在水擊泄壓閥前的管路上設(shè)置壓力變送器（PT），壓力變送器應(yīng)具備SIL2 安全等級。解決了以往用壓力開關(guān)受限于數(shù)字量信號而本身無檢測功能，在使用中無法檢測失效的問題。壓力變送器是智能型儀表，在安全儀表系統(tǒng)范疇內(nèi)輸出可檢測到的危險失效率λDD和安全失效率λSD等一系列的診斷信息，能隨時在上位機顯示儀表故障，進行修理和更換。

在實際應(yīng)用中為保證整個系統(tǒng)的有效性，避免安全失效導(dǎo)致安全相關(guān)系統(tǒng)誤動作，與安全相關(guān)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的單元可采用二取一、二取二、三取二或者使用診斷功能等多儀表結(jié)構(gòu)表決機制[19]。其實現(xiàn)過程是使其中一個通道發(fā)生失效，通過診斷能對失效的通道報警，在保證安全的前提下繼續(xù)工作，等待在規(guī)定時間內(nèi)完成修復(fù)，如果不能完成修復(fù)再將過程置于安全狀態(tài)。

表2 展示了典型表決結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果的比較。由表2 可知，兼顧可用性和可靠性最高的配置是2oo3 表決機制。1oo2 表決機制可靠性很高，但可用性只是設(shè)置單獨儀表的一半。

表2 典型表決結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果比較

多通道表決系統(tǒng)要達到高的可靠性和可用性，需注意避免共因失效。共因失效是指在一個系統(tǒng)中由于某種共同原因而引起兩個或兩個以上單元的同時失效[20]，共因失效是冗余系統(tǒng)失效的主要原因，共因失效降低了系統(tǒng)的可靠性和可用性[21]。結(jié)合部件失效的原因，減小共因失效可采用差別化設(shè)計和物理上對冗余組件進行隔離兩種措施。為提高泄壓系統(tǒng)的可靠性，將泄壓罐液位計和流量開關(guān)更換為具備SIL2 安全等級的檢測儀表，由控制系統(tǒng)對水擊泄壓閥前壓力、流量開關(guān)、液位計等參數(shù)進行邏輯判斷。當(dāng)水擊泄壓閥前運行壓力低于泄壓閥開啟值時，流量開關(guān)或液位計發(fā)出液位報警，由站控人員根據(jù)實際情況遠程關(guān)閉泄壓閥上游電動閥門，截斷泄壓系統(tǒng)，避免冒罐事故，實現(xiàn)水擊泄壓閥前流量開關(guān)、液位計組合式聯(lián)鎖系統(tǒng)，能有效避免共因失效問題。

5 結(jié)束語

西部成品油管道各站場進站增加了超壓保護程序、泄壓閥前手動閥門改為電動、采用三取二壓力變送器的多儀表結(jié)構(gòu)等措施，改造至今未出現(xiàn)因閥門本體或儀表故障導(dǎo)致泄壓閥誤動作事故，有效提高了輸油管道泄壓系統(tǒng)的安全性和可靠性，降低了水擊現(xiàn)象對管路的損害，為“大站管小站、區(qū)域中心集中調(diào)控”的少人站場、管道區(qū)域化管理奠定了有力的設(shè)備保障基礎(chǔ)。