地下管溝內(nèi)敷設(shè)管線的管理與維護

楊光強

(中海石油寧波大榭石化有限公司儲運二部，浙江 寧波 315812)

1 前言

大榭石化二期罐區(qū)(20萬罐區(qū))設(shè)計儲存油品包括250#燃料油(瀝青)、潤滑油基礎(chǔ)油、工業(yè)燃料油。20萬罐區(qū)與一期罐區(qū)、裝置和碼頭中間隔了恒信庫區(qū)、實華碼頭、中石化庫區(qū)，裝置產(chǎn)品通過實華庫區(qū)西側(cè)排水渠上方管架輸送至20萬罐區(qū)，罐區(qū)油品亦可從原管架上管線向老罐區(qū)倒罐或至三萬、五萬碼頭發(fā)貨，受地形限制，在實華門口段約324.2米，采用管溝敷設(shè)，管溝內(nèi)管線分上下兩層，上層敷設(shè)1條DN300燃料油裝置線、1條DN400燃料油裝船線、1條DN250潤滑油裝置線、1條DN350潤滑油裝船線，下層設(shè)置有1條DN250的工業(yè)燃料油裝置線、1條DN350的工業(yè)燃料油裝船線和1條DN150的蒸汽線。燃料油管線設(shè)計介質(zhì)出裝置溫度為90-140℃，潤滑油管線設(shè)計介質(zhì)出裝置溫度為80-100℃，管溝內(nèi)管線的受熱補償在拐彎處采用自然補償，在中間約234米的直管段部位，下層工業(yè)管線各采用了兩處π形補償器，上層的燃料油和潤滑油4條管線則在中間各設(shè)置了3臺波紋管補償器。

2 管溝管線存在的問題和對策

20萬管溝建于2008年，并于2009年初正式投用，2011年第一次拆除蓋板進行預防性檢修，管溝存在的諸多問題開始逐漸顯現(xiàn)，公司組織進行了維修并采取預防性措施后，管溝復位繼續(xù)投用，此后，每年對管溝蓋板拆開檢查管線的運行情況，確認驗證干預措施的有效性，經(jīng)過多年的實踐和探索，積累了一定的經(jīng)驗和方法，管溝存在的問題主要有：

2.1 易積水

寧波地區(qū)多雨，特別是梅雨和臺風季節(jié)，降雨量較大，造成地下水位偏高，管溝地勢偏低，且溝壁防滲能力差，極易滲水，造成溝底存水，下層管線管托支撐在管墩上，管墩雖設(shè)計有排水孔，但容易堵塞，出現(xiàn)積水沒過管墩，侵泡管線的現(xiàn)象。管溝一側(cè)臨近山地，且缺少排水系統(tǒng)，從山地上流下的積水有時沒過管溝蓋板，當初，為便于管溝內(nèi)管線檢修，管溝上方采用預制蓋板，橫在管溝上，然后用水泥嵌縫，所以防滲能力極差，在臺風季節(jié)，管溝內(nèi)曾多次出現(xiàn)積水沒過管線的情況，并對保溫材料硅酸鋁造成破壞以致失效，水沒過蒸汽管線，出現(xiàn)水煮效應，也造成蒸汽緊急關(guān)停。

針對此類情況，公司采取了以下措施：①對管溝內(nèi)部進行檢查，并對底部管涌和溝壁滲漏嚴重的地方進行了封堵；②在管溝靠山側(cè)借助實華公司修建的污水管道輔助排水；③將底部管墩排水孔擴大成貫通的排水槽；④清理底部雜物和淤泥；⑤將底部填混凝土，按比降做成斜狀排水溝，增加排水速度；⑥將管線上原來硅酸鋁保溫更換成遇水后不易變質(zhì)或失效的其它類保溫材料；⑦將原來管溝末端的集水井擴容，并增設(shè)一臺自吸抽水泵，與原潛水泵共用。

采取以上措施后，基本解決了管溝內(nèi)易積水的問題，臺風季節(jié)再未出現(xiàn)積水沒過管線的情況。

2.2 易腐蝕

管溝地勢低洼，內(nèi)部的水不能完全排出，形成水蒸氣，而且管溝相對密閉，幾乎不通風，造成內(nèi)部濕度較大。同時，管溝中敷設(shè)的蒸汽管線對內(nèi)部環(huán)境持續(xù)加溫，對水分轉(zhuǎn)化為水蒸氣起到了促進作用。理論上，金屬的銹蝕程度與周圍環(huán)境的溫度和空氣的相對濕度有關(guān)，用公式表示其影響值：

公式中：

A—銹蝕度；

H—空氣的相對濕度，%；

t—溫度，℃。

從公式可以看出，濕度和溫度都是影響銹蝕的重要因素，溫度越高，管線銹蝕速度越快；當相對濕度為65%時，A=0，通常把它稱之為鋼鐵銹蝕的臨界濕度。若相對濕度低于65%時，A為負值，此時金屬不易銹蝕，當相對濕度高于65%時，金屬腐蝕逐漸加劇。

圖1 管線銹蝕

管溝內(nèi)敷設(shè)管線原設(shè)計為粉刷有機硅酸耐熱底漆防腐，但由于管溝狹小作業(yè)困難，防腐不到位，而且在靠溝壁側(cè)及管托施焊部位防腐容易產(chǎn)生缺陷，加之潮濕和高溫反復作用，管線腐蝕作用明顯。

管溝投用第三年，打開蓋板進行檢查時發(fā)現(xiàn)下層工業(yè)裝置管線(φ273×8.0)局部腐蝕尤其嚴重，在腐蝕中心進行局部測厚，顯示管線余量為4.4mm，減薄近50%，內(nèi)部鋼制管件管架也發(fā)現(xiàn)存在較嚴重的腐蝕。

針對以上問題，在管溝蓋板上方設(shè)置了若干加高的通風檢查口，一方面加強通風散熱，使水蒸氣及時通過空氣對流散發(fā)掉，另一方面可以方便隨時檢查管溝內(nèi)部的情況。當時，由于工業(yè)燃料油裝置線一直處于收油狀態(tài)，無法對管線進行更換，通過對最小壁厚進行承壓計算：

圖2 機硅酸耐熱底漆防腐

P=(2×σ/S×δ)/D=(2×410/8×4.2)/273=1.57MPa

最小厚度4.2mm能夠承壓1.57MPa，工業(yè)燃料油裝置線正常情況下日常的運行壓力在0.6 MPa左右，4.2 mm的管線厚度在不繼續(xù)腐蝕的情況下可以滿足運行要求。針對當時的實際情況，暫定對管段管線外壁使用精銳化學(上海)有限公司的Denso礦脂防腐帶進行防腐。

表1 DENSO 產(chǎn)品化學耐性表

一年后，對防腐部位進行窗口檢查，總體效果良好，檢查部位未出現(xiàn)繼續(xù)腐蝕的現(xiàn)象，在后來的幾次檢修中，對腐蝕嚴重部位管線進行了徹底更換，并將其余管段分批完成了Denso礦脂防腐，通過歷年對不同管段進行窗口檢查，防腐效果良好，礦脂帶下管線仍保持著防腐前打磨出的金屬光澤。

2.3 水擊作用明顯

上層的潤滑油和燃料油管線不同于下層的工業(yè)管線設(shè)置了π型補償器，而是采用了波紋管補償熱膨脹，直管段達到了234米。管道中的液體在流動時，如果下游管道上的閥門突然關(guān)閉，造成管道斷流，液體在源頭壓力和慣性的作用下，形成壓力積聚，產(chǎn)生水擊。水擊不但使管線產(chǎn)生振動、移位，還會對管架、限位管托造成損傷，更有甚者會使管線的薄弱部位、波紋管補償器破裂，危害非常大。水擊產(chǎn)生的壓力增加值與管線內(nèi)介質(zhì)流速成正比例關(guān)系，即：

△H=-(a△v)/g

式中：

△H—壓力增加值，m液柱；

△v—流速變化量，m/s；

g—重力加速度，9.8m/s2；

a—壓力波傳播速度，m/s.

a可按式：

K—液體的體積彈性模數(shù)，Pa，對于油品可取K=1.35×109Pa；

E—管材在操作溫度下的彈性模量，Pa；

ρ—液體密度，Kg/m3；

d—管道內(nèi)徑，m；

δ—管道壁厚，m；

簡單計算時大管道可取a=1000 m/s，高壓小管道可取a=1200-1400 m/s.

管溝上層的兩條裝置線，受裝置加工量不大的影響，流速較小，而且改罐時采用先開后關(guān)的方式，水擊作用不明顯，在此，只以兩條裝船線為例進行分析。燃料油裝船最大泵P1301流量為740m3/小時，管徑為DN400mm，管道內(nèi)介質(zhì)最大流速為：

V=740÷0.22π÷3600=1.64m/s；潤滑油裝船最大泵P1303流量為900m3/小時，管徑為DN350mm，管道內(nèi)介質(zhì)最大流速為：

V=900÷0.1752π÷3600=2.60m/s，a采用簡單計算取值，計算如下：

△H(燃料油裝船線)=-(a△v)/g=1000×1.64/9.8=167m液柱，按1個標準大氣壓=10332.27mm的水柱換算，△H(燃料油裝船線)約為1.7Mpa，P1301為螺桿泵，燃料油裝船線作業(yè)時，壓控控制出口最高工作壓力為1.2 Mpa，末端閥門關(guān)閉時，管線內(nèi)合計共產(chǎn)生壓力為2.9 Mpa。

△H(潤滑油裝船線)=-(a△v)/g=1000×2.60/9.8=265m液柱，按1個標準大氣壓=10332.27mm的水柱換算，△H(潤滑油裝船線)約為2.7Mpa，P1303為離心泵，潤滑油裝船線作業(yè)時，管溝段壓力為最高工作壓力為1.0 Mpa，末端閥門關(guān)閉時，管線內(nèi)合計共產(chǎn)生壓力為3.7 Mpa。

管線和波紋管補償器的設(shè)計壓力5.0 Mpa可以滿足需要，但管線和補償器經(jīng)過腐蝕后，特備是波紋管補償器長期運行后波紋管處容易產(chǎn)生疲勞變形，使強度顯著降低，加劇了破裂風險，而且管線瞬間增加的壓力也會以一種軸向推力的方式作用在管架和管托部位。

在2011年打開管溝檢查時，雖未發(fā)現(xiàn)管線和補償器出現(xiàn)損傷，但發(fā)現(xiàn)有7榀鋼結(jié)構(gòu)管架被整體推倒，可見作業(yè)時產(chǎn)生的管線軸向推力非常大。

管道內(nèi)液體產(chǎn)生的水擊分直接水擊和間接水擊兩種：

直接水擊條件為：τ≤2Lh/a

間接水擊條件為：τ>2Lh/a

式中：

τ—管道末端閥的關(guān)閉時間，s；

Lh—傳播水擊波的管道長度，m；

A—壓力波的傳播速度，m/s。

按管溝直管段234米計算：

2Lh/a=2×234/1000=0.468s，間接水擊條件下，末端閥門的關(guān)閉時間τ應大于0.468s。

為了減小水擊對管線運行的影響，我們對操作提出了如下要求：裝船前，需先打通后路至船方所有流程，啟泵后，開泵出口閥門之前，要盡可能開啟泵復線使液體回流，減少出口壓力，開啟出口閥時，盡量平緩，控制流量不要提升太快；裝船結(jié)束時，提前降低流量，將出口閥關(guān)小的同時，盡量開大泵復線回流，關(guān)閥動作要緩慢平穩(wěn)，動作不要太快，而且不要出現(xiàn)后路提前關(guān)閉，造成管線壓力急劇上升的情況。通過對操作進行規(guī)范和控制，將水擊造成的影響盡量降低，使此類風險基本可控。

3 結(jié)束語

管溝敷設(shè)管線與露天管架敷設(shè)管線相比，存在易腐蝕、發(fā)生問題后不易發(fā)現(xiàn)、難維護等缺點，建議在進行管道安裝時，盡量避免前者出現(xiàn)，而前期建成的管溝，往往受各種后天形成的條件和越來越嚴的規(guī)范制約，難以再進行整改，但從各個方面，采取有針對性的方法和干預措施，仍然可以保證其正常的運行。同時，我們將管溝列為生產(chǎn)中重點關(guān)注對象，日常工作中，增加了巡檢的頻次，并制定應急預案，使異常問題在第一時間能被發(fā)現(xiàn)，第一時間進行處理。