輸油管道大落差段工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

李俐瑩 吳剛

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

我國(guó)部分地區(qū)的原油管道由于地形起伏變化較大，需對(duì)大落差段進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。所謂的大落差段主要是指距離相對(duì)較短且高程變化相對(duì)較大的管段，在該區(qū)域，管道內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)一定的變化，可能出現(xiàn)嚴(yán)重的水擊問(wèn)題[1-2]。在水擊問(wèn)題較為嚴(yán)重時(shí)，會(huì)對(duì)管道及附件產(chǎn)生沖擊，最終威脅管道整體的運(yùn)行安全[3-4]。由此可見(jiàn)，在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)大落差段的基本情況合理設(shè)計(jì)，以全面保障管道的安全運(yùn)行。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)輸油管道的大落差段進(jìn)行了一定的研究。馬學(xué)海等[5]針對(duì)我國(guó)某山區(qū)的原油管道，在大落差段進(jìn)行了試壓設(shè)計(jì)優(yōu)化，在研究過(guò)程中，對(duì)管道沿線的環(huán)形應(yīng)力進(jìn)行了合理計(jì)算，最終確定了管道最低點(diǎn)位置處的壓力，將管道沿線試壓段的數(shù)量減少了21 段，最終管道試壓的安全性以及效率都大幅提升；喻軍等[6]通過(guò)使用有限元分析方法，對(duì)中緬管道大落差段的安全性進(jìn)行了全面分析，研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行清管作業(yè)過(guò)程中，大落差段所承受的載荷相對(duì)較大，為了保障管道的運(yùn)行安全，在對(duì)大落差段進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還需要考慮清管條件下管道的承壓?jiǎn)栴}。

通過(guò)對(duì)目前的研究情況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前研究主要集中在各種運(yùn)行條件下管道內(nèi)沖擊載荷方面，對(duì)于大落差段設(shè)計(jì)問(wèn)題的研究相對(duì)較少，這對(duì)于保障管道的運(yùn)行安全十分不利。因此，本次研究主要是對(duì)常見(jiàn)的大落差段設(shè)計(jì)措施進(jìn)行全面的分析對(duì)比，提出有效的設(shè)計(jì)方案，并以我國(guó)某原油管道為案例，證明所提設(shè)計(jì)措施的科學(xué)性，為保障管道的運(yùn)行安全奠定基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)工藝對(duì)比

通過(guò)國(guó)內(nèi)外調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行原油管道大落差段設(shè)計(jì)的過(guò)程中，其主要設(shè)計(jì)方法可以分為五種類(lèi)型，分別是管道沿線增設(shè)減壓閥、縮小管道管徑、增大管道壁厚、減小介質(zhì)流量以及上述措施組合使用[7-9]。五種類(lèi)型措施的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比情況如表1 所示，其應(yīng)用情況如表2所示。通過(guò)對(duì)各種類(lèi)型設(shè)計(jì)措施對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于原油管道大落差段而言，如果其高程的變化相對(duì)較小，可以采取的方案為縮小管道管徑、增大管道壁厚、減小介質(zhì)流量，并且采用這三種類(lèi)型措施不會(huì)增加原油管道的建設(shè)成本[10]。采取增設(shè)減壓站的措施，則管道運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)壓力將會(huì)大幅降低，可以對(duì)靜態(tài)壓力起到隔斷作用，進(jìn)而全面保障管道的運(yùn)行安全。如果增設(shè)減壓站與縮小管道管徑的措施聯(lián)合使用，不但不會(huì)降低管道內(nèi)介質(zhì)的流量，還可以使得管道運(yùn)行效率大幅提升[11-13]。由此可見(jiàn)，從保障管道運(yùn)行效率以及保障能源供給的角度出發(fā)，采取增設(shè)減壓站與縮小管道管徑的聯(lián)合措施優(yōu)勢(shì)相對(duì)較為明顯。

表1 管道大落差段設(shè)計(jì)措施對(duì)比Tab.1 Comparison of design measures for pipelines with large drop sections

表2 國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)管道大落差段設(shè)計(jì)方案Tab.2 Design schemes of common pipelines at home and abroad with large drop section

2 工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化步驟

在對(duì)原油管道進(jìn)行大落差段工藝設(shè)計(jì)的過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)公司都會(huì)優(yōu)先考慮增設(shè)減壓站+縮小管道管徑的設(shè)計(jì)方案，在采用該種類(lèi)型措施進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的過(guò)程中，其主要可以分為五個(gè)步驟，分別是管徑設(shè)計(jì)、確定最優(yōu)管道模型、確定約束條件、確定減壓站數(shù)量與位置以及管道模擬。

2.1 管徑設(shè)計(jì)

由于采用了增設(shè)減壓站+縮小管道管徑的設(shè)計(jì)方案，需要對(duì)管道的最小允許流速和最大允許流速進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而確定管道的最大管徑以及最小管徑，根據(jù)《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中最大允許流速可以通過(guò)公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Ve為管道內(nèi)介質(zhì)的最大允許流速，m/s；C為一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)，當(dāng)原油在管道內(nèi)處于連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該常數(shù)取100，當(dāng)原油在管道內(nèi)處于間歇流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該常數(shù)取125，當(dāng)原油管道內(nèi)存在緩蝕劑時(shí)，該常數(shù)可以在150～200之間取值[13]；ρm為原油在操作溫度和壓力下的密度，kg/m3。

在進(jìn)行最小管徑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，既需要滿足清管的基本需求，還需要避免出現(xiàn)低洼位置水分聚集問(wèn)題，根據(jù)《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，原油管道內(nèi)流體的最小流速不得小于1.0 m/s。

2.2 最優(yōu)管道模型

在確定最優(yōu)管道模型的過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮管道的建設(shè)成本，這主要是因?yàn)楣艿赖慕ㄔO(shè)成本將直接關(guān)系到運(yùn)營(yíng)企業(yè)的投資回收期，管道建設(shè)成本可以通過(guò)公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Smin為管道的總投資，萬(wàn)元；xj為第j根管道的長(zhǎng)度，km；kj為第j根管道的費(fèi)用，萬(wàn)元/km；n為管道的總數(shù)量。

2.3 確定約束條件

對(duì)于原油管道而言，在進(jìn)行大落差段設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要根據(jù)大落差段的長(zhǎng)度、高程、管道及相關(guān)設(shè)備的壓力要求，進(jìn)而確定約束條件[14-15]。在確定所需的管道數(shù)量以后，根據(jù)《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，即可得到大落差段管道的總長(zhǎng)度。

式中：L為大落差段管道的總長(zhǎng)度，km。

在原油從翻越點(diǎn)流動(dòng)到終點(diǎn)位置處時(shí)所產(chǎn)生的能量消耗不得高于從翻越點(diǎn)位置到末站位置處的壓力損失。

式中：ij為在第j根管道位置處的水力坡降，m/km，可以通過(guò)達(dá)西公式進(jìn)行計(jì)算；ΔH為大落差段的所有水力損失，m。

在翻越點(diǎn)之后，每根管道的長(zhǎng)度不得小于0。

通過(guò)以上公式，就可以確定原油管道大落差段工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中的約束條件。

2.4 減壓站數(shù)量及位置

經(jīng)過(guò)以上三個(gè)步驟的設(shè)計(jì)之后，需要在考慮管道運(yùn)行靜水壓力、管道沿線建設(shè)條件等因素的前提下，以管道運(yùn)行過(guò)程中的設(shè)計(jì)壓力為基礎(chǔ)，以減壓站的動(dòng)水壓力為設(shè)計(jì)依據(jù)，進(jìn)而確定減壓站的數(shù)量以及位置[16]。

2.5 模型模擬

在管道管徑以及減壓站的位置確定以后，需要對(duì)輸油管道進(jìn)行模擬，進(jìn)而確定出大落差位置處的水擊情況，如果水擊問(wèn)題較為嚴(yán)重，則需要對(duì)局部設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整[17]。如果管道需要調(diào)整的設(shè)計(jì)內(nèi)容相對(duì)較多，則需要返回到第二步中重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 實(shí)例分析

3.1 輸油管道基本情況分析

為了驗(yàn)證本次研究所提設(shè)計(jì)方法及步驟的科學(xué)性，以我國(guó)YB 輸油管道為例，進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證分析。YB 輸油管道的總長(zhǎng)度為830 km，其原油的設(shè)計(jì)輸量達(dá)到了1 051 m3/h，原油的密度為842 kg/m3，管道的設(shè)計(jì)壓力為6.5 MPa，設(shè)計(jì)管徑為711 mm，翻越點(diǎn)位置處的最高高程為2 708 m，最低位置點(diǎn)的高程為50 m。為了保障管道的運(yùn)行安全，該條管道采取了增大管徑的工藝措施，即在25～60 km、450～590 km兩個(gè)位置處管徑由6 mm增加到了8 mm，采取該種類(lèi)型措施可以有效保障大落差位置處的運(yùn)行安全，但是管道的建設(shè)成本大幅提升。研究將采用減壓站+縮徑的設(shè)計(jì)方案對(duì)該條管道進(jìn)行工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。通過(guò)對(duì)該條管道沿線的地形變化情況進(jìn)行全面分析后發(fā)現(xiàn)，該條管道的五個(gè)管段需要進(jìn)行大落差處理，高程變化情況如表3所示。

表3 需要進(jìn)行大落差處理的管段Tab.3 Pipe sections that need to be treated with a large drop

3.2 輸油管道大落差段工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)管道的設(shè)計(jì)壓力6.5 MPa，首先對(duì)五個(gè)管段的靜水壓力進(jìn)行計(jì)算，使用SPS軟件對(duì)該條管道進(jìn)行建模，對(duì)管道沿線的參數(shù)進(jìn)行模擬，五個(gè)管段靜水壓力的模擬結(jié)果如表4所示。通過(guò)對(duì)靜水壓力的情況進(jìn)行全面分析可以發(fā)現(xiàn)，在這五個(gè)管段中只有管段5需要進(jìn)行大落差設(shè)計(jì)優(yōu)化。

表4 靜水壓力計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of hydrostatic pressure

首先使用公式（1）對(duì)原油管道內(nèi)介質(zhì)的最大允許流速和最小允許流速進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算之后可以得到管道的最大允許內(nèi)徑和最小允許內(nèi)徑分別為711 mm和457 mm。因此，在翻越點(diǎn)之后可以選擇的管徑有六種，分別是457、508、559、610、660、711 mm。假設(shè)不同管段長(zhǎng)度為x1～x6，六種管徑管道所對(duì)應(yīng)的投資費(fèi)用分別為每公里88、100、113、128、142 以 及159 萬(wàn) 元，根 據(jù) 公 式（3）、公式（4）、公式（5），在末站壓力需要高于0.5 MPa 的前提下，大落差段管道需要滿足計(jì)算公式（6）。

通過(guò)使用單純形法的方式對(duì)以上公式進(jìn)行求解，得到x3=559，x6=660。因此，對(duì)于該條管道在大落差位置處管道需要使用最佳的經(jīng)濟(jì)管徑進(jìn)行組合，兩種最佳的經(jīng)濟(jì)管徑為559 mm 和660 mm，所對(duì)應(yīng)的管道長(zhǎng)度分別為23.62 km和90.16 km。由于大落差位置處管道的設(shè)計(jì)壓力為6.5 MPa，則在管道運(yùn)行過(guò)程中所允許的最大高程差為

根據(jù)管段5所對(duì)應(yīng)的高程差以及里程變化，經(jīng)過(guò)計(jì)算后可以確定該段管道需要設(shè)置兩個(gè)減壓站，減壓站的設(shè)置情況如表5所示。

表5 管段5減壓站設(shè)置情況Tab.5 Setting situation of decompression station in pipe section 5

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于466.22～489.82 km的管段，最佳的管徑為559 mm，489.82～580 km 管段最佳的管徑為660 mm，并在管道沿線兩個(gè)位置處設(shè)置減壓站。在對(duì)大落差管段進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)以后，需要對(duì)大落差段進(jìn)行壓力水頭分析，壓力水頭分析采用了SPS 模擬軟件，通過(guò)使用SPS 軟件，可以及時(shí)了解管道運(yùn)行過(guò)程中沿線的流量、壓力水頭等各種類(lèi)型參數(shù)的變化情況。該段管道的壓力水頭分布情況如圖1 所示，通過(guò)對(duì)圖1 進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行大落差段優(yōu)化設(shè)計(jì)后，各個(gè)管段的壓力均在設(shè)計(jì)壓力之內(nèi)，進(jìn)而證明本次研究所提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有可行性及科學(xué)性。同時(shí)，將本次研究的設(shè)計(jì)方案與該條管道已經(jīng)采取的設(shè)計(jì)措施進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用本次研究所提出的設(shè)計(jì)方案其建設(shè)費(fèi)用降低657.43萬(wàn)元，證明本次研究所提出的方案經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)，未來(lái)可以推廣該種大落差段設(shè)計(jì)措施。

圖1 該段管道的壓力水頭分布情況圖Fig.1 Distribution diagram of pressure head in this section of pipeline

4 工藝設(shè)計(jì)研究

4.1 減壓閥優(yōu)選

減壓閥主要可以發(fā)揮節(jié)流減壓的作用，根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的區(qū)別，可以將其分為多種類(lèi)型，例如多層套筒類(lèi)型、串級(jí)式類(lèi)型、迷宮盤(pán)片式等類(lèi)型，不同類(lèi)型的減壓閥都存在一定的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于多層套筒類(lèi)型的減壓閥而言，在使用的過(guò)程中非常容易出現(xiàn)堵塞問(wèn)題，如果流體的清潔度相對(duì)較高，則可以使用該種類(lèi)型的減壓閥；對(duì)于串級(jí)式類(lèi)型的減壓閥而言，雖然不容易出現(xiàn)堵塞問(wèn)題，但是其直徑相對(duì)較小，閥桿的質(zhì)量也相對(duì)較大，容易使得管道流量降低，同時(shí)，使用該種類(lèi)型的減壓閥還會(huì)增加管道建設(shè)成本；而迷宮盤(pán)片式類(lèi)型的減壓閥，其內(nèi)部存在多層結(jié)構(gòu)的閥芯，使得介質(zhì)通過(guò)減壓閥的距離提高，在保障其流道面積的前提下，其壓降相對(duì)較高，該種類(lèi)型的減壓閥十分適用于高程變化相對(duì)較大的管道，其抗堵塞的能力也相對(duì)較強(qiáng)[18]。綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高程相對(duì)較大的管道，優(yōu)先推薦使用迷宮盤(pán)片式類(lèi)型的減壓閥。

4.2 過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在對(duì)原油管道沿線減壓閥進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，介質(zhì)中雜質(zhì)的存在可能會(huì)影響減壓閥的性能，建議在減壓閥的前端位置處安裝過(guò)濾器，通過(guò)該措施，還可以避免介質(zhì)輸送過(guò)程析蠟而對(duì)減壓閥產(chǎn)生損傷。

4.3 泄壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在管道停止運(yùn)行的過(guò)程中，減壓站的前后閥門(mén)都將處于關(guān)閉狀態(tài)，但是減壓站內(nèi)仍然存在大量的介質(zhì)，受到環(huán)境溫度變化的影響，介質(zhì)的體積可能會(huì)增加，進(jìn)而出現(xiàn)減壓站內(nèi)管道超壓?jiǎn)栴}。因此，在進(jìn)行大落差段設(shè)計(jì)的過(guò)程中，減壓站需要配備專(zhuān)門(mén)的泄壓系統(tǒng)[19]。

4.4 保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保護(hù)系統(tǒng)主要對(duì)減壓站進(jìn)出站的壓力進(jìn)行全面保護(hù)，一般情況下，進(jìn)站位置處的保護(hù)系統(tǒng)可以分為三級(jí)，出站位置處的保護(hù)系統(tǒng)可以分為兩級(jí)。在進(jìn)站保護(hù)系統(tǒng)方面，第一級(jí)主要發(fā)揮高壓報(bào)警的功能，以便提前預(yù)警工作人員注意減壓站前端位置處管道內(nèi)的壓力情況；第二級(jí)主要發(fā)揮高高壓報(bào)警的功能，但是并不會(huì)因?yàn)閴毫^(guò)高關(guān)閉閥門(mén)；第三級(jí)主要發(fā)揮高壓泄放的功能，工作人員需要對(duì)泄放壓力進(jìn)行合理的設(shè)定，其數(shù)值一般都低于管道的設(shè)計(jì)壓力[20]。在出站保護(hù)系統(tǒng)方面，第一級(jí)主要發(fā)揮高壓報(bào)警的功能，以便提前預(yù)警工作人員注意減壓站后端位置處管道內(nèi)的壓力情況；第二級(jí)主要發(fā)揮高高壓報(bào)警的功能，如果減壓站后端位置處的壓力過(guò)高會(huì)自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)。對(duì)于減壓站而言，如果操作不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的原油泄放問(wèn)題，為此，需要在保護(hù)系統(tǒng)中安裝冗余裝置，即在減壓閥的后端安裝壓力保護(hù)裝置。該種類(lèi)型的保護(hù)裝置可以進(jìn)行三級(jí)保護(hù)，第一級(jí)主要發(fā)揮高壓報(bào)警的功能，以便提前預(yù)警工作人員注意減壓站出站以后管道內(nèi)的壓力情況；第二級(jí)主要發(fā)揮高高壓報(bào)警的功能，如果管道內(nèi)壓力過(guò)高會(huì)自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)；第三級(jí)主要發(fā)揮高壓泄放的功能，工作人員需要對(duì)泄放壓力進(jìn)行合理的設(shè)定，其數(shù)值一般略高于減壓站出站的保護(hù)壓力。

5 結(jié)論

（1）常見(jiàn)的輸油管道大落差段設(shè)計(jì)方案主要有五種，分別是管道沿線增設(shè)減壓閥、縮小管道的管徑、增大管道的壁厚、減小介質(zhì)的流量以及上述措施組合使用，通過(guò)進(jìn)行全面的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，增設(shè)減壓站+縮小管道管徑的組合方案不但可以保障管道的運(yùn)行安全，還可以有效保障介質(zhì)的流量，該種方案的應(yīng)用也較為廣泛。

（2）在應(yīng)用增設(shè)減壓站+縮小管道管徑的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要遵循管徑設(shè)計(jì)、最優(yōu)管道模型、確定約束條件、確定減壓站的數(shù)量、位置以及管道模擬的步驟。在設(shè)計(jì)模擬的過(guò)程中，如果水擊問(wèn)題仍然較為嚴(yán)重，則需要對(duì)局部設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，如果管道需要調(diào)整的設(shè)計(jì)內(nèi)容相對(duì)較多，則需要重新設(shè)計(jì)。

（3）通過(guò)對(duì)我國(guó)YB 輸油管道進(jìn)行設(shè)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，該條輸油管道466.22～489.82 km的管段，最佳的管徑為559 mm，489.82～580 km 管段最佳的管徑為660 mm，并需要在管道沿線兩個(gè)位置處設(shè)置減壓站。最終進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，各個(gè)管段的壓力均在設(shè)計(jì)壓力之內(nèi)，證明本次研究所提出的設(shè)計(jì)方案及步驟具有可行性。

（4）在對(duì)原油管道大落差段進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還需要對(duì)減壓閥的類(lèi)型進(jìn)行優(yōu)選，并對(duì)過(guò)濾系統(tǒng)、泄壓系統(tǒng)以及保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。管道高程變化相對(duì)較大時(shí)，推薦使用迷宮盤(pán)片式類(lèi)型的減壓閥；采用過(guò)濾系統(tǒng)可以防止介質(zhì)中的雜質(zhì)以及析蠟問(wèn)題對(duì)減壓閥產(chǎn)生損傷；保護(hù)系統(tǒng)是對(duì)減壓站進(jìn)出站的壓力進(jìn)行全面保護(hù)。