劉波1  戴聯(lián)雙2  趙曉利3  馬宏宇1  竇小亮1  金哲3  王林1

1.西安輸油氣分公司；2.中國石油管道公司；3.沈陽龍昌管道檢測中心

 

摘要：采用氮氣驅(qū)動低壓封存在役成品油管道內(nèi)檢測存在眾多的難點和挑戰(zhàn)，國內(nèi)外同行業(yè)類似作業(yè)積累的經(jīng)驗比較少。本文通過對低壓封存在役成品油管道存在的殘留油品、大量氮氣排放可能造成的窒息、泄放氮氣可能造成噪聲污物、以及泄放氣體中攜帶油品污染環(huán)境等多種風險因素進行分析，以渭南汽油支線為例，提出了內(nèi)檢測清管、反推方案、降噪設計等相應的風險預控措施。結(jié)合管道內(nèi)檢測運行所需要的背壓和運行速度要求，通過注氮量與清管器運行的理論計算與現(xiàn)場模擬對比分析等方法有效地解決了內(nèi)檢測器運行所需要的環(huán)境，從而為獲取高質(zhì)量的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)提供了良好的基礎。

關鍵字：氮氣驅(qū)動  低壓封存  成品油管道  管道內(nèi)檢測  實踐 

 

1.前言

渭南汽油支線于2009年6月建成，2015年3月完成投產(chǎn)。由于該支線長時間未投產(chǎn)和建成后管道試壓水掃線不徹底等因素，導致管道發(fā)生嚴重腐蝕。2014年投產(chǎn)前上水試壓出現(xiàn)無法穩(wěn)壓，分段試壓找出兩處漏點，均為針孔腐蝕泄漏（如圖1所示）。隨后，對汽油支線進行內(nèi)檢測后發(fā)現(xiàn)管道腐蝕較為嚴重，對腐蝕嚴重的79根管子進行了換管作業(yè)，雖然換管完成后進行試壓合格，但是對于針孔類腐蝕缺陷內(nèi)檢測檢出率比較低，仍然存在泄漏的可能性，運營風險較高。且管道自投產(chǎn)以來，夏季由于溫度的上升平均每10天就要對管道進行一次泄壓作業(yè)，頻繁的升壓、泄壓相當于對管道進行重復試壓作業(yè)，加大了管材疲勞腐蝕的風險，增加了原有腐蝕點失效的不確定因素。

 

圖1. 試壓時泄漏噴水照片（左）和切管后漏點的尺寸

2015年11月，綜合考慮市場需求變化和運營者對于可能存在的針孔腐蝕缺陷的擔憂，為了保障渭南汽油支線的運營安全及管內(nèi)油品的質(zhì)量，采用氮氣通球推油方式，將支線的油品推掃到下游高田油庫。推油完成后，采用0.2Mpa微正壓進行了封存。2017年3月市場需求再次發(fā)生變化，支線需要重新啟輸，及時了解管道的內(nèi)腐蝕情況并盡快處理內(nèi)腐蝕嚴重的管段是十分必要的。同時，對于封存再啟輸管道，按照GB32167-2015《管道完整性管理規(guī)范》[1]和TSG D7003-2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則-長輸（油氣）管道》[2]等相關法規(guī)標準[3-5]的要求，對于工藝發(fā)生重大變更或者停輸再啟用的長輸油氣管道，需要在啟用前進行管道內(nèi)檢測，開展管道完整性評價工作。鑒于上述情況，渭南汽油支線首次采用了氮氣作為介質(zhì)，驅(qū)動內(nèi)檢測器進行作業(yè)，全面識別管道本體可能存在的缺陷，為安全再啟輸提供保障。

2.面臨的風險與挑戰(zhàn)

2.1殘存油氣

渭南汽油支線17.8km，壁厚5.6mm，管徑273mm，按照理論計算管容應為958.2m3。通球掃線共推出汽油953.9m3，推油率達到99.6%，沒有推出固體污物，只有污油約2kg。管道內(nèi)尚殘存4.3m3汽油，存在發(fā)生與空氣接觸發(fā)生燃燒、爆炸的可能性。2014年在我國西南地區(qū)某在役天然氣管道曾發(fā)生過注入6km氮氣推動管道內(nèi)檢測器運行，在6km后采用空氣驅(qū)動，因氣體之間的相互混合，再加上檢測器運行與管壁摩擦生熱，導致管道發(fā)生爆燃事故，造成檢測器嚴重損壞、管道爆炸開裂等嚴重的后果。因此，渭南柴油支線雖然殘存的汽油量不大，但是一旦積聚在低點，達到一定的濃度，操作不當就極有可能在管道內(nèi)發(fā)生爆燃等事故。

同時，如果4.3m3的汽油積聚在一起集中通過排放系統(tǒng)泄放，也有可能導致油氣積聚，達到爆炸極限，引起燃爆等事故。由于泄放的壓力較高，泄放的氮氣會夾雜污物從泄放管中排放出來，如果風力較大的話會造成大范圍的飄散污染環(huán)境。

2.2氮氣窒息

為了保障清管器和檢測器的平穩(wěn)運行，需要建立1.6Mpa的背壓。所需的氮氣用量可按下式進行計算：

                    （1）

式中：Q儲代表管道標準大氣壓、常溫下的氮氣用量（m3）；P代表管道內(nèi)氮氣的壓力（絕對）（Mpa）；P0代表標準大氣壓，為0.10325Mpa；T代表管道內(nèi)氮氣的平均溫度（K），為283.15k；T0代表常溫下氮氣的平均溫度（K），為293.15k；Z代表氮氣的壓縮因子，為0.994；V為管道的容積（m3）。

按照施工方案要求，首先建立對渭南汽油支線管道進行1.6Mpa的穩(wěn)壓測試，隨后進行3次清管器作業(yè)，最后再發(fā)送漏磁檢測器，合計需要的液氮量約125t（液氮在常溫下的汽化比為1:643）。所需的氮氣量非常大，直接排放在大氣中，容易造成小范圍內(nèi)的氮氣積聚濃度過高，從而造成窒息的危險。

2.3升壓過程中的破裂泄漏

渭南汽油支線管道自完成推油掃線后，一直以來采用0.2Mpa微正壓進行封存，雖然管道進行了推油封存，但是管道內(nèi)殘存的物質(zhì)除了汽油外，還有其他具有腐蝕性的雜質(zhì)（如水、硫化物、二氧化碳等）。因此無法判定管道是否存在較大的腐蝕缺陷，是否能夠承受1.6Mpa的內(nèi)壓。在注氮升壓過程中有可能誘發(fā)管道泄漏，甚至開裂的風險。

2.4周邊環(huán)境的噪聲污染

渭南汽油支線的計量站為收球站，50m范圍內(nèi)有一條交通比較頻繁的高速公路，在200m范圍內(nèi)還有一個居民小區(qū)。如果以1.6Mpa的壓力在渭南計量站泄放氮氣，那么造成噪聲在300m外都將遠遠超過70db，給居民小區(qū)帶來嚴重的噪聲污染。GB12348-2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》[6]里面要求：“工業(yè)企業(yè)廠區(qū)內(nèi)4類功能區(qū)的白天噪聲不能超過70db”，而直接泄放的噪聲遠遠超出了標準的要求。

2.5檢測器運行速度控制

為了獲取較好的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，檢測器的運行需要保持平穩(wěn)，并且速度還需要控制在一定的范圍。按照第四代漏磁檢測器的性能規(guī)格要求，檢測器需要在不低于1.5Mpa背壓下，保持2m/s~5m/s的速度運行，這樣能獲取最佳的檢測數(shù)據(jù)。如果超過這個條件范圍，都有可能導致檢測數(shù)據(jù)的降級，甚至會導致失敗。而此次采用注氮驅(qū)動，對于注氮的平穩(wěn)性和注氮速率都提出了較為嚴格的要求，再加上管道高程的變化，在檢測器速度控制方面存在運行過慢或者過快的風險。

3.風險控制措施

3.1氮氣注入與泄放因地制宜

注氮與氮氣泄放相比，造成的噪聲要小的多，就是一般發(fā)動機的聲音，不會發(fā)出刺耳的蜂鳴聲。渭南汽油支線的渭南輸油站為發(fā)球站，位于比較空曠的地方；而渭南計量站為收球站，附近200m范圍內(nèi)有居民小區(qū)，且50m范圍內(nèi)還有一條交通頻繁的高速公路（如圖2所示）。為了降低噪聲給居民小區(qū)帶來的污染，調(diào)換了收發(fā)球站，采用反推的方式。將渭南輸油站變更為收球站，氮氣泄放系統(tǒng)安裝在該站；將渭南計量站變更為發(fā)球站，注氮設備在該站進行注氮作業(yè)。

 

圖2. 渭南計量站（左）和渭南輸油站（右）區(qū)域布置圖

同時，為了降低噪聲污染還采取了三個方面的措施：一是在渭南計量站的注氮車盡量安排在西側(cè)，遠離居民小區(qū)；二是在渭南輸油站泄放系統(tǒng)中安裝消聲器；三是作業(yè)盡量安排在白天，避開夜間作業(yè)。

另外，考慮收發(fā)球站變更還有一個原因。渭南汽油支線在1-15km 段地形相對平緩，而在15km-17km 段管線落差大，且最高點距渭南計量站僅1km 左右的距離（如圖3所示）。如果采用正推方案，在管道內(nèi)檢測其翻過高點后將會下坡后很快進入渭南分輸計量站，短時間內(nèi)難以調(diào)整、控制內(nèi)檢測器以平穩(wěn)運行速度進入計量站收球筒，速度調(diào)整不及時存在內(nèi)檢測器沖撞收球筒快開盲板的風險。如果采用反推，管道內(nèi)檢測器翻過高點后將會在一段相對較長的平緩地段運行，在此段運行有相對充足時間對內(nèi)檢測器運行速度進行調(diào)整。

 

圖3.渭南汽油支線沿渭南輸油站至渭南計量站高程變化趨勢

3.2分階段升壓與穩(wěn)壓

為了避免升壓過快可能帶來的管道泄漏或者破裂，采取了三階段升壓的措施。首先從0.2Mpa升至0.5Mpa，并采用注氮車最小的液氮排量100L/min，穩(wěn)壓20min；通過壓力監(jiān)控系統(tǒng)，如存在0.01Mpa及以上的壓降，則全線進行排查，查找壓降的原因，若沒有出現(xiàn)壓降，則繼續(xù)升壓至1.0Mpa，采用注氮車二擋的液氮排量200L/min，穩(wěn)壓20minh；通過壓力監(jiān)控系統(tǒng)，如存在0.01Mpa及以上的壓降，則全線進行排查，查找壓降的原因，若沒有出現(xiàn)壓降，則繼續(xù)升壓至1.6Mpa，采用注氮車三擋的液氮排量300L/min，穩(wěn)壓8.0h（渭南計量站升壓與穩(wěn)壓壓力監(jiān)控如圖4所示）。

 

圖4. 渭南計量站升壓與穩(wěn)壓壓力監(jiān)控

分階段穩(wěn)壓測試都通過后，則進入下一階段發(fā)送清管器和漏磁檢測器的作業(yè)。為了保障整個過程的有序、快速開展，在升壓過程中，實施監(jiān)控壓力的變化，同時巡護人員和維搶修人員處于待命狀態(tài)，以便及時響應可能出現(xiàn)的各種情況。

3.3 理論計算結(jié)合清管器運行模擬

為了保障清管器能順利運行，在前3輪清管器運行過程中，采用式（2）進行理論計算，并結(jié)合清管器跟蹤時間來計算區(qū)間運行的平均速度，兩者綜合對比分析，來進一步調(diào)整注氮車的排量，降低因高程變化影響檢測器的平穩(wěn)運行。

                       （2）

式中：代表流速，代表流量，代表輸送壓力（，代表管徑。

在清管器運行期間，渭南汽油支線共設置了8個跟蹤點，當清管器通過相應跟蹤點位置的時候，跟蹤人員記錄清管器通過的時間，相關人員計算通過區(qū)間的平均速度。清管器到達收球筒后，通過管道里程與清管器運行的總時間，可以計算得出運行的平均速度。通過實際運行的速度和根據(jù)注氮車排量計算的理論速度對比分析，可以優(yōu)化調(diào)整注氮車隨時間變化的注氮量，從而為管道內(nèi)檢測器運行速度控制提供參考數(shù)據(jù)。

4.理論實踐與改進

4.1氮氣注入速率與運行速度

此次的清管器設計上未開設泄流孔，密封皮碗的過盈量3%~5%，因此在運行過程中的密封性較好，通過理論計算的注氮量與清管器實際運行所消耗的液氮量比較相近，誤差量不大于10%。

項目	理論計算量 （m3）	實際耗損量 （m3）	誤差量 （%）	備注
第一次清管器運行	25	26	4%	作業(yè)氣溫較高存在一定的熱車損耗，熱車損耗一般在2%左右。
第二次清管器運行	25	26.5	6%
第三次清管器運行	25	27	8%

漏磁檢測器為了保證自身的均勻磨損和在管道內(nèi)運行的時候平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，以及對前端可能堆積的雜質(zhì)的沖刷，開設了4個φ10的泄流孔，與清管器同樣工況下，運行速度為清管器的0.87倍，與理論計算也是非常吻合（注：基于GE PII檢測公司內(nèi)部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，一般漏磁檢測器運行的速度為介質(zhì)流速的0.85~0.9倍）。

為了保證設備運行的平穩(wěn)性，采用液氮氣化的方式進行，這樣，可以保持較高的氮氣壓力，適用于大管徑、壓力較大且需要氮氣量較大的管道[7]。

4.2放空系統(tǒng)改進

放空系統(tǒng)的設計與安裝是實施該項目的關鍵，既要保障泄放量滿足設備運行的要求，還需要保障泄放的噪聲在可接受的范圍內(nèi)，并且泄放的含油氣雜質(zhì)在可控制的范圍內(nèi)。

為了滿足設備運行的泄放量，原設計了一套調(diào)節(jié)閥和壓力表，另外設置了一套自動泄放閥，將自動泄放閥的壓力標定為1.6Mpa，但是在第一次運行清管器過程中，泄放閥由于頻繁動作發(fā)生故障，從而導致了泄放管道的振動，隨后引起了整個渭南輸油站內(nèi)的工藝管道的共振。基于此，拆除了自動泄放閥，在泄放系統(tǒng)中配置了兩套調(diào)節(jié)閥和壓力表，為了提高可靠性，這兩套調(diào)節(jié)閥和壓力表采用串聯(lián)的方式，泄放壓力的調(diào)節(jié)采用人工操作，操作人員安排兩人，一人操作一人監(jiān)護。同時，在泄放系統(tǒng)的中另一個改進就是在采用鋼管與法蘭連接的系統(tǒng)中增加至少一節(jié)的軟連接，避免共振的情況的發(fā)生，同時也是將泄放系統(tǒng)與工藝管道進行電氣隔離。

針對泄放噪聲，在放空系統(tǒng)中采用了“Y”型擴大泄放，并在頂端安裝消聲器的方式，降低噪聲。通過現(xiàn)場測試，在100m外的泄放噪聲達到了可接受的范圍，避免了噪聲污染的發(fā)生。

在放空系統(tǒng)的頂端設置了防擴散網(wǎng)棚。該網(wǎng)棚既能有效地收集從消聲器里面噴射出來的含油氣雜質(zhì)，還能保障氮氣的順利排放。在地方還安裝了兩臺防爆軸流風機，根據(jù)風向?qū)崟r調(diào)整吹掃的方向，保障作業(yè)人員的安全。

5.總結(jié)與展望

渭南汽油支線采用氮氣驅(qū)動管道內(nèi)檢測器運行的方式，通過對殘存油氣、噪聲污染、以及作業(yè)過程中可能發(fā)生的泄漏或破裂等風險識別，采取了針對性的風險預控措施。結(jié)合對作業(yè)過程中氮氣注入量、清管器和檢測器運行速度、以及泄放控制等各種數(shù)據(jù)的積累和分析，為以后針對封存在在役油氣管道的再啟用開展管道內(nèi)檢測工作提供了有力的決策支持。

采用氮氣驅(qū)動低壓封存在役成品油管道內(nèi)檢測還需要不斷的積累經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，并根據(jù)現(xiàn)場情況不斷改進放空系統(tǒng)、氮氣注入系統(tǒng)、以及內(nèi)檢測器運行狀態(tài)控制等，為管道內(nèi)檢測提供最佳的運行環(huán)境，為全面識別管道可能存在的缺陷，保障管道安全運行創(chuàng)造更好的條件。

參考文獻：

[1] GB32167-2015《管道完整性管理規(guī)范》

[2] TSG D7003-2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則-長輸（油氣）管道》

[3] 《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》（主席令 第13號），2014年12月1日起施行。

[4] 《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》（主席令 第30號），2010年10月1日起施行。

[5] 《中華人民共和國特種設備安全法》（主席令 第4號），2014年1月1日起施行.

[6] GB12348-2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》

[7] 佟德斌，李博，孔繁宇. 氮氣清掃技術(shù)在管道封存中的應用[J].管道技術(shù)與設備，2014（4）：55-57.

作者：劉波，男，1971年生，1993年畢業(yè)于西安石油大學焊接工藝與設備專業(yè)，現(xiàn)任職于中國石油天然氣股份有限公司管道西安輸油氣分公司副經(jīng)理。

《管道保護》2017年第5期（總第36期）