李旺 姜海斌 張志堅 梁俊

國家管網集團西南管道公司

 

 

摘  要：中緬原油管道（國內段）和云南成品油管道是典型的大落差連續U型管液體管道。管道在試運行投產過程中，發生了不同于其他管道的異常事件。詳細介紹了中緬原油管道投產過程及出現的異常事件，以及云南成品油管道油品乳化現象，分析了發生原因，提出了解決方案。

關鍵詞：大落差；液體管道；連續U型彎；試運行投產；油品乳化

 

中緬原油管道（國內段）和云南成品油管道，沿線地質條件復雜，多次穿跨越國際性河流，管道落差大，壓力高， U形彎多，瀾滄江跨越落差達到1200米，怒江跨越落差達到1500米，管道最大坡度接近80°，是典型的大落差連續U型管液體管道。針對兩條管道在試運行投產過程中發生的異常事件，分析其發生原因，提出解決辦法，為今后相關管道工程投產運行提供借鑒。

1 中緬原油管道特點和投產過程

1.1 管道特點

中緬原油管道（國內段）途經橫斷山脈，沿線山勢險峻、峽谷縱橫，地形起伏劇烈，全線海拔最高達2624 m，整體高差逾2100 m，工藝系統落差超過1000 m的有4段，堪稱中國管道建設史上工藝落差最多的管道。其沿線地形與傳統的大落差管道沿線地形存在較大的區別[1]，如圖 1所示。

從圖 1可以看出，傳統大落差液體管道在翻越高點后，下游地形較平坦，在短距離內無較大起伏，設計和運行中主要考慮大落差后的減壓和停輸時的靜壓階段，設計理念和要求與平坦地區液體管道差距不大。大落差連續U型管液體管道在短距離內高差起伏達1000米以上，設計階段，就應考慮投產過程中的水頂氣和油頂水排氣及油水密度差引發的壓力差等問題。

1.2 投產難點

中緬原油管道（國內段）試運行投產有以下4個難點。

（1）管道沿線落差大， U型彎多。管道沿線高程起伏大， 50公里內落差大于1000米的U型彎有4處之多，世界罕見。

（2）穿跨越多條國際河流。先后穿跨越3條國際河流，水流湍急，距離邊境較近，如果發生油品泄漏事故，會引起國際環境糾紛。

（3）應急搶險難度大。沿途地勢險要，道路通行能力差，部分地區搶險人員和工器具無法在有效的時間內到達。

（4）管道社會依托差。管道線路都分布在云貴高原的大山中，沿線社會依托差，對投產的后勤保障工作提出了較高要求。

1.3 投產過程

中緬原油管道（國內段）自2017年5月3日瑞麗首站注水，至6月7日油頭到達安寧末站（云南石化公司）， 6月12日完成72小時試運行和相關測試，管道一次性投產成功，投產總用時35天。投產過程詳見表 1。

實際投產過程中，因境外段供水量不足，無法實現管道全線注水，國內段實際充水距離約610 km。投產指揮部決定由原來的全線整體檢漏變更為以彌渡站為分界點的分段管道檢漏。

2 投產異常事件分析和解決辦法

2.1 投水過程中沿程摩阻異常

中緬原油管道（國內段）沒有設計高點排氣閥室。為了保證投產過程中順利排氣，投產方案增設了5處高點排氣，同時選取4座閥室排氣。但是在水頂氣過程中，發現芒市站出站后仍形成較大氣阻，根據核算，管道內摩擦阻力是正常值的2～3倍，導致芒市站出站壓力存在超設計壓力風險。為了解決這一問題，后續運行中采取了以下措施：①新增臨時排氣點3個，加大排氣力度；②臨時將芒市站泵出口保護值由14.2 MPa調整至14.8 MPa，出站壓力保護值由13.0 MPa調整至14.1 MPa，出站泄壓閥設定值由13.2 MPa調整至14.5 MPa；③全線停輸靜置排氣。

措施實施后保證了投水過程順利進行，但是管道仍存在氣體。投產完成后，為了分析水頂氣過程中摩擦阻力異常原因，繪制了示意圖 2和示意圖 3。

                    

從圖 2可以看出，如果多重起伏管道投水排氣效果非常理想，在此過程中泵出口的最大阻力應該發生在水頭翻越靠后的高點時。其阻力包括沿程摩阻和翻越高點的靜壓力，如方程（1）所示。

 

運行中管道排氣效果往往不是理想狀態，經常在管道的高點集氣，多重起伏的管道會在各個高點上形成氣袋，導致計算得出的摩擦阻力會大于理論摩擦阻力，氣體積存的越多，實際摩擦阻力越大，如圖 3和方程（2）所示。

 

為了驗證上述分析，對投產過程數據進行了整理和分析。當水頭從怒江上游高點經過大落差流向低點處的10#閥室，整個落差達到1480 m。根據現場數據計算得到這段時間的輸送量為：

 

而怒江上游高點到9#閥室的管段容積為3171 m3。說明水頭從怒江上游高點到9#閥室不是滿流，存在氣體。持液率為：

 

以上分析再次證明了水頂氣階段摩擦阻力過大是由管道內排氣不徹底造成的。

2.2 油頂水通過怒江U型彎處遇阻

在油頂水過程中，當油水界面通過怒江兩側的U型彎時，出現了全線流量下降、芒市出站壓力上升的現象。將芒市出站壓力設定值調整至14.85 MPa后，此種現象仍未消除，此時芒市站末級泵已達到泵體承 壓極限（15 MPa），下游低點閥室已超過設計壓力值，投產無法順利進行（圖 4）。

                    

如圖 5所示，通過對現場高程里程數據進行分析，發現怒江谷底為700 m，跨越點上游海拔2177 m、下游海拔2107 m，形成一個落差近1500 m的U形彎。上游為原油，下游為水，密度差產生的逆向壓差約1.7 MPa，加之氣阻的影響，在芒市出站壓力提升到14.85 MPa工況下，油頂水仍無法通過下游高點。其原因主要有兩點：①水頂氣過程中，排氣不夠徹底；②設計時，未考慮油頂水密度差造成的壓差。

為了解決這一難題，投產指揮部經分析比選，提出在怒江下游上坡段閥室間排水、以減少背壓使水力系統跨越怒江方案。為避免可能會面臨的環保風險，排水時制定了詳細方案。 ①在閥室附近開挖2組蓄水池，尺寸為長20米、寬20米、深2米，做防滲處理；②閥室至蓄水池的管線采用錨定方式防護，防止排水過程中管線擺動造成人員傷害；③排水過程中嚴格控制流量，排到蓄水池的水經化驗符合排放標準后，再就地排放。

第一次排水后，管道試啟輸，將油頂水界面繼續推向怒江跨越處（低點），此時，怒江下游高點進行排氣作業。由于油水界面的推進，導致10#—12#閥室間的靜壓繼續上升，管道停輸。之后再次通過閥室排水、再啟輸，反復三次后，油頂水界面通過了怒江跨越處（低點），管道水力系統得到根本好轉，芒市出站壓力持續下降，管道流量逐漸向預設值靠近，順利跨越了怒江段。

3 管道柴油乳化問題及解決辦法

云南成品油管道投產過程中，油頭到達大理站后目視油品不合格，出現類似乳化現象。化驗結果表明油品含水量極低，油品呈乳白色。初步分析油品類似乳化的原因是 ，國V柴油要求硫含量小于10 mg/kg（ppm），導致柴油硫醇含量極低，使其潤滑性達不到國標要求，為提高柴油潤滑性加入的脂類抗磨劑是天然的乳化劑，會促使柴油和水發生乳化。

據此，大理站開展現場實驗，使用濾紙過濾乳化油品，乳化現象明顯消除（圖 6）。根據實驗結果，建議下游銷售公司將罐內油品靜置5～7天，乳化現象基本消除。

為了定量分析抗磨劑對柴油乳化成因，開展了相關研究。從圖 7可以看出，投產所用柴油的界面張力隨著抗磨劑加入量的增加，先升高后降低，界面張力最大點處正是實際管輸柴油中抗磨劑加入量處。

在實驗室模擬油品在管道中的正常流動、過泵剪切和過閥剪切，選擇黏性流動熵產/能量耗散率為剪切模擬量，選擇攪拌器法作為剪切模擬方法，選取各類剪切條件下最強的剪切作用，使室內結果盡可能貼近最嚴峻的實際管輸工況。模擬工況指標分別為：管輸流量 270 m3/h，管輸溫度20℃，過泵增壓4.0 MPa，過泵時間2 s，泵效率取0.8，節流壓降6.5 MPa，過閥時間0.7 s。

通過開展多工況下柴油乳狀液靜置穩定性實驗，發現云南成品油管道管輸柴油乳化是由管輸過程中過泵和過閥的強烈剪切、柴油中原界面活性物質和抗磨劑的耦合作用共同引起的。

4 經驗和思考

（1）重視投產排氣。中緬原油管道（國內段）沒有設計高點排氣閥室，編制投產方案時設置了5處高點排氣。但在投產過程中發現管線中仍存在大量氣體，且在芒市出站后形成較大氣阻。根據計算，摩阻損失是正常值的2～3倍。 云南成品油管道安寧—保山管段原設計3座高點閥室，吸取中緬原油管道（國內段）投產經驗，編制投產方案和實際投產過程中增設了很多臨時排氣點，投產順利完成。

（2）增加設計裕量。大落差連續U型管液體管道設計時應在重點地段增大泵站及管道承壓的富裕度，必須比其他地區管道的富裕量更大，以克服管道投產過程中水和空氣、油和空氣形成多相流產生的摩阻，以及油頂水過程中在U型彎處密度差所帶來的能量差。

（3）加大信息交流。成品油管道投產過程中發生油品類似乳化現象后，經交流得知，中石化某管道及相關支線投產過程中也出現柴油乳化情況，油水乳化物多達4萬多噸[2]； 云南石化公司火車裝車系統投產時也出現國V柴油和投產水乳化現象。 所以，今后工作中應加大與高校和其他企業的交流，及時掌握行業訊息，可以有效避免類似問題發生。

 

參考文獻：

[1] 劉恩斌，馬茜，黎春，等. 大落差原油管道投產排水過程研究[J].西南石油大學學報(自然科學版)，2019， 41(01)： 159-167.

[2] 王劍波，達文曦，鄭堅欽，等. 大落差成品油管道投產過程中油品乳化問題研究[J].當代化工， 2018，12(11)： 119-123.

 

作者簡介：李旺， 1986年生，高級工程師， 2013年6月畢業于中國石油大學（北京）油氣儲運工程專業，獲博士學位。目前主要從事油氣管道調度運行管理工作。聯系方式： 19934465429，liwang@pipechina.com.cn。