付建民1 葉闖1 羅會玖2 張保坡2

1.中國石油大學（華東）海洋油氣裝備與安全技術研究中心； 2.中國石油化工股份有限公司管道儲運分公司

我國大部分在役油氣管道運行已超過20年。由于腐蝕、管道質量缺陷、運行磨損、違規操作及人為破壞等因素導致的泄漏事故時有發生。目前，原油管道泄漏風險評價存在兩個突出問題：

一是應急決策與后果評估采用大量假設，未考慮實際泄漏處置過程（如圖1所示）對泄漏速率的影響，導致無法準確計算泄漏量，不能為泄漏風險確定和應急救援提供準確信息。青島11.22事故發生后，由于缺乏泄漏量評估數據，沒有及時準確計算泄漏總量，僅憑地表和海面原油量粗略判斷泄漏量，導致對泄漏后果嚴重低估，使應急區域劃分和響應等出現嚴重誤判。

圖1 實際原油管道泄漏處置過程

二是帶壓堵漏、保壓運行和停輸等操作都會對泄漏速率產生較大影響。有必要對不同泄漏處置條件下的泄漏速率進行研究。

1 泄漏量計算方法優缺點對比

目前采用的泄漏量計算方法主要有以下兩類。

1.1 基于質量平衡原理的流量計方法

主要利用管道出入口流量計實時計量體積流量，通過泄漏前后一段時間內的累計流量差計算泄漏量。使用該方法確定泄漏量優點是簡單直接，但缺點是：①流量計計量誤差對泄漏量計算影響較大，用流量計精確計量大尺寸原油管道目前仍存在較大技術難度（對部分管道，流量計誤差甚至達到10%以上），無法準確確定小孔泄漏量；②我國大部分在役管道的各段泵站出入口未安裝流量計，再投資和建設成本較高，無法采用此方法計算；③存在泄漏時流量計無法計量的工況，這部分工況包括泵站停泵后的各種泄漏場景。由于停泵，上下游流量計計量讀數為零，但受管道高程重力作用影響，泄漏仍在持續，且該部分泄漏量非�？捎^。

1.2 基于管道壓力分布動態模型的泄漏量計算方法

該方法主要依據管道規格、高程及流體的特征，建立較復雜的數學模型和泄漏后管道動態壓降分布模型，根據泄漏點壓力計算泄漏速率和累計泄漏量。該方法的優點是：①結合泄漏定位系統可預測和快速計算泄漏區域泄漏量；②可以對泄漏后不同處置措施（包括停泵、保壓運行等）條件下的泄漏量進行計算。該方法的缺點是：①模型建立工作量較大，需要對各站之間管道根據高程變化進行劃分，以復線為例，僅黃島站—青島站就劃分為254段。②不同模型準確度差別較大，需要大量實際數據對模型進行相應修正。

本文主要采用理論研究、模擬實驗以及數值仿真相結合的方法，根據東黃復線沿線站點分布進行分段，并對各站點之間的管道依據其高程變化進行劃分，研究其泄漏規律，對現有的管道泄漏模型進行驗證，改進泄漏強度計算模型，并在此基礎上研究泄漏過程中可能進行的保壓運行、停泵等泄漏處置干預過程對泄漏強度的影響，分析不同泄漏場景和工況下的泄漏規律，總結出相應的泄漏強度的計算方法，最終得出泄漏量的大小。主要技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線圖

2 泄漏量計算建模過程及驗證

2.1 建模過程

根據上述建模原理及使用方法，具體建模過程如下：

（1）對原油樣品進行分析，確定原油組分。

（2）根據原油組分檢測報告結果，確定物料組分。

（3）根據泵站分布變化情況對東黃復線管道進行區間劃分。

（4）根據各區間內管道高程變化對管道進行劃分，并測量出相應的管長及高程數據。

（5）將管道高程測量數據結果輸入，構建管道模型。

（6）設置管材、保溫層等參數。

（7）選擇控制器并輸入控制參數。

（8）模型驗證結合現場泄漏數據和相似模擬實驗，采用中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心管道泄漏及氣體擴散測試實驗系統進行。該系統由儲罐、輸送泵、空壓機、緩沖罐、輸液管道、輸氣管道、分離器、混相器、預熱器、伴熱系統、泄漏模塊、控制臺、測試儀表、采集處理系統等組成，其主要功能是模擬現場輸送管道泄漏狀況。該實驗系統能實現純液相、純氣相以及氣液混相的管道泄漏、罐體泄漏、埋地管道泄漏模擬試驗以及相關數據的采集分析。

實驗系統原理如圖3所示。

圖3 液相管道泄漏實驗系統流程圖

液相管道泄漏實驗裝置系統，可以通過換裝不同泄漏模塊，模擬不同泄漏孔口在不同壓力、不同排量下的泄漏實驗，同時利用測量儀表單元和數據采集單元實時記錄管道流量、壓力等數據，研究不同裂口、流量、壓力情況下的泄漏變化規律。

2.2 驗證結果

根據2014年12月16日東臨管線濱州站至惠民站盜油事件現場數據，優化驗證泄漏模型。由圖4、5可見，盜油時，管道壓力變化分為3個階段，分別為管道壓力下降階段、管道壓力穩定階段、管道壓力恢復階段。對比現場檢測與仿真結果，可以看出，盜油事件發生后，管道壓力變化趨勢、泄漏過程與實際比較吻合。由此可見，仿真模型能準確模擬現場情況，模型精度高、有效性強。

圖4 盜油發生時現場實際數據圖

圖5 仿真結果圖

研究也發現，對固定輸量管道上的任意泄漏孔而言，超過當前該尺寸時泄漏量并不會持續增加（即破裂口再大，但是泄漏量也不可能超過管道的輸入流量）。

3 泄漏快速計算系統開發

根據上述研究，建立東黃復線管道泄漏規律和預測數據庫，并編寫相應軟件。該軟件具有以下特點：

(1)可結合管道負壓波定位系統對泄漏點位置進行輸入。

(2)考慮泄漏處置措施，計算全過程泄漏量，為管道企業進行快速泄漏風險評估、泄漏處置提供參考。

(3)軟件編寫過程中考慮臨界孔徑等因素，符合實際情況。

軟件功能包括站間高程點泄漏壓力預測、泄漏流量預測計算等。具體功能設計如下：

(1)可根據實際泄漏情況分別選取不同站間管線泄漏點。

(2)可根據管道高程圖(如圖6)選擇泄漏點位置進行直接輸入查詢，也可結合管道負壓波定位系統輸入泄漏點位置進行查詢。

圖6 管道高程圖

(3)完成管線任意位置、不同泄漏孔口尺寸的泄漏壓力變化和泄漏流量預測。根據輸入的泄漏點位置及泄漏時間，對相應場景下未停泵時的泄漏量進行計算。

(4)根據不同段不同區域泄漏量計算公式及輸入的泄漏點位置，計算該泄漏點停泵時的泄漏量。

( 5 )通過分別計算未停泵以及停泵時的泄漏量，得出管線任意位置、不同泄漏孔口尺寸下的總泄漏量（如圖7）。

圖7 計算輸出結果

結合管道泄漏監測定位系統和地理信息系統（GIS），快速確定管道泄漏發生后的泄漏總量、泄漏可能的影響范圍，當泄漏強度較大和泄漏區域為重點保護區域時，可及時決策是否保壓運行還是停輸。如圖8、9所示，可根據泄漏定位系統和泄漏量預測該區域可能影響范圍，進而快速決策是否停輸。

圖8 泄漏高風險區域泄漏量影響規模預測圖

圖9 泄漏中低風險區域泄漏量影響規模預測圖

4 結論

（1）泄漏處置過程對泄漏強度有較大影響，本文介紹了一種根據泄漏處置過程將泄漏去全過程分為停泵前泄漏和停泵后泄漏兩個階段的泄漏快速計算方法。

（2）快速計算和確定泄漏量，并結合定位系統確定泄漏總量和泄漏可能影響的范圍，對于泄漏控制和應急處置決策至關重要。

作者：付建民， 1977年生，男，博士，副教授，主要從事油氣安全工程方向的教學和科研工作，目前的研究方向為：石油、化工風險辨識與評價技術， HAZOP與LOPA及SIL分析技術應用、油氣安全技術、石油化工裝置泄漏模擬與評價技術等。

《管道保護》2016年第5期（總第30期）