付建民1 葉闖1 羅會玖2 張保坡2

1.中國石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)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(zhì)量缺陷、運行磨損、違規(guī)操作及人為破壞等因素導(dǎo)致的泄漏事故時有發(fā)生。目前，原油管道泄漏風(fēng)險評價存在兩個突出問題：

一是應(yīng)急決策與后果評估采用大量假設(shè)，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(dǎo)致無法準(zhǔn)確計算泄漏量，不能為泄漏風(fēng)險確定和應(yīng)急救援提供準(zhǔn)確信息。青島11.22事故發(fā)生后，由于缺乏泄漏量評估數(shù)據(jù)，沒有及時準(zhǔn)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(dǎo)致對泄漏后果嚴(yán)重低估，使應(yīng)急區(qū)域劃分和響應(yīng)等出現(xiàn)嚴(yán)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?shù)炔僮鞫紩�對泄漏速率產(chǎn)生較大影響。有必要對不同泄漏處置條件下的泄漏速率進(jìn)行研究。

1 泄漏量計算方法優(yōu)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(zhì)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(nèi)的累計流量差計算泄漏量。使用該方法確定泄漏量優(yōu)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(shù)難度（對部分管道，流量計誤差甚至達(dá)到10%以上），無法準(zhǔn)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(shè)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(shù)為零，但受管道高程重力作用影響，泄漏仍在持續(xù)，且該部分泄漏量非�？捎^。

1.2 基于管道壓力分布動態(tài)模型的泄漏量計算方法

該方法主要依據(jù)管道規(guī)格、高程及流體的特征，建立較復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和泄漏后管道動態(tài)壓降分布模型，根據(jù)泄漏點壓力計算泄漏速率和累計泄漏量。該方法的優(yōu)點是：①結(jié)合泄漏定位系統(tǒng)可預(yù)測和快速計算泄漏區(qū)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(jìn)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(jù)高程變化進(jìn)行劃分，以復(fù)線為例，僅黃島站—青島站就劃分為254段。②不同模型準(zhǔn)確度差別較大，需要大量實際數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行相應(yīng)修正。

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

圖2 技術(shù)路線圖

2 泄漏量計算建模過程及驗證

2.1 建模過程

根據(jù)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(jìn)行分析，確定原油組分。

（2）根據(jù)原油組分檢測報告結(jié)果，確定物料組分。

（3）根據(jù)泵站分布變化情況對東黃復(fù)線管道進(jìn)行區(qū)間劃分。

（4）根據(jù)各區(qū)間內(nèi)管道高程變化對管道進(jìn)行劃分，并測量出相應(yīng)的管長及高程數(shù)據(jù)。

（5）將管道高程測量數(shù)據(jù)結(jié)果輸入，構(gòu)建管道模型。

（6）設(shè)置管材、保溫層等參數(shù)。

（7）選擇控制器并輸入控制參數(shù)。

（8）模型驗證結(jié)合現(xiàn)場泄漏數(shù)據(jù)和相似模擬實驗，采用中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心管道泄漏及氣體擴(kuò)散測試實驗系統(tǒng)進(jìn)行。該系統(tǒng)由儲罐、輸送泵、空壓機(jī)、緩沖罐、輸液管道、輸氣管道、分離器、混相器、預(yù)熱器、伴熱系統(tǒng)、泄漏模塊、控制臺、測試儀表、采集處理系統(tǒng)等組成，其主要功能是模擬現(xiàn)場輸送管道泄漏狀況。該實驗系統(tǒng)能實現(xiàn)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(guān)數(shù)據(jù)的采集分析。

實驗系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 液相管道泄漏實驗系統(tǒng)流程圖

液相管道泄漏實驗裝置系統(tǒng)，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(shù)據(jù)采集單元實時記錄管道流量、壓力等數(shù)據(jù)，研究不同裂口、流量、壓力情況下的泄漏變化規(guī)律。

2.2 驗證結(jié)果

根據(jù)2014年12月16日東臨管線濱州站至惠民站盜油事件現(xiàn)場數(shù)據(jù)，優(yōu)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(wěn)定階段、管道壓力恢復(fù)階段。對比現(xiàn)場檢測與仿真結(jié)果，可以看出，盜油事件發(fā)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(zhǔn)確模擬現(xiàn)場情況，模型精度高、有效性強(qiáng)。

圖4 盜油發(fā)生時現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)圖

圖5 仿真結(jié)果圖

研究也發(fā)現(xiàn)，對固定輸量管道上的任意泄漏孔而言，超過當(dāng)前該尺寸時泄漏量并不會持續(xù)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(tǒng)開發(fā)

根據(jù)上述研究，建立東黃復(fù)線管道泄漏規(guī)律和預(yù)測數(shù)據(jù)庫，并編寫相應(yīng)軟件。該軟件具有以下特點：

(1)可結(jié)合管道負(fù)壓波定位系統(tǒng)對泄漏點位置進(jìn)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(yè)進(jìn)行快速泄漏風(fēng)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(yù)測、泄漏流量預(yù)測計算等。具體功能設(shè)計如下：

(1)可根據(jù)實際泄漏情況分別選取不同站間管線泄漏點。

(2)可根據(jù)管道高程圖(如圖6)選擇泄漏點位置進(jìn)行直接輸入查詢，也可結(jié)合管道負(fù)壓波定位系統(tǒng)輸入泄漏點位置進(jìn)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(yù)測。根據(jù)輸入的泄漏點位置及泄漏時間，對相應(yīng)場景下未停泵時的泄漏量進(jìn)行計算。

(4)根據(jù)不同段不同區(qū)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(jié)果

結(jié)合管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)（GIS），快速確定管道泄漏發(fā)生后的泄漏總量、泄漏可能的影響范圍，當(dāng)泄漏強(qiáng)度較大和泄漏區(qū)域為重點保護(hù)區(qū)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(jù)泄漏定位系統(tǒng)和泄漏量預(yù)測該區(qū)域可能影響范圍，進(jìn)而快速決策是否停輸。

圖8 泄漏高風(fēng)險區(qū)域泄漏量影響規(guī)模預(yù)測圖

圖9 泄漏中低風(fēng)險區(qū)域泄漏量影響規(guī)模預(yù)測圖

4 結(jié)論

（1）泄漏處置過程對泄漏強(qiáng)度有較大影響，本文介紹了一種根據(jù)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(jié)合定位系統(tǒng)確定泄漏總量和泄漏可能影響的范圍，對于泄漏控制和應(yīng)急處置決策至關(guān)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(xué)和科研工作，目前的研究方向為：石油、化工風(fēng)險辨識與評價技術(shù)， HAZOP與LOPA及SIL分析技術(shù)應(yīng)用、油氣安全技術(shù)、石油化工裝置泄漏模擬與評價技術(shù)等。

《管道保護(hù)》2016年第5期（總第30期）