韓忠晨

中石油北京天然氣管道有限公司

1 概述

中國陸上在役天然氣長輸管道約4萬余公里，在設(shè)計中按照《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB50251）要求，長輸天然氣管道按照地區(qū)等級不同，需要在規(guī)定間距之內(nèi)設(shè)置干線截斷閥室，目前國內(nèi)天然氣長輸管道干線截斷閥室數(shù)量超過1300座。

天然氣管道閥室主要功能包括：（1）承擔(dān)在干線事故狀態(tài)下切斷干線，實施能源隔離的功能；（2）承擔(dān)干線天然氣手動放空、平衡干線截斷閥兩側(cè)壓力的功能；（3）承擔(dān)檢測干線管道運行壓力、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程操作的功能。閥室干線截斷閥的自動控制操作一般通過給閥門增加氣動（撥叉式）、氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)（旋轉(zhuǎn)葉片式）實現(xiàn)，根據(jù)運行壓力的變化計算當(dāng)時壓降速率（ROD） ,當(dāng)壓降速率高于管道最高允許壓降速率或壓力低于最低允許運行壓力時，自動發(fā)出關(guān)閥命令。

管道除遵循基本設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)外，從天然氣管道有其易燃、易爆特殊性考慮，閥室的截斷功能尤為重要。經(jīng)過多年的建設(shè)、運營期間事故、事件教訓(xùn)看，閥室可靠性是管道本質(zhì)安全的重要要素之一，也是管道運行的主要風(fēng)險之一。所以閥室的優(yōu)化設(shè)計、施工質(zhì)量、運行維護(hù)全生命周期的管理提升已迫在眉睫，在役管道的“優(yōu)生、優(yōu)育”是擺在我們管理者面前永恒的主題。

2 閥室設(shè)計缺陷

近年來，管道閥室本身存在的高風(fēng)險問題十分突出，2010-13年期間，國內(nèi)天然氣長輸管道發(fā)生了數(shù)百起天然氣泄漏事件，其中3起引發(fā)了著火、爆炸事故。這些事故的發(fā)生暴露了天然氣長輸干線截斷閥室在設(shè)計中存在的問題，主要包括以下幾個方面：

1. 閥室工藝設(shè)計方面

（1）線路截斷閥執(zhí)行機構(gòu)引壓管開口位置的影響。在2010年陜京三線投產(chǎn)之前，閥室線路截斷閥執(zhí)行機構(gòu)動力源及壓力檢測氣源引壓管一般設(shè)計為從線路截斷閥兩側(cè)的干線開口直接焊接引壓管線，引壓管線采用埋地設(shè)計，早期引壓管埋地部分還有水平管線，之后埋地部分取消了水平段而采用垂直出地。但小口徑管線埋地時很容易受到土壤擾動影響，存在極大的管線斷裂風(fēng)險。后期管道引壓管線即使加裝了隔斷焊接球閥，也沒有從根本上解決閥門維護(hù)和管道受土壤沉降引起產(chǎn)生受力的影響。

（2）干線開口直接焊接引壓管線的影響。2003年澀寧蘭管道的引壓管線直接焊接在干線管道上，沒有任何閥門截斷，由于投產(chǎn)初期土壤沉降發(fā)生兩次引壓管線崩開泄漏事件，之后組織對全線112根引壓管線帶壓封堵加裝了截斷球閥。

（3）管道受土壤沉降產(chǎn)生受力的影響。2010年永唐秦管道15#閥室、10#閥室曾因閥室工藝區(qū) 地面沉降導(dǎo)致天然氣泄漏事件，其中15#閥室還導(dǎo)致了閥室著火、爆炸事故，之后對36個同批引壓管線根部管道凸臺進(jìn)行帶壓焊接加固。

（4）受國外設(shè)計思想、選型的影響。在早期天然氣管道設(shè)計中，線路截斷閥、 TEG等設(shè)備的引源管線在根部閥門的設(shè)計存在一定安全隱患。如陜京一線采用了旋塞閥作為根部閥；陜京二線、西氣東輸管道根部閥采用了法蘭連接閥門或非全焊接閥體的閥門。與干線相連的非焊接方式密封，很容易發(fā)生天然氣泄漏事件，但由于這些位置與管道干線直接相連，泄漏處置的技術(shù)難度和成本將大大增加。

（5）線路截斷閥選型受技術(shù)條件的影響。技術(shù)文件容易忽略對閥門配套的排污、放空、注脂等附屬部件的技術(shù)要求，由于線路截斷閥與干線管道直接相連，當(dāng)這些部位發(fā)生問題后的處置難度很大，往往需要進(jìn)行干線停輸、放空進(jìn)行處理。在西氣東輸二線冬季投產(chǎn)過程中， 55#閥室線路截斷閥排污管線曾發(fā)生排污閥閥體螺紋脫開，導(dǎo)致天然氣泄漏事件，其主要原因是排污閥閥體采用了非全焊接形式（兩段螺紋連接），管道內(nèi)水進(jìn)入線路截斷閥排污管后凍脹致使排污閥閥體螺紋損壞。

2. 閥室自動控制及電氣設(shè)計方面

（1）在近20年來，國內(nèi)天然氣長輸管道閥室線路截斷閥的執(zhí)行機構(gòu)一般都采用美國艾默生集團SHAFER氣液聯(lián)動（旋轉(zhuǎn)葉片式）執(zhí)行機構(gòu)，該執(zhí)行機構(gòu)具有輸出扭矩恒定、安裝空間小、密封部件少運行可靠的優(yōu)點。其爆管保護(hù)自動控制功能由執(zhí)行機構(gòu)電子控制單元實現(xiàn)，目前在國內(nèi)使用的有LG2000、 LG2100、 LG2200及LG2300。在SHAFER公司的電子控制單元設(shè)計上，將壓力變送器安裝在了電子控制單元控制箱內(nèi)，在控制箱內(nèi)還存在天然氣螺紋密封點。 2013年西氣東輸二線76#閥室爆炸事故專家組分析認(rèn)為，執(zhí)行機構(gòu)電子控制單元沒有實現(xiàn)氣、電分離是第一起火點發(fā)生的原因。隨后中石油天然氣與管道分公司組織各地區(qū)公司按照氣、電分離的原則對所有閥室執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行了改造。

（2）在早期長輸天然氣管道設(shè)計中，對于閥室內(nèi)電子設(shè)備的接地設(shè)計缺乏標(biāo)準(zhǔn)。在西氣東輸、陜京二線投產(chǎn)后，曾出現(xiàn)了“天上打雷、地下關(guān)閥”的普遍現(xiàn)象，后經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，線路截斷閥電子控制單元雖然設(shè)計了浪涌保護(hù)器，但閥室內(nèi)沒有設(shè)計接地網(wǎng)，浪涌保護(hù)器無法實現(xiàn)排流功能，在完善了閥室接地網(wǎng)之后，由于雷電導(dǎo)致的線路截斷閥誤關(guān)斷現(xiàn)象大大減少。另外，近幾年來當(dāng)管道受到強電流干擾，排流不及時，閥室引壓管絕緣接頭等非等電位連接部位和臨近不銹鋼管的放電打火現(xiàn)象突出，嚴(yán)重時會導(dǎo)致不銹鋼管被擊穿引發(fā)天然氣泄漏、著火的事故發(fā)生。2013年忠武線19#閥室就發(fā)生了不銹鋼管被擊穿導(dǎo)致天然氣泄漏著火事件。

3. 閥室建構(gòu)筑物設(shè)計方面

從近年來國內(nèi)幾起閥室事故分析結(jié)果看，閥室的公用設(shè)施設(shè)計缺陷和施工不規(guī)范的問題，往往會引發(fā)閥室工藝系統(tǒng)損壞而引發(fā)事故，尤其是閥室沉降問題是管道投產(chǎn)前幾年面臨的重要風(fēng)險。永唐秦管道15#閥室曾出現(xiàn)了干線管道和線路截斷閥同時沉降的問題，最終導(dǎo)致了引壓管受力變形；永唐秦管道10#閥室周邊地下水涌入閥室內(nèi)部，出現(xiàn)了閥室硬化地面下大面積的掏空現(xiàn)象。另外，由于目前閥室在建設(shè)期間一般采用大開挖方式進(jìn)行施工，閥室回填土的處理往往達(dá)不到設(shè) 計要求，在運行初期閥室地面極易發(fā)生沉降，而壓力變送器、 TEG調(diào)壓箱等設(shè)備的基礎(chǔ)通常在回填土上制作，當(dāng)閥室地面發(fā)生沉降時都會引起這些設(shè)備的沉降，從而增加引壓管等承壓設(shè)備的運行風(fēng)險。

3 閥室系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

1. 閥室工藝設(shè)計

（1）在設(shè)計中要關(guān)注引壓管、TEG等小管線、儀表管線設(shè)計。從幾起閥室著火、爆炸事故分析來看，造成閥室起火的第一泄漏點都是在引壓管、儀表管等小管線上。因此在設(shè)計施工圖階段應(yīng)特別重視這些小口徑管線的設(shè)計審查，審查時要注意以下要點：（a）閥室內(nèi)小口徑管線應(yīng)避免直接埋地，應(yīng)采用架空或管溝形式鋪設(shè)；（b）應(yīng)考慮防砸、防撞措施；（c）盡量縮短小口徑管線的設(shè)計長度。

（2）消除與干線直接相連的法蘭、螺紋等存在泄漏隱患的風(fēng)險點，與干線直接相連的閥門、儀表均采用焊接的方式安裝，閥門本體應(yīng)采用全焊接的結(jié)構(gòu)形式，閥室根部閥可采用成套的分配閥組形式，以提高取源根部閥及配管的整體穩(wěn)定性。

（3）閥室內(nèi)線路截斷閥執(zhí)行機構(gòu)、壓力變送器、 TEG等取源口避免在地下管道干線開口，應(yīng)設(shè)置在閥室旁通管線立管，并高于閥室內(nèi)地坪。

北京天然氣管道公司從2011年陜京三線項目開始，將取源口提高至了閥室地坪以上， 2013年北京管道公司的大唐煤制氣管道、唐山LNG外輸管道、港清三線均采用此辦法，并采用了根部閥組匯管形式，投產(chǎn)后風(fēng)險降低、效果明顯。

2. 閥室自動控制設(shè)計

天然氣管道閥室除存在天然氣泄漏、著火、爆炸等風(fēng)險外，同時還需要考慮線路截斷閥控制系統(tǒng)出現(xiàn)的誤操作對管道干線帶來輸氣中斷的風(fēng)險�；�于以上風(fēng)險分析，對于閥室控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計可以從以下幾個方面來考慮：

（1）優(yōu)化線路截斷閥爆管檢測控制功能設(shè)計。對于具有遠(yuǎn)控功能的閥室，可利用閥室上下游壓力變送器，通過閥室RTU計算干線壓降速率。當(dāng)兩個壓力變送器的其中一個出現(xiàn)壓力異常時產(chǎn)生報警，當(dāng)兩個壓力變送器同時出現(xiàn)壓力異常時，自動下達(dá)關(guān)閉線路截斷閥命令。對于非RTU閥室，可利用線路截斷閥自帶的電子控制單元實現(xiàn)自動關(guān)閉線路截斷閥功能，但其電子控制單元應(yīng)按照氣、電分離進(jìn)行設(shè)計，其控制箱設(shè)計應(yīng)滿足電氣防爆要求。在設(shè)計閥室線路截斷閥的執(zhí)行機構(gòu)電氣部件時，應(yīng)考慮與管道干線的絕緣問題，要特別關(guān)注在高干擾電流作用下非等電位連接部位的放電問題，因此對于周邊存在大型電氣化鐵路、電網(wǎng)存在向周邊土壤進(jìn)行排流的這些情況下，應(yīng)對管道干線的排流進(jìn)行重點設(shè)計。

（2）第一時間發(fā)現(xiàn)閥室工藝系統(tǒng)天然氣泄漏，實施能源隔離，是閥室設(shè)計中應(yīng)重點考慮的問題，對于可燃?xì)庑孤┑臋z測應(yīng)作為閥室標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的主要內(nèi)容。因此對于閥室工藝區(qū)，應(yīng)配置2個可燃?xì)鈾z測裝置，當(dāng)同時報警時，自動下達(dá)關(guān)閉線路截斷閥指令。另外閥室工藝系統(tǒng)出現(xiàn)的泄漏通常都與管道干線直接相連，因此當(dāng)閥室由于可燃?xì)鈭缶�下達(dá)關(guān)閉線路截斷閥后，還應(yīng)考慮通過SCADA系統(tǒng)下達(dá)關(guān)閉上下游閥室線路截斷閥的指令。

（3）隨著社會人工成本的不斷增加，以往慣用的閥室采用看護(hù)工的管理方式正在向閥室無人看護(hù)轉(zhuǎn)變，這種管理方式的轉(zhuǎn)變應(yīng)通過技防措施予以彌補。在閥室設(shè)計時應(yīng)考慮增加閥室視頻監(jiān)控裝置，由臨近分輸站或公司總部調(diào)度進(jìn)行監(jiān)視，對于地處高風(fēng)險段的閥室還應(yīng)考慮增加火焰檢測裝置。

北京管道公司于2013年對所轄所有閥室進(jìn)行了安全改造，閥室爆管保護(hù)功能由閥室RTU系統(tǒng)實現(xiàn)，實現(xiàn)閥室可燃?xì)庑孤�檢測自動保護(hù)，對部 分閥室增加視頻監(jiān)測功能。

3. 閥室建構(gòu)筑物設(shè)計

（1）根據(jù)數(shù)據(jù)分析，大多數(shù)情況下天然氣泄漏都是非開放式的小型泄漏，在這種情況下應(yīng)解決閥室內(nèi)可燃?xì)饩奂�的問題，因此閥室工藝區(qū)應(yīng)采用敞開式（所有工藝、設(shè)備露天放置）設(shè)計。北京管道公司大唐煤制氣管道、唐山LNG外輸管道均采用了敞開式設(shè)計。為滿足安全防護(hù)的需要，在閥室工藝區(qū)設(shè)計為敞開式后，閥室應(yīng)設(shè)置實體圍墻（高3.2米）和非透視大門，在閥室四周圍墻標(biāo)有醒目的警示標(biāo)語。

（2）在施工圖設(shè)計階段，應(yīng)避免在回填土上設(shè)置任何儀表、設(shè)備基礎(chǔ)，這些基礎(chǔ)在汛期極易發(fā)生沉降，導(dǎo)致壓力變送器等不銹鋼配管的變形，嚴(yán)重時卡套等承壓元件損害導(dǎo)致天然氣泄漏。對于存在沉降風(fēng)險的設(shè)備、管線，應(yīng)避免采用卡箍式支撐，從而消除設(shè)備基礎(chǔ)沉降時帶動設(shè)備、管線沉降。

（3）穿過閥室的干線管道應(yīng)做好防水設(shè)計，尤其要對閥室周邊水文、地質(zhì)進(jìn)行充分的風(fēng)險分析，避免出現(xiàn)地下水沿管道干線灌入閥室掏空地下土壤的情況出現(xiàn)。

4.設(shè)計建議

（1）設(shè)計可以考慮閥室工藝旁通管道設(shè)置導(dǎo)氣接口，目的是有計劃檢修時，避免放空天然氣造成損失和污染。

（2）建議考慮閥室工藝旁通管線預(yù)留分輸接口，尤其是經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)多數(shù)閥室將改造為分輸站，以降低管道投產(chǎn)后期改造動火會帶來的作業(yè)風(fēng)險和工程改造綜合成本。

4 結(jié)束語

閥室作為長輸天然氣管道在干線管道事故狀態(tài)下重要的保護(hù)設(shè)施，其本身也存在較大的運行風(fēng)險。解決好從本質(zhì)上消除風(fēng)險、監(jiān)控風(fēng)險的問題，可最大程度降低閥室在各種突發(fā)事件情況下的次生災(zāi)害。從上世紀(jì)90年代開始，中石油北京天然氣管道有限公司歷經(jīng)了陜京一線、二線、三線等各時期建設(shè)的管道，在管道運行期間不斷總結(jié)國內(nèi)、外閥室運行的經(jīng)驗，形成了《陜京管道閥室工藝技術(shù)要求》等閥室設(shè)計企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為發(fā)展國內(nèi)長輸天然氣管道完整性管理技術(shù)做出了有益探索。 ◢

（作者：韓忠晨 中石油北京天然氣管道有限公司副總經(jīng)理）

2014年第4期（總第17期）