李旺 姜海斌 張志堅(jiān) 梁俊

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道公司

摘  要：中緬原油管道（國(guó)內(nèi)段）和云南成品油管道是典型的大落差連續(xù)U型管液體管道。管道在試運(yùn)行投產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)生了不同于其他管道的異常事件。詳細(xì)介紹了中緬原油管道投產(chǎn)過(guò)程及出現(xiàn)的異常事件，以及云南成品油管道油品乳化現(xiàn)象，分析了發(fā)生原因，提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：大落差；液體管道；連續(xù)U型彎；試運(yùn)行投產(chǎn)；油品乳化

中緬原油管道（國(guó)內(nèi)段）和云南成品油管道，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，多次穿跨越國(guó)際性河流，管道落差大，壓力高， U形彎多，瀾滄江跨越落差達(dá)到1200米，怒江跨越落差達(dá)到1500米，管道最大坡度接近80°，是典型的大落差連續(xù)U型管液體管道。針對(duì)兩條管道在試運(yùn)行投產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的異常事件，分析其發(fā)生原因，提出解決辦法，為今后相關(guān)管道工程投產(chǎn)運(yùn)行提供借鑒。

1 中緬原油管道特點(diǎn)和投產(chǎn)過(guò)程

1.1 管道特點(diǎn)

中緬原油管道（國(guó)內(nèi)段）途經(jīng)橫斷山脈，沿線山勢(shì)險(xiǎn)峻、峽谷縱橫，地形起伏劇烈，全線海拔最高達(dá)2624 m，整體高差逾2100 m，工藝系統(tǒng)落差超過(guò)1000 m的有4段，堪稱(chēng)中國(guó)管道建設(shè)史上工藝落差最多的管道。其沿線地形與傳統(tǒng)的大落差管道沿線地形存在較大的區(qū)別[1]，如圖 1所示。

從圖 1可以看出，傳統(tǒng)大落差液體管道在翻越高點(diǎn)后，下游地形較平坦，在短距離內(nèi)無(wú)較大起伏，設(shè)計(jì)和運(yùn)行中主要考慮大落差后的減壓和停輸時(shí)的靜壓階段，設(shè)計(jì)理念和要求與平坦地區(qū)液體管道差距不大。大落差連續(xù)U型管液體管道在短距離內(nèi)高差起伏達(dá)1000米以上，設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)考慮投產(chǎn)過(guò)程中的水頂氣和油頂水排氣及油水密度差引發(fā)的壓力差等問(wèn)題。

1.2 投產(chǎn)難點(diǎn)

中緬原油管道（國(guó)內(nèi)段）試運(yùn)行投產(chǎn)有以下4個(gè)難點(diǎn)。

（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(nèi)落差大于1000米的U型彎有4處之多，世界罕見(jiàn)。

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

（3）應(yīng)急搶險(xiǎn)難度大。沿途地勢(shì)險(xiǎn)要，道路通行能力差，部分地區(qū)搶險(xiǎn)人員和工器具無(wú)法在有效的時(shí)間內(nèi)到達(dá)。

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

1.3 投產(chǎn)過(guò)程

中緬原油管道（國(guó)內(nèi)段）自2017年5月3日瑞麗首站注水，至6月7日油頭到達(dá)安寧末站（云南石化公司）， 6月12日完成72小時(shí)試運(yùn)行和相關(guān)測(cè)試，管道一次性投產(chǎn)成功，投產(chǎn)總用時(shí)35天。投產(chǎn)過(guò)程詳見(jiàn)表 1。

實(shí)際投產(chǎn)過(guò)程中，因境外段供水量不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)管道全線注水，國(guó)內(nèi)段實(shí)際充水距離約610 km。投產(chǎn)指揮部決定由原來(lái)的全線整體檢漏變更為以彌渡站為分界點(diǎn)的分段管道檢漏。

2 投產(chǎn)異常事件分析和解決辦法

2.1 投水過(guò)程中沿程摩阻異常

中緬原油管道（國(guó)內(nèi)段）沒(méi)有設(shè)計(jì)高點(diǎn)排氣閥室。為了保證投產(chǎn)過(guò)程中順利排氣，投產(chǎn)方案增設(shè)了5處高點(diǎn)排氣，同時(shí)選取4座閥室排氣。但是在水頂氣過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)芒市站出站后仍形成較大氣阻，根據(jù)核算，管道內(nèi)摩擦阻力是正常值的2～3倍，導(dǎo)致芒市站出站壓力存在超設(shè)計(jì)壓力風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這一問(wèn)題，后續(xù)運(yùn)行中采取了以下措施：①新增臨時(shí)排氣點(diǎn)3個(gè)，加大排氣力度；②臨時(shí)將芒市站泵出口保護(hù)值由14.2 MPa調(diào)整至14.8 MPa，出站壓力保護(hù)值由13.0 MPa調(diào)整至14.1 MPa，出站泄壓閥設(shè)定值由13.2 MPa調(diào)整至14.5 MPa；③全線停輸靜置排氣。

措施實(shí)施后保證了投水過(guò)程順利進(jìn)行，但是管道仍存在氣體。投產(chǎn)完成后，為了分析水頂氣過(guò)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(guò)程中泵出口的最大阻力應(yīng)該發(fā)生在水頭翻越靠后的高點(diǎn)時(shí)。其阻力包括沿程摩阻和翻越高點(diǎn)的靜壓力，如方程（1）所示。

運(yùn)行中管道排氣效果往往不是理想狀態(tài)，經(jīng)常在管道的高點(diǎn)集氣，多重起伏的管道會(huì)在各個(gè)高點(diǎn)上形成氣袋，導(dǎo)致計(jì)算得出的摩擦阻力會(huì)大于理論摩擦阻力，氣體積存的越多，實(shí)際摩擦阻力越大，如圖 3和方程（2）所示。

為了驗(yàn)證上述分析，對(duì)投產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和分析。當(dāng)水頭從怒江上游高點(diǎn)經(jīng)過(guò)大落差流向低點(diǎn)處的10#閥室，整個(gè)落差達(dá)到1480 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到這段時(shí)間的輸送量為：

而怒江上游高點(diǎn)到9#閥室的管段容積為3171 m3。說(shuō)明水頭從怒江上游高點(diǎn)到9#閥室不是滿(mǎn)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(guò)大是由管道內(nèi)排氣不徹底造成的。

2.2 油頂水通過(guò)怒江U型彎處遇阻

在油頂水過(guò)程中，當(dāng)油水界面通過(guò)怒江兩側(cè)的U型彎時(shí)，出現(xiàn)了全線流量下降、芒市出站壓力上升的現(xiàn)象。將芒市出站壓力設(shè)定值調(diào)整至14.85 MPa后，此種現(xiàn)象仍未消除，此時(shí)芒市站末級(jí)泵已達(dá)到泵體承 壓極限（15 MPa），下游低點(diǎn)閥室已超過(guò)設(shè)計(jì)壓力值，投產(chǎn)無(wú)法順利進(jìn)行（圖 4）。

如圖 5所示，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)高程里程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)怒江谷底為700 m，跨越點(diǎn)上游海拔2177 m、下游海拔2107 m，形成一個(gè)落差近1500 m的U形彎。上游為原油，下游為水，密度差產(chǎn)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(wú)法通過(guò)下游高點(diǎn)。其原因主要有兩點(diǎn)：①水頂氣過(guò)程中，排氣不夠徹底；②設(shè)計(jì)時(shí)，未考慮油頂水密度差造成的壓差。

為了解決這一難題，投產(chǎn)指揮部經(jīng)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(tǒng)跨越怒江方案。為避免可能會(huì)面臨的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，排水時(shí)制定了詳細(xì)方案。 ①在閥室附近開(kāi)挖2組蓄水池，尺寸為長(zhǎng)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(hù)，防止排水過(guò)程中管線擺動(dòng)造成人員傷害；③排水過(guò)程中嚴(yán)格控制流量，排到蓄水池的水經(jīng)化驗(yàn)符合排放標(biāo)準(zhǔn)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(xù)推向怒江跨越處（低點(diǎn)），此時(shí)，怒江下游高點(diǎn)進(jìn)行排氣作業(yè)。由于油水界面的推進(jìn)，導(dǎo)致10#—12#閥室間的靜壓繼續(xù)上升，管道停輸。之后再次通過(guò)閥室排水、再啟輸，反復(fù)三次后，油頂水界面通過(guò)了怒江跨越處（低點(diǎn)），管道水力系統(tǒng)得到根本好轉(zhuǎn)，芒市出站壓力持續(xù)下降，管道流量逐漸向預(yù)設(shè)值靠近，順利跨越了怒江段。

3 管道柴油乳化問(wèn)題及解決辦法

云南成品油管道投產(chǎn)過(guò)程中，油頭到達(dá)大理站后目視油品不合格，出現(xiàn)類(lèi)似乳化現(xiàn)象�；�驗(yàn)結(jié)果表明油品含水量極低，油品呈乳白色。初步分析油品類(lèi)似乳化的原因是 ，國(guó)V柴油要求硫含量小于10 mg/kg（ppm），導(dǎo)致柴油硫醇含量極低，使其潤(rùn)滑性達(dá)不到國(guó)標(biāo)要求，為提高柴油潤(rùn)滑性加入的脂類(lèi)抗磨劑是天然的乳化劑，會(huì)促使柴油和水發(fā)生乳化。

據(jù)此，大理站開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，使用濾紙過(guò)濾乳化油品，乳化現(xiàn)象明顯消除（圖 6）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議下游銷(xiāo)售公司將罐內(nèi)油品靜置5～7天，乳化現(xiàn)象基本消除。

為了定量分析抗磨劑對(duì)柴油乳化成因，開(kāi)展了相關(guān)研究。從圖 7可以看出，投產(chǎn)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(diǎn)處正是實(shí)際管輸柴油中抗磨劑加入量處。

在實(shí)驗(yàn)室模擬油品在管道中的正常流動(dòng)、過(guò)泵剪切和過(guò)閥剪切，選擇黏性流動(dòng)熵產(chǎn)/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(lèi)剪切條件下最強(qiáng)的剪切作用，使室內(nèi)結(jié)果盡可能貼近最嚴(yán)峻的實(shí)際管輸工況。模擬工況指標(biāo)分別為：管輸流量 270 m3/h，管輸溫度20℃，過(guò)泵增壓4.0 MPa，過(guò)泵時(shí)間2 s，泵效率取0.8，節(jié)流壓降6.5 MPa，過(guò)閥時(shí)間0.7 s。

通過(guò)開(kāi)展多工況下柴油乳狀液靜置穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)云南成品油管道管輸柴油乳化是由管輸過(guò)程中過(guò)泵和過(guò)閥的強(qiáng)烈剪切、柴油中原界面活性物質(zhì)和抗磨劑的耦合作用共同引起的。

4 經(jīng)驗(yàn)和思考

（1）重視投產(chǎn)排氣。中緬原油管道（國(guó)內(nèi)段）沒(méi)有設(shè)計(jì)高點(diǎn)排氣閥室，編制投產(chǎn)方案時(shí)設(shè)置了5處高點(diǎn)排氣。但在投產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)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(jù)計(jì)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(shè)計(jì)3座高點(diǎn)閥室，吸取中緬原油管道（國(guó)內(nèi)段）投產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，編制投產(chǎn)方案和實(shí)際投產(chǎn)過(guò)程中增設(shè)了很多臨時(shí)排氣點(diǎn)，投產(chǎn)順利完成。

（2）增加設(shè)計(jì)裕量。大落差連續(xù)U型管液體管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在重點(diǎn)地段增大泵站及管道承壓的富裕度，必須比其他地區(qū)管道的富裕量更大，以克服管道投產(chǎn)過(guò)程中水和空氣、油和空氣形成多相流產(chǎn)生的摩阻，以及油頂水過(guò)程中在U型彎處密度差所帶來(lái)的能量差。

（3）加大信息交流。成品油管道投產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生油品類(lèi)似乳化現(xiàn)象后，經(jīng)交流得知，中石化某管道及相關(guān)支線投產(chǎn)過(guò)程中也出現(xiàn)柴油乳化情況，油水乳化物多達(dá)4萬(wàn)多噸[2]； 云南石化公司火車(chē)裝車(chē)系統(tǒng)投產(chǎn)時(shí)也出現(xiàn)國(guó)V柴油和投產(chǎn)水乳化現(xiàn)象。 所以，今后工作中應(yīng)加大與高校和其他企業(yè)的交流，及時(shí)掌握行業(yè)訊息，可以有效避免類(lèi)似問(wèn)題發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉恩斌，馬茜，黎春，等. 大落差原油管道投產(chǎn)排水過(guò)程研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2019， 41(01)： 159-167.

[2] 王劍波，達(dá)文曦，鄭堅(jiān)欽，等. 大落差成品油管道投產(chǎn)過(guò)程中油品乳化問(wèn)題研究[J].當(dāng)代化工， 2018，12(11)： 119-123.

作者簡(jiǎn)介：李旺， 1986年生，高級(jí)工程師， 2013年6月畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)，獲博士學(xué)位。目前主要從事油氣管道調(diào)度運(yùn)行管理工作。聯(lián)系方式： 19934465429，liwang@pipechina.com.cn。