付建民1 葉闖1 羅會(huì)玖2 張保坡2

1.中國(guó)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(guó)石油化工股份有限公司管道儲(chǔ)運(yùn)分公司

我國(guó)大部分在役油氣管道運(yùn)行已超過20年。由于腐蝕、管道質(zhì)量缺陷、運(yùn)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(shí)有發(fā)生。目前，原油管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)存在兩個(gè)突出問題：

一是應(yīng)急決策與后果評(píng)估采用大量假設(shè)，未考慮實(shí)際泄漏處置過程（如圖1所示）對(duì)泄漏速率的影響，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算泄漏量，不能為泄漏風(fēng)險(xiǎn)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(píng)估數(shù)據(jù)，沒有及時(shí)準(zhǔn)確計(jì)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(duì)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(shí)際原油管道泄漏處置過程

二是帶壓堵漏、保壓運(yùn)行和停輸?shù)炔僮鞫紩?huì)對(duì)泄漏速率產(chǎn)生較大影響。有必要對(duì)不同泄漏處置條件下的泄漏速率進(jìn)行研究。

1 泄漏量計(jì)算方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

目前采用的泄漏量計(jì)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(jì)方法

主要利用管道出入口流量計(jì)實(shí)時(shí)計(jì)量體積流量，通過泄漏前后一段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量差計(jì)算泄漏量。使用該方法確定泄漏量?jī)?yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直接，但缺點(diǎn)是：①流量計(jì)計(jì)量誤差對(duì)泄漏量計(jì)算影響較大，用流量計(jì)精確計(jì)量大尺寸原油管道目前仍存在較大技術(shù)難度（對(duì)部分管道，流量計(jì)誤差甚至達(dá)到10%以上），無(wú)法準(zhǔn)確確定小孔泄漏量；②我國(guó)大部分在役管道的各段泵站出入口未安裝流量計(jì)，再投資和建設(shè)成本較高，無(wú)法采用此方法計(jì)算；③存在泄漏時(shí)流量計(jì)無(wú)法計(jì)量的工況，這部分工況包括泵站停泵后的各種泄漏場(chǎng)景。由于停泵，上下游流量計(jì)計(jì)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)，且該部分泄漏量非常可觀。

1.2 基于管道壓力分布動(dòng)態(tài)模型的泄漏量計(jì)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(dòng)態(tài)壓降分布模型，根據(jù)泄漏點(diǎn)壓力計(jì)算泄漏速率和累計(jì)泄漏量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：①結(jié)合泄漏定位系統(tǒng)可預(yù)測(cè)和快速計(jì)算泄漏區(qū)域泄漏量；②可以對(duì)泄漏后不同處置措施（包括停泵、保壓運(yùn)行等）條件下的泄漏量進(jìn)行計(jì)算。該方法的缺點(diǎn)是：①模型建立工作量較大，需要對(duì)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(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)修正。

本文主要采用理論研究、模擬實(shí)驗(yàn)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(diǎn)分布進(jìn)行分段，并對(duì)各站點(diǎn)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(duì)現(xiàn)有的管道泄漏模型進(jìn)行驗(yàn)證，改進(jìn)泄漏強(qiáng)度計(jì)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(yùn)行、停泵等泄漏處置干預(yù)過程對(duì)泄漏強(qiáng)度的影響，分析不同泄漏場(chǎng)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(jì)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(jì)算建模過程及驗(yàn)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(duì)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(cè)報(bào)告結(jié)果，確定物料組分。

（3）根據(jù)泵站分布變化情況對(duì)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(duì)管道進(jìn)行劃分，并測(cè)量出相應(yīng)的管長(zhǎng)及高程數(shù)據(jù)。

（5）將管道高程測(cè)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(yàn)證結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)泄漏數(shù)據(jù)和相似模擬實(shí)驗(yàn)，采用中國(guó)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(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行。該系統(tǒng)由儲(chǔ)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(tái)、測(cè)試儀表、采集處理系統(tǒng)等組成，其主要功能是模擬現(xiàn)場(chǎng)輸送管道泄漏狀況。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能實(shí)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(yàn)以及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集分析。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 液相管道泄漏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

液相管道泄漏實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，同時(shí)利用測(cè)量?jī)x表單元和數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)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(yàn)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(chǎng)數(shù)據(jù)，優(yōu)化驗(yàn)證泄漏模型。由圖4、5可見，盜油時(shí)，管道壓力變化分為3個(gè)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(duì)比現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(shì)、泄漏過程與實(shí)際比較吻合。由此可見，仿真模型能準(zhǔn)確模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，模型精度高、有效性強(qiáng)。

圖4 盜油發(fā)生時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)圖

圖5 仿真結(jié)果圖

研究也發(fā)現(xiàn)，對(duì)固定輸量管道上的任意泄漏孔而言，超過當(dāng)前該尺寸時(shí)泄漏量并不會(huì)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(jì)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(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，并編寫相應(yīng)軟件。該軟件具有以下特點(diǎn)：

(1)可結(jié)合管道負(fù)壓波定位系統(tǒng)對(duì)泄漏點(diǎn)位置進(jìn)行輸入。

(2)考慮泄漏處置措施，計(jì)算全過程泄漏量，為管道企業(yè)進(jìn)行快速泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(shí)際情況。

軟件功能包括站間高程點(diǎn)泄漏壓力預(yù)測(cè)、泄漏流量預(yù)測(cè)計(jì)算等。具體功能設(shè)計(jì)如下：

(1)可根據(jù)實(shí)際泄漏情況分別選取不同站間管線泄漏點(diǎn)。

(2)可根據(jù)管道高程圖(如圖6)選擇泄漏點(diǎn)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(diǎn)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(cè)。根據(jù)輸入的泄漏點(diǎn)位置及泄漏時(shí)間，對(duì)相應(yīng)場(chǎng)景下未停泵時(shí)的泄漏量進(jìn)行計(jì)算。

(4)根據(jù)不同段不同區(qū)域泄漏量計(jì)算公式及輸入的泄漏點(diǎn)位置，計(jì)算該泄漏點(diǎn)停泵時(shí)的泄漏量。

( 5 )通過分別計(jì)算未停泵以及停泵時(shí)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(jì)算輸出結(jié)果

結(jié)合管道泄漏監(jiān)測(cè)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?yàn)橹攸c(diǎn)保護(hù)區(qū)域時(shí)，可及時(shí)決策是否保壓運(yùn)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(cè)該區(qū)域可能影響范圍，進(jìn)而快速?zèng)Q策是否停輸。

圖8 泄漏高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域泄漏量影響規(guī)模預(yù)測(cè)圖

圖9 泄漏中低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域泄漏量影響規(guī)模預(yù)測(cè)圖

4 結(jié)論

（1）泄漏處置過程對(duì)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(gè)階段的泄漏快速計(jì)算方法。

（2）快速計(jì)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(duì)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?yàn)椋菏�油、化工風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)技術(shù)等。

《管道保護(hù)》2016年第5期（總第30期）