付建民1 葉闖1 羅會(huì )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(guò)20年。由于腐蝕、管道質(zhì)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(shí)有發(fā)生。目前，原油管道泄漏風(fēng)險評價(jià)存在兩個(gè)突出問(wèn)題：

一是應急決策與后果評估采用大量假設，未考慮實(shí)際泄漏處置過(guò)程（如圖1所示）對泄漏速率的影響，導致無(wú)法準確計算泄漏量，不能為泄漏風(fēng)險確定和應急救援提供準確信息。青島11.22事故發(fā)生后，由于缺乏泄漏量評估數據，沒(méi)有及時(shí)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(shí)際原油管道泄漏處置過(guò)程

二是帶壓堵漏、保壓運行和停輸等操作都會(huì )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(diǎn)對比

目前采用的泄漏量計算方法主要有以下兩類(lèi)。

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(shí)時(shí)計量體積流量，通過(guò)泄漏前后一段時(shí)間內的累計流量差計算泄漏量。使用該方法確定泄漏量?jì)?yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直接，但缺點(diǎn)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，流量計誤差甚至達到10%以上），無(wú)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(wú)法采用此方法計算；③存在泄漏時(shí)流量計無(wú)法計量的工況，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^(guān)。

1.2 基于管道壓力分布動(dòng)態(tài)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(xué)模型和泄漏后管道動(dòng)態(tài)壓降分布模型，根據泄漏點(diǎn)壓力計算泄漏速率和累計泄漏量。該方法的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行計算。該方法的缺點(diǎn)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(jìn)行劃分，以復線(xiàn)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(shí)際數據對模型進(jìn)行相應修正。

本文主要采用理論研究、模擬實(shí)驗以及數值仿真相結合的方法，根據東黃復線(xiàn)沿線(xiàn)站點(diǎn)分布進(jìn)行分段，并對各站點(diǎn)之間的管道依據其高程變化進(jìn)行劃分，研究其泄漏規律，對現有的管道泄漏模型進(jìn)行驗證，改進(jìn)泄漏強度計算模型，并在此基礎上研究泄漏過(guò)程中可能進(jìn)行的保壓運行、停泵等泄漏處置干預過(guò)程對泄漏強度的影響，分析不同泄漏場(chǎng)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(shù)路線(xiàn)如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線(xiàn)圖

2 泄漏量計算建模過(guò)程及驗證

2.1 建模過(guò)程

根據上述建模原理及使用方法，具體建模過(guò)程如下：

（1）對原油樣品進(jìn)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(xiàn)管道進(jìn)行區間劃分。

（4）根據各區間內管道高程變化對管道進(jìn)行劃分，并測量出相應的管長(cháng)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(chǎng)泄漏數據和相似模擬實(shí)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散測試實(shí)驗系統進(jìn)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(chǎng)輸送管道泄漏狀況。該實(shí)驗系統能實(shí)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(guān)數據的采集分析。

實(shí)驗系統原理如圖3所示。

圖3 液相管道泄漏實(shí)驗系統流程圖

液相管道泄漏實(shí)驗裝置系統，可以通過(guò)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，同時(shí)利用測量?jì)x表單元和數據采集單元實(shí)時(shí)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(xiàn)濱州站至惠民站盜油事件現場(chǎng)數據，優(yōu)化驗證泄漏模型。由圖4、5可見(jiàn)，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、管道壓力穩定階段、管道壓力恢復階段。對比現場(chǎng)檢測與仿真結果，可以看出，盜油事件發(fā)生后，管道壓力變化趨勢、泄漏過(guò)程與實(shí)際比較吻合。由此可見(jiàn)，仿真模型能準確模擬現場(chǎng)情況，模型精度高、有效性強。

圖4 盜油發(fā)生時(shí)現場(chǎng)實(shí)際數據圖

圖5 仿真結果圖

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

3 泄漏快速計算系統開(kāi)發(fā)

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

(1)可結合管道負壓波定位系統對泄漏點(diǎn)位置進(jìn)行輸入。

(2)考慮泄漏處置措施，計算全過(guò)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(xiě)過(guò)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)泄漏壓力預測、泄漏流量預測計算等。具體功能設計如下：

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

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

圖6 管道高程圖

(3)完成管線(xiàn)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(diǎn)位置及泄漏時(shí)間，對相應場(chǎng)景下未停泵時(shí)的泄漏量進(jìn)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(diǎn)位置，計算該泄漏點(diǎn)停泵時(shí)的泄漏量。

( 5 )通過(guò)分別計算未停泵以及停泵時(shí)的泄漏量，得出管線(xiàn)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(fā)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(diǎn)保護區域時(shí)，可及時(shí)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(jìn)而快速決策是否停輸。

圖8 泄漏高風(fēng)險區域泄漏量影響規模預測圖

圖9 泄漏中低風(fēng)險區域泄漏量影響規模預測圖

4 結論

（1）泄漏處置過(guò)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(guò)程將泄漏去全過(guò)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(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(jià)技術(shù)， HAZOP與LOPA及SIL分析技術(shù)應用、油氣安全技術(shù)、石油化工裝置泄漏模擬與評價(jià)技術(shù)等。

《管道保護》2016年第5期（總第30期）