李旺 姜海斌 張志堅 梁俊

國家管網(wǎng)集團西南管道公司

 

 

摘  要：中緬原油管道（國內段）和云南成品油管道是典型的大落差連續U型管液體管道。管道在試運行投產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)生了不同于其他管道的異常事件。詳細介紹了中緬原油管道投產(chǎn)過(guò)程及出現的異常事件，以及云南成品油管道油品乳化現象，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U型彎；試運行投產(chǎn)；油品乳化

 

中緬原油管道（國內段）和云南成品油管道，沿線(xiàn)地質(zhì)條件復雜，多次穿跨越國際性河流，管道落差大，壓力高， U形彎多，瀾滄江跨越落差達到1200米，怒江跨越落差達到1500米，管道最大坡度接近80°，是典型的大落差連續U型管液體管道。針對兩條管道在試運行投產(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（國內段）途經(jīng)橫斷山脈，沿線(xiàn)山勢險峻、峽谷縱橫，地形起伏劇烈，全線(xiàn)海拔最高達2624 m，整體高差逾2100 m，工藝系統落差超過(guò)1000 m的有4段，堪稱(chēng)中國管道建設史上工藝落差最多的管道。其沿線(xiàn)地形與傳統的大落差管道沿線(xiàn)地形存在較大的區別[1]，如圖 1所示。

從圖 1可以看出，傳統大落差液體管道在翻越高點(diǎn)后，下游地形較平坦，在短距離內無(wú)較大起伏，設計和運行中主要考慮大落差后的減壓和停輸時(shí)的靜壓階段，設計理念和要求與平坦地區液體管道差距不大。大落差連續U型管液體管道在短距離內高差起伏達1000米以上，設計階段，就應考慮投產(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（國內段）試運行投產(chǎn)有以下4個(gè)難點(diǎn)。

（1）管道沿線(xiàn)落差大， U型彎多。管道沿線(xiàn)高程起伏大， 50公里內落差大于1000米的U型彎有4處之多，世界罕見(jiàn)。

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

（3）應急搶險難度大。沿途地勢險要，道路通行能力差，部分地區搶險人員和工器具無(wú)法在有效的時(shí)間內到達。

（4）管道社會(huì )依托差。管道線(xiàn)路都分布在云貴高原的大山中，沿線(xiàn)社會(huì )依托差，對投產(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（國內段）自2017年5月3日瑞麗首站注水，至6月7日油頭到達安寧末站（云南石化公司）， 6月12日完成72小時(shí)試運行和相關(guān)測試，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)現管道全線(xiàn)注水，國內段實(shí)際充水距離約610 km。投產(chǎn)指揮部決定由原來(lái)的全線(xiàn)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（國內段）沒(méi)有設計高點(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)現芒市站出站后仍形成較大氣阻，根據核算，管道內摩擦阻力是正常值的2～3倍，導致芒市站出站壓力存在超設計壓力風(fēng)險。為了解決這一問(wèn)題，后續運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值由14.2 MPa調整至14.8 MPa，出站壓力保護值由13.0 MPa調整至14.1 MPa，出站泄壓閥設定值由13.2 MPa調整至14.5 MPa；③全線(xiàn)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，導致計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。

 

為了驗證上述分析，對投產(chǎn)過(guò)程數據進(jìn)行了整理和分析。當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)落差達到1480 m。根據現場(chǎng)數據計算得到這段時(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，當油水界面通過(guò)怒江兩側的U型彎時(shí)，出現了全線(xiàn)流量下降、芒市出站壓力上升的現象。將芒市出站壓力設定值調整至14.85 MPa后，此種現象仍未消除，此時(shí)芒市站末級泵已達到泵體承 壓極限（15 MPa），下游低點(diǎn)閥室已超過(guò)設計壓力值，投產(chǎn)無(wú)法順利進(jìn)行（圖 4）。

                    

如圖 5所示，通過(guò)對現場(chǎng)高程里程數據進(jìn)行分析，發(fā)現怒江谷底為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設計時(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跨越怒江方案。為避免可能會(huì )面臨的環(huán)保風(fēng)險，排水時(shí)制定了詳細方案。 ①在閥室附近開(kāi)挖2組蓄水池，尺寸為長(cháng)20米、寬20米、深2米，做防滲處理；②閥室至蓄水池的管線(xiàn)采用錨定方式防護，防止排水過(guò)程中管線(xiàn)擺動(dòng)造成人員傷害；③排水過(guò)程中嚴格控制流量，排到蓄水池的水經(jīng)化驗符合排放標準后，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)，導致10#—12#閥室間的靜壓繼續上升，管道停輸。之后再次通過(guò)閥室排水、再啟輸，反復三次后，油頂水界面通過(guò)了怒江跨越處（低點(diǎn)），管道水力系統得到根本好轉，芒市出站壓力持續下降，管道流量逐漸向預設值靠近，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，油頭到達大理站后目視油品不合格，出現類(lèi)似乳化現象�；�驗結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V柴油要求硫含量小于10 mg/kg（ppm），導致柴油硫醇含量極低，使其潤滑性達不到國標要求，為提高柴油潤滑性加入的脂類(lèi)抗磨劑是天然的乳化劑，會(huì )促使柴油和水發(fā)生乳化。

據此，大理站開(kāi)展現場(chǎng)實(shí)驗，使用濾紙過(guò)濾乳化油品，乳化現象明顯消除（圖 6）。根據實(shí)驗結果，建議下游銷(xiāo)售公司將罐內油品靜置5～7天，乳化現象基本消除。

為了定量分析抗磨劑對柴油乳化成因，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(zhù)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)剪切條件下最強的剪切作用，使室內結果盡可能貼近最嚴峻的實(shí)際管輸工況。模擬工況指標分別為：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定性實(shí)驗，發(fā)現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)驗和思考

（1）重視投產(chǎn)排氣。中緬原油管道（國內段）沒(méi)有設計高點(diǎn)排氣閥室，編制投產(chǎn)方案時(shí)設置了5處高點(diǎn)排氣。但在投產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現管線(xiàn)中仍存在大量氣體，且在芒市出站后形成較大氣阻。根據計算，摩阻損失是正常值的2～3倍。 云南成品油管道安寧—保山管段原設計3座高點(diǎn)閥室，吸取中緬原油管道（國內段）投產(chǎn)經(jīng)驗，編制投產(chǎn)方案和實(shí)際投產(chǎn)過(guò)程中增設了很多臨時(shí)排氣點(diǎn)，投產(chǎn)順利完成。

（2）增加設計裕量。大落差連續U型管液體管道設計時(shí)應在重點(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)似乳化現象后，經(jīng)交流得知，中石化某管道及相關(guān)支線(xiàn)投產(chǎn)過(guò)程中也出現柴油乳化情況，油水乳化物多達4萬(wàn)多噸[2]； 云南石化公司火車(chē)裝車(chē)系統投產(chǎn)時(shí)也出現國V柴油和投產(chǎn)水乳化現象。 所以，今后工作中應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：

[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(自然科學(xué)版)，2019， 41(01)： 159-167.

[2] 王劍波，達文曦，鄭堅欽，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].當代化工， 2018，12(11)： 119-123.

 

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