國內(nèi)二氧化碳長輸管道建設(shè)安全性分析

李家強 梁海寧 劉建武

1中國石化勝利油田分公司規(guī)劃計劃部2中國石化勝利油田勝利勘察設(shè)計研究院有限公司

國內(nèi)二氧化碳長輸管道建設(shè)安全性分析

李家強1梁海寧2劉建武2

1中國石化勝利油田分公司規(guī)劃計劃部2中國石化勝利油田勝利勘察設(shè)計研究院有限公司

擬建設(shè)的國內(nèi)首條CO2長輸管道長度約70km，設(shè)計CO2輸量50萬噸/年。從目前的初步分析結(jié)果可以看出，在人口稀少的情況下，管道輸送對安全間距不敏感，而且超臨界或密相輸送方案投資較低，因此人口稀少時宜采用投資低的密相輸送或超臨界輸送；在人口稠密的情況下，管道輸送對安全性要求高，氣相輸送相對安全。如果采用密相輸送方案，為確保安全、控制安全間距，需要設(shè)置大量的閥室或者進行大量的拆遷，因此，對人口密集處宜采用安全性高的氣相輸送。

CO2；長輸管道；安全設(shè)計；投資

1 CO2輸送狀態(tài)的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)介質(zhì)的狀態(tài)不同，除固態(tài)以外，管道輸送可以分為氣相輸送、一般液體輸送、密相輸送和超臨界流體輸送四種。由于二氧化碳（CO2）的相態(tài)特性，一般液體狀態(tài)輸送溫度難以控制，必須進行保冷；且長距離輸送時需要增加制冷站，實施難度大，不作為長輸管道的比選方案。因此，針對密相輸送、超臨界流體輸送和氣相輸送三種輸送方式進行了比選。

為了保證管道在輸送過程中不發(fā)生相變，在進行密相輸送和超臨界輸送時，保證末點壓力不低于8MPa；由于氣相輸送起點壓力越高，能耗越低，但氣相輸送時輸送壓力高于4MPa時，有發(fā)生相變的危險，因此氣相輸送起點壓力定為4MPa[1]。

以擬建設(shè)的國內(nèi)首條CO2長輸管道（齊魯石化廠至勝利油田CO2長輸管道）為例，進行安全性設(shè)計優(yōu)化對比分析。該管道長度約70km，設(shè)計CO2輸量50萬噸/年，三種輸送方案的工藝計算結(jié)果見表1。

表1 三種輸送方案工藝計算結(jié)果

1.1 投資對比分析

三種方案的管道投資對比結(jié)果見表2。從表2可以看出，密相輸送時建設(shè)總投資最低，超臨界流體輸送次之，氣相輸送時管道投資最高。此外，密相輸送和超臨界輸送時管徑相同，在管道中流動狀態(tài)幾乎相同，但超臨界流體輸送的設(shè)計壓力略高于密相輸送，造成超臨界流體輸送時投資增加。

表2 三種方案的管道投資對比結(jié)果

1.2 安全性對比分析

安全性對比分析主要從泄漏影響分析和事故傷害與破壞兩個方面進行。

（1）泄漏影響分析。因國內(nèi)至今沒有長距離CO2管道輸送的工程實例，為保證管道運行的安全性，勝利油田委托北京工業(yè)大學(xué)對密相輸送和氣相輸送兩種輸送方式泄漏影響范圍和影響時間進行初步模擬，即按照泄漏管段長度為8km和4km，風(fēng)速0.2～0.8m/s，對密相輸送和氣相輸送兩種輸送方式進行泄漏模擬。從模擬結(jié)果可以看出，氣相輸送泄漏總量遠低于密相輸送，此外在泄漏管段長度分別為8 km和4km，濃度為10%和濃度為5%時，氣相輸送的最大影響區(qū)域直徑和影響時間均低于密相輸送。

（2）事故傷害與破壞評估對比分析。管道帶壓運行時聚集了大量的氣體壓縮能，一旦破裂，材料裂紋的擴展速度極快，不易止裂，撕裂長度很大。管道物理爆破發(fā)生后產(chǎn)生的爆破超壓能量可致人員傷害和地面建筑區(qū)破壞。勝利油田技術(shù)檢測中心對密相輸送和氣相輸送兩種輸送方式的事故傷害與破壞進行初步模擬，涉及爆破物內(nèi)介質(zhì)的體積，管線計算長度為爆裂長度（20m）。由于事故傷害與破壞評估是按照架空管線進行模擬的，而實際的管線采用埋地敷設(shè)，管道發(fā)生物理爆破后，管道以及掀起的物體觸及的人員和建筑物也會遭到傷害、破壞，其打擊傷害與破壞范圍可能遠大于超壓造成的傷害與破壞范圍。結(jié)合模擬計算結(jié)果可以看出，管道運行壓力越高，管線產(chǎn)生爆破超壓能量越大，對人員傷害和地面建筑物破壞作用越大。因此密相輸送方案的影響范圍和危險性均高于氣相輸送方案。

（3）初步結(jié)論。從目前的初步分析結(jié)果可以看出，在人口稀少的情況下，管道輸送對安全間距不敏感，而且超臨界或密相輸送方案投資較低，因此人口稀少時宜采用投資低的密相輸送或超臨界輸送；在人口稠密的情況下，管道輸送對安全性要求高，氣相輸送相對安全，如果采用密相輸送方案，為確保安全、控制安全間距，需要設(shè)置大量的閥室或者進行大量的拆遷，因此，對人口密集處宜采用安全性高的氣相輸送。

2 CO2長輸管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及建議

（1）國外CO2管道輸送標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用現(xiàn)狀。目前國際上沒有統(tǒng)一的CO2管道輸送的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在美國，CO2管道被列為危險液體管道，其設(shè)計遵從美國聯(lián)邦法規(guī)49—CFR195，美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會《輸油管道系統(tǒng)（ANSIB31.4）》、美國機械工程師協(xié)會《液態(tài)烴和其他液體管道輸送系統(tǒng)（ASME B31.4）》，其中ASMEB31.4明確指出適用于CO2液體管道。美國運輸部49—CFR195在材料兼容性、管道完整性、監(jiān)控和事故報告等方面提出了要求。在歐洲，《石油和天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)（CodesIP6、BSEN14161）》、《管道施工規(guī)范（BSPD8010）》和《海底管線系統(tǒng)（DNVOS—F101）》都適用于CO2輸送管道。在加拿大，CO2管道應(yīng)用遵從加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會《油氣管道系統(tǒng)（CAS—Z662—7）》。此外，挪威船級社于2010年編制了《CO2管道的設(shè)計和操作（DNV—RP—J202）》，對CO2管道的設(shè)計和操作提供一些基本的建議和依據(jù)。

（2）國內(nèi)CO2管道輸送標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用現(xiàn)狀。國內(nèi)CO2管道輸送技術(shù)起步較晚，尚無成熟的長距離輸送管道。個別油田利用自身距CO2氣源點較近的優(yōu)勢，采用氣態(tài)或液態(tài)管道將CO2輸送至注入井井廠，達到提高油田采收率的目的，如江蘇油田、吉林油田等。目前江蘇油田CO2管道采用《油氣集輸設(shè)計規(guī)范》。

（3）長距離、大規(guī)模CO2輸送管道設(shè)計執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)建議。從以上分析可以看出，由于輸油管道和輸氣管道較成熟，規(guī)范較齊全，國內(nèi)外CO2管道均借鑒油氣管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在液相輸送或超臨界輸送時采用輸油類或液體類管道規(guī)范。對國內(nèi)工程來說，由于超臨界或密相CO2管道在輸送狀態(tài)上與油管道類似，可暫時參考《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范（GB 50253）》進行設(shè)計，而氣態(tài)輸送CO2在輸送狀態(tài)上與天然氣一致，可參考《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范（GB50251）》進行設(shè)計，并根據(jù)CO2的性質(zhì)和危險性進行針對性改進。同時，建議今后在工程實施過程中，充分搜集國外有關(guān)CO2輸送項目經(jīng)驗和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，逐步編制和完善國內(nèi)的CO2輸送管道工程設(shè)計規(guī)范。

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析，為了防止CO2泄漏造成沿線居民的傷害，確保居民的安全，建議在CO2長輸管道設(shè)計中采取以下安全措施：

（1）管道入口設(shè)組分分析儀和水露點分析儀以及壓力、溫度檢測裝置，隨時對上游CO2進行檢測。如果上游CO2不滿足輸送要求，將立即停止輸送；同時，在設(shè)備、管道、閥門等管道組成件的材料選擇中應(yīng)充分考慮CO2的影響。

（2）管道沿線及站場、閥室設(shè)置音波檢漏系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)管道泄漏，立即停輸并關(guān)閉站場進出站閥門和上下游截斷閥室，盡可能減少泄漏量；同時，從公共安全角度考慮，CO2泄漏濃度應(yīng)從嚴(yán)控制，在人口稠密區(qū)可考慮加密閥室來盡可能減少泄漏的影響范圍。

（3）為了保證沿線居民的安全，在5%濃度影響范圍內(nèi)的沿線村莊和企業(yè)設(shè)置廣播報警系統(tǒng)，在站場工藝裝置區(qū)、閥室等處設(shè)置CO2氣體檢測裝置，在音波泄漏檢測系統(tǒng)或CO2氣體檢測系統(tǒng)發(fā)出泄漏報警或接到其他形式的泄漏報警后，立即啟動廣播報警系統(tǒng)，即時通報有關(guān)信息并視情況決定是否撤離。對10%濃度以上影響范圍內(nèi)的村莊和企業(yè)進行拆遷。

[1]吳瑕，李長俊，賈文龍．二氧化碳的管道輸送工藝[J]．油氣田地面工程，2010，29（9）：52-53.

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.4.019