輸油管道大落差段工藝設計優化

李俐瑩 吳剛

大慶油田設計院有限公司

我國部分地區的原油管道由于地形起伏變化較大，需對大落差段進行合理的設計。所謂的大落差段主要是指距離相對較短且高程變化相對較大的管段，在該區域，管道內介質的流動狀態會出現一定的變化，可能出現嚴重的水擊問題[1-2]。在水擊問題較為嚴重時，會對管道及附件產生沖擊，最終威脅管道整體的運行安全[3-4]。由此可見，在進行管道設計時，需要根據大落差段的基本情況合理設計，以全面保障管道的安全運行。

目前，國內學者對輸油管道的大落差段進行了一定的研究。馬學海等[5]針對我國某山區的原油管道，在大落差段進行了試壓設計優化，在研究過程中，對管道沿線的環形應力進行了合理計算，最終確定了管道最低點位置處的壓力，將管道沿線試壓段的數量減少了21 段，最終管道試壓的安全性以及效率都大幅提升；喻軍等[6]通過使用有限元分析方法，對中緬管道大落差段的安全性進行了全面分析，研究發現，在進行清管作業過程中，大落差段所承受的載荷相對較大，為了保障管道的運行安全，在對大落差段進行設計的過程中，還需要考慮清管條件下管道的承壓問題。

通過對目前的研究情況進行分析可以發現，當前研究主要集中在各種運行條件下管道內沖擊載荷方面，對于大落差段設計問題的研究相對較少，這對于保障管道的運行安全十分不利。因此，本次研究主要是對常見的大落差段設計措施進行全面的分析對比，提出有效的設計方案，并以我國某原油管道為案例，證明所提設計措施的科學性，為保障管道的運行安全奠定基礎。

1 設計工藝對比

通過國內外調研發現，在進行原油管道大落差段設計的過程中，其主要設計方法可以分為五種類型，分別是管道沿線增設減壓閥、縮小管道管徑、增大管道壁厚、減小介質流量以及上述措施組合使用[7-9]。五種類型措施的優缺點對比情況如表1 所示，其應用情況如表2所示。通過對各種類型設計措施對比可以發現，對于原油管道大落差段而言，如果其高程的變化相對較小，可以采取的方案為縮小管道管徑、增大管道壁厚、減小介質流量，并且采用這三種類型措施不會增加原油管道的建設成本[10]。采取增設減壓站的措施，則管道運行狀態下的動態壓力將會大幅降低，可以對靜態壓力起到隔斷作用，進而全面保障管道的運行安全。如果增設減壓站與縮小管道管徑的措施聯合使用，不但不會降低管道內介質的流量，還可以使得管道運行效率大幅提升[11-13]。由此可見，從保障管道運行效率以及保障能源供給的角度出發，采取增設減壓站與縮小管道管徑的聯合措施優勢相對較為明顯。

表1 管道大落差段設計措施對比Tab.1 Comparison of design measures for pipelines with large drop sections

表2 國內外常見管道大落差段設計方案Tab.2 Design schemes of common pipelines at home and abroad with large drop section

2 工藝設計優化步驟

在對原油管道進行大落差段工藝設計的過程中，國內外設計公司都會優先考慮增設減壓站+縮小管道管徑的設計方案，在采用該種類型措施進行工藝設計的過程中，其主要可以分為五個步驟，分別是管徑設計、確定最優管道模型、確定約束條件、確定減壓站數量與位置以及管道模擬。

2.1 管徑設計

由于采用了增設減壓站+縮小管道管徑的設計方案，需要對管道的最小允許流速和最大允許流速進行計算，進而確定管道的最大管徑以及最小管徑，根據《輸油管道工程設計規范》，在設計的過程中最大允許流速可以通過公式（1）進行計算。

式中：Ve為管道內介質的最大允許流速，m/s；C為一個無量綱常數，當原油在管道內處于連續流動狀態時，該常數取100，當原油在管道內處于間歇流動狀態時，該常數取125，當原油管道內存在緩蝕劑時，該常數可以在150～200之間取值[13]；ρm為原油在操作溫度和壓力下的密度，kg/m3。

在進行最小管徑設計的過程中，既需要滿足清管的基本需求，還需要避免出現低洼位置水分聚集問題，根據《輸油管道工程設計規范》，原油管道內流體的最小流速不得小于1.0 m/s。

2.2 最優管道模型

在確定最優管道模型的過程中，需要重點考慮管道的建設成本，這主要是因為管道的建設成本將直接關系到運營企業的投資回收期，管道建設成本可以通過公式（2）進行計算。

式中：Smin為管道的總投資，萬元；xj為第j根管道的長度，km；kj為第j根管道的費用，萬元/km；n為管道的總數量。

2.3 確定約束條件

對于原油管道而言，在進行大落差段設計的過程中，需要根據大落差段的長度、高程、管道及相關設備的壓力要求，進而確定約束條件[14-15]。在確定所需的管道數量以后，根據《輸油管道工程設計規范》，即可得到大落差段管道的總長度。

式中：L為大落差段管道的總長度，km。

在原油從翻越點流動到終點位置處時所產生的能量消耗不得高于從翻越點位置到末站位置處的壓力損失。

式中：ij為在第j根管道位置處的水力坡降，m/km，可以通過達西公式進行計算；ΔH為大落差段的所有水力損失，m。

在翻越點之后，每根管道的長度不得小于0。

通過以上公式，就可以確定原油管道大落差段工藝設計過程中的約束條件。

2.4 減壓站數量及位置

經過以上三個步驟的設計之后，需要在考慮管道運行靜水壓力、管道沿線建設條件等因素的前提下，以管道運行過程中的設計壓力為基礎，以減壓站的動水壓力為設計依據，進而確定減壓站的數量以及位置[16]。

2.5 模型模擬

在管道管徑以及減壓站的位置確定以后，需要對輸油管道進行模擬，進而確定出大落差位置處的水擊情況，如果水擊問題較為嚴重，則需要對局部設計方案進行調整[17]。如果管道需要調整的設計內容相對較多，則需要返回到第二步中重新進行設計。

3 實例分析

3.1 輸油管道基本情況分析

為了驗證本次研究所提設計方法及步驟的科學性，以我國YB 輸油管道為例，進行實例驗證分析。YB 輸油管道的總長度為830 km，其原油的設計輸量達到了1 051 m3/h，原油的密度為842 kg/m3，管道的設計壓力為6.5 MPa，設計管徑為711 mm，翻越點位置處的最高高程為2 708 m，最低位置點的高程為50 m。為了保障管道的運行安全，該條管道采取了增大管徑的工藝措施，即在25～60 km、450～590 km兩個位置處管徑由6 mm增加到了8 mm，采取該種類型措施可以有效保障大落差位置處的運行安全，但是管道的建設成本大幅提升。研究將采用減壓站+縮徑的設計方案對該條管道進行工藝優化設計，并與傳統的設計方案進行經濟性對比。通過對該條管道沿線的地形變化情況進行全面分析后發現，該條管道的五個管段需要進行大落差處理，高程變化情況如表3所示。

表3 需要進行大落差處理的管段Tab.3 Pipe sections that need to be treated with a large drop

3.2 輸油管道大落差段工藝設計

根據管道的設計壓力6.5 MPa，首先對五個管段的靜水壓力進行計算，使用SPS軟件對該條管道進行建模，對管道沿線的參數進行模擬，五個管段靜水壓力的模擬結果如表4所示。通過對靜水壓力的情況進行全面分析可以發現，在這五個管段中只有管段5需要進行大落差設計優化。

表4 靜水壓力計算結果Tab.4 Calculation results of hydrostatic pressure

首先使用公式（1）對原油管道內介質的最大允許流速和最小允許流速進行計算，計算之后可以得到管道的最大允許內徑和最小允許內徑分別為711 mm和457 mm。因此，在翻越點之后可以選擇的管徑有六種，分別是457、508、559、610、660、711 mm。假設不同管段長度為x1～x6，六種管徑管道所對應的投資費用分別為每公里88、100、113、128、142 以 及159 萬 元，根 據 公 式（3）、公式（4）、公式（5），在末站壓力需要高于0.5 MPa 的前提下，大落差段管道需要滿足計算公式（6）。

通過使用單純形法的方式對以上公式進行求解，得到x3=559，x6=660。因此，對于該條管道在大落差位置處管道需要使用最佳的經濟管徑進行組合，兩種最佳的經濟管徑為559 mm 和660 mm，所對應的管道長度分別為23.62 km和90.16 km。由于大落差位置處管道的設計壓力為6.5 MPa，則在管道運行過程中所允許的最大高程差為

根據管段5所對應的高程差以及里程變化，經過計算后可以確定該段管道需要設置兩個減壓站，減壓站的設置情況如表5所示。

表5 管段5減壓站設置情況Tab.5 Setting situation of decompression station in pipe section 5

通過以上分析可以發現，對于466.22～489.82 km的管段，最佳的管徑為559 mm，489.82～580 km 管段最佳的管徑為660 mm，并在管道沿線兩個位置處設置減壓站。在對大落差管段進行工藝設計以后，需要對大落差段進行壓力水頭分析，壓力水頭分析采用了SPS 模擬軟件，通過使用SPS 軟件，可以及時了解管道運行過程中沿線的流量、壓力水頭等各種類型參數的變化情況。該段管道的壓力水頭分布情況如圖1 所示，通過對圖1 進行分析可以發現，在進行大落差段優化設計后，各個管段的壓力均在設計壓力之內，進而證明本次研究所提出的優化設計方案具有可行性及科學性。同時，將本次研究的設計方案與該條管道已經采取的設計措施進行經濟性對比，通過對比發現，采用本次研究所提出的設計方案其建設費用降低657.43萬元，證明本次研究所提出的方案經濟性較強，未來可以推廣該種大落差段設計措施。

圖1 該段管道的壓力水頭分布情況圖Fig.1 Distribution diagram of pressure head in this section of pipeline

4 工藝設計研究

4.1 減壓閥優選

減壓閥主要可以發揮節流減壓的作用，根據其內部結構的區別，可以將其分為多種類型，例如多層套筒類型、串級式類型、迷宮盤片式等類型，不同類型的減壓閥都存在一定的優缺點。對于多層套筒類型的減壓閥而言，在使用的過程中非常容易出現堵塞問題，如果流體的清潔度相對較高，則可以使用該種類型的減壓閥；對于串級式類型的減壓閥而言，雖然不容易出現堵塞問題，但是其直徑相對較小，閥桿的質量也相對較大，容易使得管道流量降低，同時，使用該種類型的減壓閥還會增加管道建設成本；而迷宮盤片式類型的減壓閥，其內部存在多層結構的閥芯，使得介質通過減壓閥的距離提高，在保障其流道面積的前提下，其壓降相對較高，該種類型的減壓閥十分適用于高程變化相對較大的管道，其抗堵塞的能力也相對較強[18]。綜合分析可以發現，對于高程相對較大的管道，優先推薦使用迷宮盤片式類型的減壓閥。

4.2 過濾系統設計

在對原油管道沿線減壓閥進行設計的過程中，介質中雜質的存在可能會影響減壓閥的性能，建議在減壓閥的前端位置處安裝過濾器，通過該措施，還可以避免介質輸送過程析蠟而對減壓閥產生損傷。

4.3 泄壓系統設計

在管道停止運行的過程中，減壓站的前后閥門都將處于關閉狀態，但是減壓站內仍然存在大量的介質，受到環境溫度變化的影響，介質的體積可能會增加，進而出現減壓站內管道超壓問題。因此，在進行大落差段設計的過程中，減壓站需要配備專門的泄壓系統[19]。

4.4 保護系統設計

保護系統主要對減壓站進出站的壓力進行全面保護，一般情況下，進站位置處的保護系統可以分為三級，出站位置處的保護系統可以分為兩級。在進站保護系統方面，第一級主要發揮高壓報警的功能，以便提前預警工作人員注意減壓站前端位置處管道內的壓力情況；第二級主要發揮高高壓報警的功能，但是并不會因為壓力過高關閉閥門；第三級主要發揮高壓泄放的功能，工作人員需要對泄放壓力進行合理的設定，其數值一般都低于管道的設計壓力[20]。在出站保護系統方面，第一級主要發揮高壓報警的功能，以便提前預警工作人員注意減壓站后端位置處管道內的壓力情況；第二級主要發揮高高壓報警的功能，如果減壓站后端位置處的壓力過高會自動關閉閥門。對于減壓站而言，如果操作不當，可能會出現嚴重的原油泄放問題，為此，需要在保護系統中安裝冗余裝置，即在減壓閥的后端安裝壓力保護裝置。該種類型的保護裝置可以進行三級保護，第一級主要發揮高壓報警的功能，以便提前預警工作人員注意減壓站出站以后管道內的壓力情況；第二級主要發揮高高壓報警的功能，如果管道內壓力過高會自動關閉閥門；第三級主要發揮高壓泄放的功能，工作人員需要對泄放壓力進行合理的設定，其數值一般略高于減壓站出站的保護壓力。

5 結論

（1）常見的輸油管道大落差段設計方案主要有五種，分別是管道沿線增設減壓閥、縮小管道的管徑、增大管道的壁厚、減小介質的流量以及上述措施組合使用，通過進行全面的對比發現，增設減壓站+縮小管道管徑的組合方案不但可以保障管道的運行安全，還可以有效保障介質的流量，該種方案的應用也較為廣泛。

（2）在應用增設減壓站+縮小管道管徑的方案進行設計的過程中，需要遵循管徑設計、最優管道模型、確定約束條件、確定減壓站的數量、位置以及管道模擬的步驟。在設計模擬的過程中，如果水擊問題仍然較為嚴重，則需要對局部設計方案進行調整，如果管道需要調整的設計內容相對較多，則需要重新設計。

（3）通過對我國YB 輸油管道進行設計后發現，該條輸油管道466.22～489.82 km的管段，最佳的管徑為559 mm，489.82～580 km 管段最佳的管徑為660 mm，并需要在管道沿線兩個位置處設置減壓站。最終進行模擬發現，各個管段的壓力均在設計壓力之內，證明本次研究所提出的設計方案及步驟具有可行性。

（4）在對原油管道大落差段進行設計的過程中，還需要對減壓閥的類型進行優選，并對過濾系統、泄壓系統以及保護系統進行合理設計。管道高程變化相對較大時，推薦使用迷宮盤片式類型的減壓閥；采用過濾系統可以防止介質中的雜質以及析蠟問題對減壓閥產生損傷；保護系統是對減壓站進出站的壓力進行全面保護。