輸油管線設計及儲運的新技術探索與實踐

摘 要：當前，輸油管線設計及儲運領域正處于快速的技術革新與實踐深入探索階段，其核心目標在于顯著提升運輸效率、全面增強安全性、不斷優化環保性能，同時推動行業向智能化、綠色化、高效化方向轉型升級，引領石油儲運新時代的到來。

關鍵詞：輸油管線設計;管道工藝設計;儲運技術

一、輸油管線的設計要點

（一）前期規劃

1.確定輸送油品的性質

了解油品的物理化學性質，如黏度、密度、凝固點、閃點等。例如高黏度的原油需要更大的輸送動力，凝固點高的油品在低溫環境下可能會凝固，這就需要考慮加熱措施。同時，對油品的腐蝕性進行詳細分析，如果油品中包含諸如硫化物等腐蝕性成分，那么輸油管道的材料需要具備相應的抗腐蝕性能，可能要選用耐腐蝕合金鋼。

2.確定輸送量和輸送距離

油品輸送量根據油源產量和用戶需求來確定。輸送量對管道的管徑選擇有直接的影響，通常采用質量流量或體積流量來衡量，常用的單位有立方米/小時或噸/小時。輸送距離的確定。輸送距離關系到管道的壓力損失計算和泵站的設置。長距離輸送需要考慮中間泵站來增壓，以保證油品能夠順利到達目的地。

3.沿線地理和環境調查

要進行地形地貌調查，以確定管道沿線是平原、山區還是丘陵。在山區鋪設管道時，由于地形起伏比較大，要著重考慮管道爬坡、下坡的問題，避免油品在管道內出現水滑現象。明確地質條件，分析土壤類型、地下水位等。例如：在軟土地基上鋪設管道，需要考慮管道的沉降問題，可能要對地基進行處理;在地下水位高的地區，應避免管道被水浸泡而發生腐蝕[1]。了解氣候條件，包括氣溫、降水、風速等。極端氣溫會對油品的物理性質和管道的運行狀態產生很大的影響，在寒冷地區，為防止油品凝固，應對管道進行保溫或伴熱。

4.法規和安全標準研究

熟悉國家和地方有關輸油管道設計、建設和運營的法規和標準。比如在管道的安全距離方面，要保證管道與居民區、重要設施（如水源地、高速公路、鐵路等）之間保持一定的安全距離，從而降低事故風險。

（二）管道工藝設計

1.管徑計算

根據輸送量、油品流速等因素來計算管徑。一般使用達西公式等流體力學公式進行計算。例如對于穩定的層流或紊流狀態下的油品，可根據公式在已知流量和選定流速的情況下計算管道橫截面積，進而確定管徑。流速的選擇要考慮油品的性質和管道的經濟運行。流速過高可能會導致較大的壓力損失和管道磨損，流速過低則會使管道管徑過大，增加投資成本。

2.壓力計算和泵站設計

計算沿程壓力損失和局部壓力損失。沿程壓力損失與管道長度、管徑、油品黏度、速度等因素有關，可通過達西—威斯巴赫公式計算。局部壓力損失是由于管道中的閥門、彎頭等管件引起的，應根據管件的局部阻力系數進行計算。根據壓力損失，結合終點壓力進行泵站的設計。泵站的作用是給油品增壓，從而克服管道阻力。而泵站的位置和泵的選型應綜合考慮總揚程、流量及功率等因素。泵的類型有離心泵、往復泵等，離心泵適用于大流量、低揚程的情況，往復泵適用于高揚程、小流量的場合[2]。

3.管道系統布局設計

管道系統布局設計包括確定管道的走向、分支和連接方式。應盡可能選擇直線距離短、便于施工的路線，并避免經常轉彎、交叉。設計合理的管道網絡，例如在油品需要分配到多個用戶的情況下，要設計好分支管道和閥門的布局，這樣才能對油品的流向和分配進行靈活的控制。

二、輸油管線設計的基本原則及儲運管控系統

（一）輸油管線設計的基本原則

1.安全性原則

一是材料安全。輸油管線材料要能承受預期的內部壓力，根據輸送油品的壓力等級，選擇合適強度的管材，如API 5L系列管材中的不同鋼級（如X42、X52等），這些鋼級有對應的最小屈服強度，從而確保管線在正常運行壓力下不會出現破裂的情況。材料的耐腐蝕性是關鍵因素，綜合考慮油品的成分、含水量以及管道所處的環境（如土壤的酸堿度、是否處于鹽霧環境等）。在腐蝕性比較強的環境下，可以選用耐腐蝕合金材料或者采用防腐涂層，例如316L不銹鋼在含有氯離子的環境中有較好的耐腐蝕性，或者使用環氧粉末涂層來防止管材被腐蝕。二是結構安全。管道的壁厚設計應考慮內壓、外壓、溫度變化以及可能的外部載荷（如車輛行駛、地震等）。比如在穿越道路時，管道必須有足夠的承載能力承受車輛的動載荷，需要增加壁厚或者采取特殊的防護措施（如安裝混凝土保護套等）。管道的連接方式應確保密封良好。為了保證焊接質量，必須進行無損檢測（如射線探傷、超聲探傷），以保證焊縫沒有任何缺陷;法蘭連接要選擇合適的墊片材料和螺栓緊固力矩，防止油品泄漏。三是安全距離。輸油管線與周圍建筑物、公共設施（如居民區、學校、醫院等）要保持足夠的安全距離。根據油品的危險性類別、管道的壓力和管徑等因素確定，避免在發生泄漏、爆炸等事故時對周圍環境產生重大影響[3]。與給排水管線、電力電纜等其他管線交叉或并行時，也要保持安全間距，并采用適當的隔離及保護措施，防止相互干擾和損壞。

2.高效性原則

一是水力效率。管徑的選擇要根據輸送油品的流量和黏度進行優化。根據達西-威斯巴赫公式計算摩阻損失，選擇合適的管徑使油品在管道中以一個合理的流速流動，既可以避免由于流速太快而引起的摩阻過大，也可以避免由于流速過低造成油品在管道內沉積。管道的布局要盡量減少彎頭、變徑等局部阻力部件的數量。在必要情況下，應采取適當的過渡方式（如漸變段連接），以降低局部阻力，提高水力輸送效率。二是運營效率。考慮在管道沿線合理設置泵站，根據地形變化、管道長度等因素，合理確定泵站的位置和數量，以提供足夠的動力克服油品的沿程阻力和提升高度，保證油品能夠持續穩定地輸送。設計易于維護和管理的系統，例如在管道上設置足夠的檢測口、維修通道等，方便對管道進行日常檢查、維修和設備更換，減少維護時間和成本，提高運營效率。

3.環保性原則

一是防止泄漏污染。采用先進的密封技術和防泄漏措施。如雙重密封的閥門設計，在第一道密封失效時，第二道密封能夠起到防止泄漏的作用。若是管道穿越水源保護區、生態濕地等敏感區域，應采取特殊的防護措施，如設置套管并進行密封處理，并加強監測，避免油品泄漏進入這些區域，造成環境污染。二是減少廢棄物和排放。在管道建設過程中，盡量減少施工廢料的產生。對產生的廢料進行合理回收和處理，如廢舊管材可以回收再利用，以降低資源浪費。考慮管道運行過程中的能源消耗和排放。例如：在泵站設計中選擇高效節能的泵設備，減少溫室氣體排放;在管道防腐過程中，使用環保型的涂料，避免揮發性有機化合物等有害物質的排放。

4.經濟性原則

一是初始投資成本。在保證安全、高效、環保的前提下，選用性價比高的管材、設備及施工方式。通過對不同材料、設備的價格、性能及使用壽命的多方面對比，進行綜合評估。比如在管材選擇時，應權衡高強度合金鋼和普通碳鋼的成本與性能，并根據實際需求確定合適的材料。合理規劃管道長度和布局，減少不必要的建設成本。避免過度設計導致管道過長、管徑過大等情況，降低材料和施工費用。二是運行和維護成本。考慮管道運行過程中的能耗成本，選用高效節能的設備（如高效電機、變頻泵等），降低泵站的運行電費。設計易于維護的管道系統，降低維護成本，如選用易更換的密封件、防腐涂層容易修補的管材等，以降低維修工作量，降低維修成本。

（二）儲運新技術探索與實踐

1.新型儲存技術

隨著技術的發展，越來越多的新型儲存設備和技術被引入石油和天然氣儲存領域。例如高壓容器儲存技術、密閉式儲存技術等，這些技術能有效地減少泄漏和爆炸的風險，提高儲存效率。在儲罐材料選擇方面，應當全方位地根據油品類型、實際的儲存溫度、相應的儲存壓力等諸多因素進行綜合考慮。因為不同種類的石油，其化學特性、物理性質等存在差異，而不同的儲存溫度和壓力條件也對儲罐材料有著不同的要求，只有經過謹慎考量，才能選出最合適的材料用于儲罐建設。同時，還應重點加強儲罐內壁的防腐保護工作，積極采用諸如專業的噴涂防腐技術，均勻地在儲罐內壁噴覆防腐涂層，形成有效的防護屏障;或者采用貼膜等技術，在儲罐內壁貼上具有防腐功能的膜層，以此延長儲罐的使用壽命，確保儲罐能夠長時間穩定地發揮儲存作用，減少因腐蝕問題而帶來的各種隱患和損失[4]。

2.自動化控制技術

自動控制技術已廣泛應用于石油和天然氣儲運領域。利用自動化控制系統可以實現油氣輸送管道的自動化運行和調節，從而達到提高運輸效率與運輸安全，降低人為誤差與事故風險的目的。比如采用遠程監控和自動調節技術，對管道輸油情況進行實時監控，并對輸送過程中的輸油量和速度進行動態調節，以達到最佳的輸油效率。油品運輸管道智能控制系統則可以根據油品類型、密度等特性實現自動控制，保證油品質量和安全。

3.應急響應技術

在油品儲運過程中，應急響應能力顯得尤為重要。采用智能化火災報警系統、迅速排除泄漏的設備等新型的應急響應技術，能夠有效提高應急響應速度和效率。同時，應強化培訓和演習，以提升有關人員面對突發事件時應急響應能力。構建完善的油氣泄漏應急預案，建立應急救援隊伍，保證突發事件的快速處置，保證人員安全，降低財產損失。

三、輸油管道安全管理與環保技術

（一）安全加密通信技術

在輸油管道系統中，應用高等級的數據加密傳輸技術是保證管線安全運行的關鍵。隨著現代石油工業的發展，輸油管線的控制系統高度依賴通信網絡進行數據傳輸和指令下達。若不能保證通信安全，非法入侵者可能會干擾管道的正常運行，甚至進行惡意操作，容易造成重大的安全事故。

高等級的數據加密技術能夠對傳輸的數據進行加密處理，即便數據被截獲，也很難被破解。在此基礎上，結合身份認證、訪問控制等多種安全措施，進一步確保只有授權的人員和設備才能訪問管道控制系統。比如為了提高輸油管道控制系統的安全性，采用雙因素認證方式，需要用戶在登錄時提供密碼和手機驗證碼，有效防止非法入侵與操作，切實保障輸油管線的運行安全。

（二）清潔能源應用

推廣使用 LNG、電力等清潔能源驅動的儲運設備，是降低石油儲運過程中的碳排放和空氣污染的重要舉措。隨著全球對環境保護的重視程度不斷提高，傳統的燃油驅動設備帶來的環境污染問題日益凸顯。在裝卸作業及移動儲運設備上廣泛應用電動或氫能動力，具有顯著的優勢。電動設備運行時噪聲低、零排放，能有效降低對環境的污染。氫能動力作為一種新型的清潔能源，不僅能量密度高，而且燃燒產物僅為水，具有極高的應用價值[5]。比如有的港口采用電動起重機進行油品裝卸作業，這樣既可以提高油品裝卸作業效率，又可以有效降低噪聲污染與尾氣排放。與此同時，氫能卡車已在部分地區進行試點應用，為油品短距離運輸提供了新的解決方案。通過廣泛應用這些清潔能源驅動的設備，可以實現綠色儲運，對生態環境的保護起到積極的作用。

（三）廢棄物回收與處理技術

發展和完善廢棄物資源化利用技術，對于緩解油品儲運過程對生態環境的影響具有重要意義。在油品儲運過程中，必然會產生一定的泄漏石油、廢渣等廢棄物。如果不及時妥善處理這些廢棄物，會對土壤、水源等自然資源造成嚴重的污染。

泄漏石油回收技術可以通過物理、化學等方法將泄漏的石油收集起來，進行再加工利用。比如利用吸油氈、油水分離設備等工具對泄漏的石油進行快速、高效的回收。而廢渣無害化處置是指通過焚燒、填埋等方式，將廢渣中的有害物質加以處理，使其達到環保標準。對油品儲運過程中所產生的各種廢物進行分類收集、無害化處理與再生利用，可以實現循環經濟與可持續發展目標。比如將廢舊的輸油管道進行回收利用，加工成其他的工業產品，不僅可以節約能源，還能減少資源浪費，從而減少對環境的污染。

結束語

綜上所述，輸油管線設計及儲運的新技術探索與實踐是一個不斷發展的領域。通過不斷的技術創新和應用實踐，我們可以提高管道運輸的安全性和效率，降低運輸成本和資源消耗。未來，隨著技術的不斷創新和應用實踐的深入，輸油管線設計及儲運領域將進一步提升安全性、效率和可持續性，為石油產業的未來發展提供有力支撐。

參考文獻：

[1]李佳成，張家輝.輸油管線施工過程中存在的問題及對策[J].全面腐蝕控制，2023，37（05）：102-104.

[2]王柏楊.輸油管線防腐保溫存在的問題及解決辦法[J].全面腐蝕控制，2021，35（01）：117-119.

[3]劉璐.淺析輸油管線設備安裝與故障管理[J].石化技術，2018，25（05）：282.

[4]劉芳.原油儲運系統適應性分析及優化調整[J].石油石化節能，2020，10（07）：20-22，8.

[5]王馨昱，錢名德.原油儲運系統中的能耗分析及節能對策[J].能源與節能，2021（06）：58-59，100.