油气管道安全度汛对策研究.pdf

2 0 1 1年 第 5期 管 道 技 术 5 设 备 P i p e l i n e Te c h n i q u e a n d Eq u i p me nt 2 01 1 No ． 5 油气管道 安全 度汛对 策研 究 何悟忠 ， 王 巨洪 ， 曲慧远 ， 杨宗宾 ， 董研 1 ． 中国石油管道公司沈阳技术分公 司 ， 辽宁沈 阳1 1 0 0 3 1 ； 2 ． 中国石油管道大连 输油气分公司 ， 辽 宁大连1 1 6 3 0 0 摘要 文中以中国石油管道东北管道铁 大线为例 ， 通过历 史数据收集整理 分析 ， 加 以理论核 算， 并 与实际情况校核， 总结出油气管道汛期的安全主要受降雨量、 土质、 地势、 人类活动等因素的影响， 并提 出 了安 全度 汛 的应对 措施 。 关键词 管道 ； 汛期 ； 安全 ； 对策 中图分类号 T E 8 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 49 6 1 4 2 0 1 1 0 5 0 0 0 1一 O 3 0 引 言 管道运输业是继铁路、． 公路、 水运、 航空之后的第 五大运输业。目前， 国内油气管道总里程达 1 0 万 k m， 基本形成 了油气骨干管网。根据 国家“ 十二五” 规划 ， 还将建设近 5万 k m油气管道 ， 油气管道 已成为重要 的国民经济基础设施 ， 在国民经济发展 中起 到重要 的 作用。2 0 1 0年 l 0月 1日正式实施的 中华人民共和 国石油天然气管道保护法 更能充分说明油气管道的 重要性 。 油气管道在 国民经济建设做 出突 出贡献的同时 ， 其 自身的安全管理也不容 忽视。影 响油气 管道安全 运行的危害 因素主要有 自然灾害 、 内外腐蚀 、 管线缺 陷、 误操作、 第三方施工等方面。下面仅就 自然灾害 对油气管道的安全影响进行探析。 自然灾害包 括洪汛灾 害、 破坏性 地震灾 害、 地质 灾害、 气象灾害、 海洋灾害等。对于陆地油气管道， 经 常受到洪汛灾害 的影 响。下面 以铁 大线 为例进行分 析说明。 1 数据统计 东部管网铁大线输油管道建于 1 9 7 4年， 途径铁 岭 、 沈 阳、 辽 阳、 鞍 山、 营 口、 大 连 等 市 ， 管 道 全 长 4 2 3 ． 4 5 k m． 沿线地质地貌为丘陵、 平原 ， 多为黏土、 砂 壤土、 风化岩等地质 ， 详见表 1 。 铁大线输油管道 1 9 7 5年建成投产后 ， 经历了几次 大的集 中的洪水袭击 ， 主要在 1 9 8 4年 一1 9 8 7年、 1 9 9 4 年 一 1 9 9 5年、 2 0 0 9年 一 2 0 1 0年 ， 这几个时 间段雨季 降 雨比较集中、 降雨量 比较大， 局部地区降雨量达 1 3 6 m m、 1 h降雨量达到 6 3 m m． 这几次洪水给输油管道的 安全运行带来严重影 响， 导致管线露管、 悬空、 甚至断 收稿 日期 2 0 1 1 0 9～0 1 裂 。汛后进行加固， 保证油气 管道安全。数据统计见 表 2 、 表 3 。 表 1 铁大线输油管道沿线地貌、 地质情况统计表 序号 地区段 管线桩号 地貌 地质 注 表中地质数据从原始竣工资料获得， 统计到管道埋设深度位置。 表2 管道沿线历年降雨量一览表 6～ 8月 ．．． 2 4 h 降雨量 总降雨量 。⋯ 2 4 h 降雨量 总降雨量 年份 。 年份 ’ 。 ⋯ ／mm ／mm ／ mm ／mm 1 9 7 6 4． 6 41 3 1 9 9 4 3 2 1 7 2 3 1 9 7 7 4． 6 41 3 1 9 9 5 3 9 3 6 7 9 1 9 7 8 4 ． 6 41 3 1 9 9 6 4． 6 41 3 1 9 7 9 4 ． 6 4 1 3 1 9 9 7 0 干旱 1 9 8 0 4 ． 6 4 1 3 1 9 9 8 0 干旱 1 9 8 1 3 4 1 ． 7 7 6 8 ． 9 1 9 9 9 0 干旱 1 9 8 2 0 干旱 2 0 0 0 0 干旱 1 9 8 3 4 ． 6 4 1 3 2 0 0 1 0 干旱 1 9 8 4 4 ． 6 4 1 3 2 0 0 2 0 干旱 1 9 8 5 1 o o 6 8 0 2 0 0 3 0 干旱 1 9 8 6 4 ． 6 41 3 2 o o 4 4． 6 41 3 1 9 8 7 0 干旱 2 0 o 5 4 ． 6 4 1 3 1 9 8 8 0 干旱 2 o 6 4 ． 6 4 1 3 1 9 8 9 0 干旱 2 0 o 7 l 1 6 3 5 4 l 9 9 0 4． 6 41 3 2 0 o 8 4 ， 6 41 3 1 9 91 4． 6 41 3 2 0 O 9 9 7 ． 4 2 8 6 1 9 9 2 4． 6 41 3 2 01 0 1 3 6 61 3 1 9 9 3 4． 6 41 3 2数 据分析 从统计数据分析 ， 得 出规律如下 1 1 9 8 1年 ， 在瓦房店、 普兰店、 盖州三市交界 山 区的一场特大暴雨 ，导致泥石流 ，因距离输油管道较 注 铁大线输油管道穿越河流百余处， 为说明问题， 这里只 统计典型、 具有代表性的 河流。 远， 对管道无大影响； 除此之外， 像 1 9 8 5年、 1 9 9 4年、 1 9 9 5年、 2 0 0 7年、 2 0 0 9年、 2 0 1 0年汛期都发生了较大 汛情， 都给管道安全运行产生了很大影响， 见图 1 。 里 一 鐾 ； 一／＼ 一一八 【_ _ 一 年份 图 1 管道沿线历年降雨量分布 图 6 8月 2 从管道历年加 固一览表 中发现 ， 在 1 9 9 5年辽 宁省 出现特大暴雨洪水灾害面前 ， 太子河 、 复州河等 地段输油管道运行正常， 主要原 因是河流上游有水库 调峰 ， 管道不会直接受 到洪水袭击 ； 但也应充分考虑 水库泄洪对管道的影响 ， 见 图 2 。 3 人类 活动 的扰动 ， 导致管 道安全 风险加 大。 从管道历年加固一览表中发现， 九道河段输油管道加 固记录在 2 0 0 7年及 2 0 1 0年， 以前并没有出现险情， 主 要原因是 以前九道河河道及 周边地势没有遭到破坏。 从 2 0 0 4年开始， 随着城乡经济建设快速发展 ， 砂石料 的大量需求 ， 使九道河河道迅速下切 ， 加 之上游无 水 库调峰 ， 汛期一过洪水 ， 管道 即出现险情。2 0 1 0年汛 图 2 太子 河流 域地形图 期 ， 将 2 0 0 7年汛期后加 固的挡土墙 冲毁 ， 露管近 3 0 m 长， 悬空高度约 1 ． 5 m， 河床下切约 3 ． 4 m， 见图 3 、 图 4 。 4 砂土土质地 段 比黏土土质地段易遭受 冲刷 ； 地势起伏地段比平坦地段易遭受冲刷； 落差大、 比降 大地段比落差小、 比降小地段易遭受冲刷。如大石桥 a 2 0 0 7年前九道河管道 b 2 0 0 7年九道河管道抢险 图3 九道河河道变迁 1 第 5期 何悟忠等 油气管道安全度汛对策研究 3。 i ■警 a 2 0 0 8年丸道河加 固后 管道 b 2 0 1 0年 九道 河管道抢 险 图4 九道河河道变迁 2 段管道 ， 距东部山区约 5 ． 3 k m， 比降 3 3 ％ o 左右 ； 金州段 管道， 距西部山区约4 ． 2 k m， 距黄海约 1 8 ． 9 k m， 比降 3 7 ‰左右。因河道短 ， 落差 大， 且 上游无水库调 峰， 汛 期洪水来势凶猛 ， 往往对管道形成 巨大威胁 。见 图 5 、 图 6 、 图 7 。 图5 大 石桥段管道 图6 金州段管道 图7 2 0 0 9年汛期冲毁的虫王庙河水工 5 对于降雨量较小或干旱的年份 ， 局部管道也 易出现露 管、 悬空等险情 ， 主要原 因是 土壤水分 过于 偏低 ， 土壤中的土颗粒呈 “ 悬浮” 状 态， 颗粒与颗粒之 间没有很强 的握裹力 ， 在很小的降雨下 即容易流失。 尤其在年降雨不均衡的情况下更容易发生， 上半年基 本不下雨 ， 秋季 猛下几场 大雨 ， 极易导致 水土 流失。 如表 3中的熊岳河 、 虫王庙河加固即属这种情况。 3 理论核算 以 2 0 0 9年 7月 2 4日发生在金州管段的强降雨为 例核算冲刷深度 。 2 0 0 9年 7月份以来 ， 大连地 区连续降了 3次大雨 到大暴雨， 分别是 7月 8日、 7月 1 7日、 7月 2 4日， 土 壤水分饱和， 尤其是7月2 4日的大暴雨， 雨量大， 降雨 时间短 3 h左 右 ， 降雨集 中， 管道途 经小黑 山山脚 下 ， 沿线汇雨面积大 ， 河道瞬间过流量及流速大， 导致 管道水工被冲毁， 管道多处出现露管、 悬空。 3 ． 1 基础数据 时间 2 0 0 9年 7月 2 4日； 降雨量 1 h内， 普兰店9 4 m m， 金州 5 5 m m； 河道 虫王庙河、 土南门河、 青云河； 河宽 B 虫3 5 m， 土 2 3 m， 青 4 6 m； 流域 面 积 S 虫 1 6 k m ， S 土 1 3 ． 5 k m ， S 青 1 2 0． 5 k m ； 当时水深 虫 2 ． 5 n 3 ， h 土 2 ． 0 m， h 青 2 ． 3 m ． 3 ． 2 参数计算 3 ． 2 ． 1 河道管道处的径流量计算 根据各流域大小不 同及所处流域降雨量的大小 ， 根据公式 流域径流量 Q 域降雨量 流域面积， 计算 得出各流域的径流量。 Q 虫 9 4 mm ／ h X 1 6 k m 4 1 7 ． 8 m ／ s Q 土5 5 mm ／ h X 1 3 ． 5 k m 2 0 6 ． 3 m ／ s q 青 5 5 mm ／ h1 2 0 ． 5 k m 1 8 4 1 ． 0 m ／ s 3 ． 2 ． 2 河道管道处流量计算 根据不同流域的汇流条件， 进行概化单位线及推 流计算， 根据公式 河道流量 q 河Q 域 3 ／ 洪水消退 时间 ￡ t 取 6 h ， 计算得出各河道管道处流量 。 q 虫 4 1 7 ． 8 m ／ s X 3 ／ 6 h 2 0 8 ． 9 m ／ s q 土 2 0 6 ． 3 m ／ s x 3 ／ 6 h1 0 3 ． 2 m 。 ／ s q 青1 8 4 1 ． 0 m ／ s x 3 ／ 2 4 h 2 3 0 ． 1 m ／ s 3 ． 2 ． 3 河道管道处单宽流量计算 n， 根据公式 g B为过水断面宽度， 计算过程中 为河道宽度 ， 计算 出各河道管道处单宽流量。 q 由 2 0 8 ． 9 m ／ s 3 5 m 6 ． 0 m ／ s m q 土1 0 3 ． 2 m ／ s 2 3 m 4 ． 5 m 。 ／ s m 下转第 1 6页 1 6 Pi pe l i n e Te c hn i q u e a n d Eq ui pme n t S e p ． 2 0 1 1 月 2 0日 的投产前 预热数 据 ， 输水 量约 为 8 3 0～9 5 0 m ／ d ， 管线人 口温度为 3 8℃ ， 管线 出17 I 温度 2 4℃ ， 周 围环境温度 2 O℃， 由苏霍夫公式 5 反算总传热系数 值 ， 结果为3 ． 0 W／ m o C 。 由苏霍夫公式反算K值， 即 K l n 5 可 L 』L 一1 0 式中 L 为保温管长度 ， m； G为质量 流量 ， k g ／ s ； c为流 体的比热容 ， J ／ k g ℃ ； T L 为介 质的 出口温度 ， ℃ ； 。为周 围环境 的温度 ， q C； T R 为介质的人 口温度 ， ℃． 4结束语 对涠洲 1 1 1 油田管线， 通过理论计算的总传热 系数与实际运行反算得到的总传热系数相近。 初步计算结果表 明 对 海底管道 ， 由于海 水 的传 热系数较大 ， 未保温接 口部位 的总传热系数在 1 82 6 W／ m ℃ 之间 ， 聚氨酯保温管段 的总传热系数在 0 ． 7～0 ． 8 W／ m o C 之间 ， 二者相差 2 0多倍 ， 说明 海管接 口部位的热损失较大 。 通过分析可以看出 海底保温管道接口若不采取 相应 的保温措施 ， 或保温效果不佳 ， 其散热损失很大 ， 尤其对长距离管线 ， 接 口处 的散热损失可能会影 响到 管输介质的工艺温降， 并波及到海底管线 的安全运 行 ， 应引起重视。 参考文献 [ 1 ] 丁新龙， 韩雪艳， 袁中立 ， 等． 单壁海底管道混凝土加重层 离心灌浆法涂敷技术研究． 石油工程建设， 2 0 0 7 5 2 6 30． [ 2 ] 严大凡． 输油管道设计与管理． 北京 石油工业出版社， 1 9 8 6 6263． [ 3 ] 邢晓凯． 海底管道总传热系数的研究与确定． 中国海上油 气 工程 ， 2 0 0 1 4 2 62 8 ． [ 4 ] S Y ／ T 0 4 l 5 9 6 埋地钢质管道硬质聚氨脂泡沫塑料防 腐保温层技术标准． [ 5 ] 王补宣． 工程传热传质学． 北京 科学出版社， 1 9 9 8 2 0 21 ． [ 6 ] 刘海超 ， 高国军． 海底管道高密度开孑 L 聚氨酯补 口新技 术． 中国海上油气 ， 2 0 0 6 4 2 7 1 2 7 5 ． 作者简介 刘海超 1 9 7 7 一 ， 工程师 ， 主要从事海洋管道防腐、 保温及配重技术研究工作。 上接第 3页 g 青2 0 3 ． 1 m ／ s 4 6 m 5 ． 0 m ／ s m 3 ． 2 ． 4 过水断面积计算 根据公式 W B h 计算得 8 7． 5 m ； W土 46 m ， 1 0 5． 8 m 3 ． 2 ． 5 水流流速计算 根据 Q ／ W计算得 虫 2． 3 9 m／s； 土 2 ． 2 4 m／s ； 青 2．1 8 m／s 3 ． 2 ． 6 水利半径计算 由公式RW ／ X， X B 2 危 计算得 R虫 2．1 9 m ； 土 1 ． 7 0 m ； R青 2 ． 0 9 m 3 ． 3冲刷深度计算 1 根据 冲刷深度 h 冲 一gh ． 导 为当时水深， d为河床砂粒平均粒径， d 取 0 ． 0 3 ， 计算 各河河床冲刷深度。 冲虫 3 ． 0 m ； 冲士 2 ． 3 m ； 冲青 2． 3 m 2 堤防工程设计规范 提出的最大冲刷深度估 算式 平行水流 为 风 [ 一 l 】 1 式 中 为局部冲刷深度 从水面算起 ， m； h 。 为冲刷 处水深 以近似设计水位最大水深代替 ， m； 为主河 槽平均 流 速 ， m ／ s ； 为河 床面 泥沙 启 动 流速 V 0 ． 7 5 R } ／ ， m ／ s ； n为指 数 ， 与防护岸坡在 平面上 的 形状有关 ， 一般取 1 ／ 4 。 由式 1 计算得出各河河床最大冲刷深度。 将 。 虫0 ． 9 1 2 m ／ s 、 。 土0 ． 8 6 m ／ s 、 V c 青0 ． 9 0 m ／ s 等代人式 1 得 冲虫 2 ． 7 3 m ； 冲 土 2． 2 0 m ； 冲 青 2 ． 8 4 m 根据计算结果， 2种方法计算的冲刷深度基本一 致， 且与实际情况基本吻合。如图7 所示， 虫王庙河管 道管上覆土 1 ． 2 m， 管径 0 ． 7 2 m， 管道悬 空约 0 ． 8～ 1 ． 0 m， 冲刷深度约 2 ． 7 2～2 ． 9 2 m． 4结束语 1 位于落差大、 比降大且 为砂 土土质地段 的管 道极易遭受雨水袭击 ， 洪水一般来势凶猛 ， 消退也快 。 2 人类活动 的扰动增加 了管道风 险， 在强降雨 下河床迅速下切 ， 极易导致管道露管 、 悬空甚至断裂。 3 加强与当地气象部门、 水利部门 包括河道管 理部门、 水 库管 理部 门等 的沟通 联系 ， 及 时掌握 雨 情 、 汛情及上游水库泄洪时间及泄洪量。 4 严格控 制在穿河段 管道上下游挖砂取土 ， 防 止水土流失、 河床下切。 5 针对不 同区域 的管道 编制应 急预案 ， 并备齐 足够的防汛抢险物资 。 作者简介 何悟忠 1 9 5 6 一 ， 高级工程师， 主要从事油气长输管 道 管理工作 。