周 雪 靜

（中國石油大學(xué)（北京）， 北京102249）

油氣儲運安全技術(shù)進展研究

周 雪 靜

（中國石油大學(xué)（北京）， 北京102249）

石油與天然氣屬于易燃易爆化學(xué)品，儲運難度大。油氣儲運安全事故頻發(fā)，對安全技術(shù)的要求也越來越高。近幾年來，油氣儲運工作者不斷探索研究，安全技術(shù)得到發(fā)展。在閱讀文獻的基礎(chǔ)上，歸納油氣儲運安全技術(shù)的進展。首先分析了油氣儲運安全現(xiàn)狀，提出對安全技術(shù)的迫切需求，然后從管道和站場兩個方面進展詳細(xì)介紹了近幾年來安全技術(shù)的進展，最后提出未來幾年的探索方向。

油氣儲運；安全技術(shù)；管道；站場

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家對于石油和天然氣的需求量逐漸升高。我國在1996年由石油出口國變成了石油進口國，截至2013年6月，我國已建成天然氣管道將近6萬km，原油管道2.6萬km，成品油管道2萬km，形成了橫跨東西、縱貫?zāi)媳钡挠蜌夤芫W(wǎng)。但是油氣儲運的迅速發(fā)展卻帶來了頻發(fā)的油氣安全事故，據(jù)統(tǒng)計，我國的油氣儲運管道事故率平均為3次/（1 000 km·a），而美國僅為0.5次/（1000 km·a），歐洲甚至為0.26次/（1000 km·a）[1]。安全問題受到越來越多人的關(guān)注。而近幾年發(fā)生的“11·22”青島管道爆炸事故再一次將人們的目光聚焦到油氣儲運的安全問題上。

石油與天然氣屬于易燃易爆的化學(xué)品，揮發(fā)性很強，儲運難度大。一旦出現(xiàn)事故，小則破壞財產(chǎn)安全，大則危害生命安全[2]。目前石油天然氣在儲存和運輸?shù)倪^程中還存在很多的安全問題，包括管道爆炸，管道泄漏，油氣管線被違章占壓，安全設(shè)施不完善，安全監(jiān)測不到位，自然災(zāi)害的破壞等[3]。面對這些問題，我們要依靠先進的科學(xué)技術(shù)，不斷探索研究，保證油氣管道運行安全的同時，也是保護我們自己的安全。近幾年來，油氣儲運工作者也在不斷摸索，安全技術(shù)也得到了很好的發(fā)展，并應(yīng)用于生產(chǎn)。本文將從管道和站場兩個方面來談?wù)劷鼛啄陙碛蜌鈨\安全技術(shù)的新進展。

1 管道安全技術(shù)

管道設(shè)計首先要符合《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》等國家規(guī)范的要求。

1.1 基于應(yīng)變設(shè)計方法的應(yīng)用

近幾年我國的油氣管道技術(shù)應(yīng)用了先進的設(shè)計技術(shù)，引入基于應(yīng)變的設(shè)計方法[4]。傳統(tǒng)的基于應(yīng)力的管道強度設(shè)計方法是一種彈性設(shè)計，適用于在內(nèi)壓、溫差等以力為控制參量的載荷作用下的情形[5]，這種設(shè)計方法是建立在限制管壁環(huán)向應(yīng)力的基礎(chǔ)上，并且廣泛應(yīng)用于管道的設(shè)計。但是隨著極限狀態(tài)設(shè)計觀念的引進，明確了管線的失效方式。新材料的發(fā)展使得材料脆性行為和相關(guān)的失效模式幾乎可以避免，但是變形失效模式，如地震和地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的管道失效引起了人們的重視。于是研發(fā)出了基于應(yīng)變的管道設(shè)計方法。我國在2004年引入了基于應(yīng)變的管道設(shè)計方法，它是一種塑性設(shè)計，這種設(shè)計方法一般適用于發(fā)生重大地質(zhì)災(zāi)害時，作用于管道上的載荷以位移為控制參量的情況[6]?；趹?yīng)變的設(shè)計方法應(yīng)滿足：εd≤φεc，其中：εd表示設(shè)計應(yīng)變；φ表示設(shè)計系數(shù)；εc表示許用應(yīng)變。

我國的管道建設(shè)面臨著各種各樣的地質(zhì)環(huán)境，比如松散黏土地區(qū)，不能集結(jié)成巖石；黃土層，在濕透之后會崩塌。同時還面臨著地震、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的威脅和越來越多海底管道敷設(shè)的任務(wù)。這些情形都適合使用基于應(yīng)變的設(shè)計方法，它利用了管材的塑性變形能力，并且也能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。目前這種方法已經(jīng)應(yīng)用在某些管道項目上，隨著技術(shù)的成熟，基于應(yīng)力的設(shè)計方法和基于應(yīng)變的設(shè)計方法相結(jié)合，更能保障我國管道建設(shè)的安全。

1.2 陰極保護技術(shù)的應(yīng)用

近幾年來，輸油氣管道都在使用陰極保護措施。陰極保護是一種利用電化學(xué)腐蝕原理對管道進行保護的技術(shù)。陰極保護的原理是：給金屬補充大量的電子，使管道整體處于電子過剩的狀態(tài)，從而使管道表面各點達到同一負(fù)電位。陰陽極之間有電流通過，會加速陽極的腐蝕，并且抑制陰極的腐蝕[7]。文獻[8]通過實驗和數(shù)值研究論證了陰極保護對于管道防腐的有效性，作者開發(fā)了一個有限元數(shù)值模型來模擬管道在電流密度上的潛在缺陷，然后確定了陰極保護下缺陷內(nèi)的電位分布，得到了陰極保護對于管道缺陷的有效性保護的結(jié)論，而且導(dǎo)出了計算腐蝕缺陷的經(jīng)驗方程，為準(zhǔn)確評估管道的腐蝕余量和剩余壽命提供了依據(jù)。筆者認(rèn)為陰極保護的作用已經(jīng)得到了理論與實踐的驗證，廣泛應(yīng)用于管道的運行可以保障安全。

1.3 管道安全監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

由于油氣管道距離長，分布廣，不可能任何一處都有人看守,但石油和天然氣需要一個24 h工作的監(jiān)控系統(tǒng)。油氣儲運安全監(jiān)測主要利用的是網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字技術(shù)，對油氣輸送管道進行安全自動監(jiān)測，這樣就解決了管道出現(xiàn)問題卻不能得到及時解決的問題。

安全監(jiān)測方法一般分為兩種：直接監(jiān)測和間接監(jiān)測。直接監(jiān)測是指通過監(jiān)測管道表面泄漏痕跡和擴散氣味等來發(fā)現(xiàn)問題。間接監(jiān)測則是通過監(jiān)測流量、壓力等運輸條件的變化來發(fā)現(xiàn)問題。安全監(jiān)測系統(tǒng)一般具有視頻實時監(jiān)控功能、報警聯(lián)動功能、流量分析功能和壓力分析功能，可以對管道參數(shù)進行多點實時動態(tài)監(jiān)測，同時進行外部視頻監(jiān)測，內(nèi)部流量監(jiān)測，而且該監(jiān)測系統(tǒng)有較強的數(shù)字抗干擾能力，一旦出現(xiàn)流量、壓力等的異常，工作人員則能立刻發(fā)現(xiàn)并采取有效措施。

目前國際上發(fā)展了包括非光纖型和基于光纖的多種監(jiān)測技術(shù)，包括視頻監(jiān)控、光纖傳感、基于電的聲學(xué)傳感等類型，多是根據(jù)傳感技術(shù)進行精密的檢測。文獻［9］設(shè)計和研究了一種新穎的光纖光柵傳感器，通過測量圓周應(yīng)變來得到結(jié)果。這種技術(shù)的應(yīng)用可以用來評估管道是否變薄和監(jiān)測管道是否泄漏。另外，這種傳感器的靈敏度還可以根據(jù)工程的實際情況來調(diào)整。安全監(jiān)測的一個重要方面就是監(jiān)測管道的泄漏情況，Yu Zhang等[10]通過設(shè)計動態(tài)壓力變送器進行長輸管道的泄漏監(jiān)測?？刂剖壹皶r獲得動態(tài)壓力信號，管道泄漏的微小壓力變化也很容易捕捉到，普通的靜態(tài)壓力變送器定位精度和靈敏度都有限，通過初步的仿真結(jié)果可知動態(tài)變送器可以獲取更多的壓力波動。

對于油氣管道進行實時安全監(jiān)測，是確保儲運安全的一項重要措施，目前國際上發(fā)展的多種監(jiān)測手段并用，同時保障管道的安全。

2 站場安全技術(shù)

油氣站場的特點是設(shè)備多且復(fù)雜，占地面積集中。它的安全技術(shù)設(shè)計首先要遵守《石油庫設(shè)計規(guī)范》等國家規(guī)范的規(guī)定。為了保障安全，站址多選在地勢平緩、開闊的地方，并且盡量避開人工填土等地勢較差的地帶。

2.1 站場消防安全技術(shù)的應(yīng)用

油氣站場最主要的安全問題就是消防設(shè)計是否合格。我國站場消防系統(tǒng)一般采用冷卻水泵、泡沫供水泵，管網(wǎng)單獨設(shè)置[11]。設(shè)計按照“預(yù)防為主，防消結(jié)合”的消防方針，主要是通過儲罐固定式冷卻水噴淋裝置和固定低倍數(shù)泡沫滅火裝置為站場提供消防保護。一旦出現(xiàn)火情，可及時撲滅，并且該消防系統(tǒng)設(shè)置了火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，消防管網(wǎng)的控制閥均可以采用遠(yuǎn)程進行控制。國內(nèi)消防系統(tǒng)的優(yōu)點是安全性高，投資設(shè)備省，而且操作方便。

而國外的消防系統(tǒng)采用冷卻水泵、泡沫供水泵，管網(wǎng)合并設(shè)置。此種方法需要的消防泵臺數(shù)比較少，管網(wǎng)設(shè)置簡單，而且泡沫管線較短，試運行之后，清理管線很方便。但是它的缺點是安全性低，滅火反應(yīng)時間無保證。筆者認(rèn)為，消防過程安全最重要，我國的方法更適合我國的生產(chǎn)活動。

不管是國內(nèi)還是國外都需要用到泡沫滅火裝置。文獻［12］詳細(xì)介紹了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，這種系統(tǒng)與低倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)在宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)上均有不同，根據(jù)規(guī)范可以確定該泡沫罐的殼體厚度、罐底的厚度、水和泡沫的供應(yīng)強度等信息。然后其通過小規(guī)模的模型試驗檢驗壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的滅火效果。最終得到的結(jié)論是泡沫罐可以承受火焰輻射，壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)可以應(yīng)用于儲罐滅火，可以用中間層效果理論解釋燃料液面高時出現(xiàn)火舌，燃料液面低時出現(xiàn)球形火焰的現(xiàn)象。筆者認(rèn)為，這是對消防設(shè)計中泡沫滅火裝置的一個升級探索，雖然沒有大規(guī)模應(yīng)用，但是模擬了滅火效果，有利于更好的改進。

2.2 軟質(zhì)儲罐的應(yīng)用

近幾年來，隨著科技的發(fā)展，軟質(zhì)裝備成為了油氣儲運的新方式，軟質(zhì)儲罐則是油庫區(qū)的新型裝備[13]。它是一種可以折疊的軟體容器，其材料強度高，耐刺穿，抗撕裂，具有罐體密封性能好，力學(xué)性能好，裝卸運輸方便等優(yōu)點，它的重量僅為同容量鋼質(zhì)油罐的10%。由于它的安全系數(shù)大，成為了儲存油氣的新途徑。

2.3 地下水封油庫技術(shù)的應(yīng)用

地下儲油庫被認(rèn)為是相對于儲罐來說更安全的儲存技術(shù)。地下水封油庫安全且儲存量大，很多國家都建了規(guī)模約為300萬m3以上的地下水封原油庫。世界上庫容最大的為韓國麗水的地下油庫，總庫容達到790萬m3。

地下水封油庫就是在地下水位以下的人工鑿巖洞內(nèi)，利用水封作用進行油品的儲存。由于靜水壓力大于儲油的靜壓力，油品被密封[14]。若想很好的利用水封油庫，必須了解地下水位的動態(tài)變化。文獻[15]以黃島地下水封油庫的地質(zhì)條件為依據(jù)，采用非飽和非恒定流數(shù)值分析方法，對地下水封油庫在施工期和運行期的地下水位工況進行了數(shù)值仿真模擬，得到的結(jié)果表明地下水位受巖體滲透系數(shù)、洞穴開挖方式和運行方式的影響。筆者認(rèn)為，地下水封油庫最大的優(yōu)勢就是它的安全性高，據(jù)研究，建地下儲油庫可以使地震減低1°左右。目前還沒有關(guān)于地下儲油庫的事故報道。在我國已經(jīng)實施的國家二期石油戰(zhàn)略儲備計劃中，地下水封洞庫已經(jīng)列入其中，可見其在我國具有很好的發(fā)展前景。

3 結(jié)束語

在可預(yù)期的未來幾十年的中國發(fā)展中，對于油氣資源的需求仍會增長，油氣儲運的發(fā)展也必然向著運用高新技術(shù)，實現(xiàn)安全生產(chǎn)的方向發(fā)展。目前油氣儲運安全技術(shù)需要研究的方面還有很多，比如油氣管線及站場的風(fēng)險評價技術(shù)，含缺陷管道的適用性評價技術(shù)，油氣管線及場站的完整性管理技術(shù)，管道地質(zhì)災(zāi)害的防控技術(shù)，大型油庫或者油罐的安全問題等。我們要充分利用和提高已有的安全技術(shù)，并充分開發(fā)新的技術(shù)解決新的挑戰(zhàn)。

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Research Progress in Security Technologies of Oil and Gas Storage and Transportation

ZHOU Xue-jing
（China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249 , China）

Oil and gas belong to flammable and explosive chemicals, and it is difficult to store and transport them. The frequent safety accidents lead to the higher demand for security technology of oil and gas storage and transportation. In recent years, the security technology has got fast development through experts’ indepth study on relevant technologies. In this paper, research progress in security technologies of the storage and transportation of oil and gas was summarized. Firstly, the present security situation of the storage and transportation of oil and gas was analyzed, and the urgent demand for the security technology was put forward. Then the progress in the security technology was introduced from two aspects of pipeline and station. Finally, research direction of the security technology in future was discussed.

Storage and transportation of oil and gas; Security technology; Pipeline; Station

TE 88

A

1671-0460（2015）08-1865-03

2015-06-06

周雪靜（1990-），女，河北保定人，在讀碩士生，2013年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：油氣管道工藝技術(shù)研究。E-mail：zhouxuejing2009@163.com。