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输油管道

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  输油管道(也称管线、管路)是由油管及其附件所组成,并按照工艺流程的需要,配备相应的油泵机组,设计安装成一个完整的管道系统,用于完成油料接卸及输转任务。

  输油管道系统,即用于运送石油及石油产品的管道系统,主要由输油管线、输油站及其他辅助相关设备组成,是石油储运行业的主要设备之一,也是原油和石油产品最主要的输送设备,与同属于陆上运输方式的铁路和公路输油相比,管道输油具有运量大、密闭性好、成本低和安全系数高等特点。

  输油管道的管材一般为钢管,使用焊接和法兰等连接装置连接成长距离管道,并使用阀门进行开闭控制和流量调节。输油管道主要有等温输送、加热输送和顺序输送等输送工艺。管道的腐蚀和如何防腐是管道养护的重要环节之一。目前输油管道已经成为石油的主要输送工具之一,且在未来依旧具有相当的发展潜力。

  企业内部输油管道主要是指油田内部连接油井与计量站、联合站的集输管道,炼油厂油库内部的管道等,其长度一般较短,不是独立的经营系统。

  数百、数千公里,单管年输油量在数百万吨到数千万吨之间,个别有达1亿吨的,管径多在200mm以上,如今最大的为1220mm。其起点与终点分别与油田、炼油厂等其他石油企业相连。由输油站(包括首站、末站、中间泵站及加热站等)和管道线路两大部分组成。后者包括干线管道部分,及经过河流、峡谷、海底等自然障碍时的穿跨越工程,为防止管道腐蚀而设的阴极保护系统,为巡线、维修而建的沿线简易公路和线路截断阀室。输油企业大多还有一套联系全线的独立的通信系统,包括通信线路和中继站。

  原油管道主要是指输送原油产品的管道,它和成品油管道是有区别的。如今在我国运行的主要原油输油管道是中俄原油输油管道和中亚原油输油管道。

  成品油输油管道是长距离输送成品油的管道,如今在我国有多条成品油输油管道已经在运营中或在建中,主要有:兰成渝成品油输油管道、兰郑长成品油输送管道以及港枣成品油输送管道等。

  固定的输油管线多用碳素钢管,碳素钢管按其制造方法可分为无缝钢管和焊接钢管,无缝钢管又分为热轧和冷拔两种,通常的碳素钢管都是采用沸腾钢制造,温度适用范围为0~300℃,低温时容易脆化,采用优质碳素钢制造的钢管,温度适用范围则为-40~450℃,采用16Mn钢,温度适用范围低温为-40℃,高温则可达475℃。

  耐油胶管有耐油夹布胶管,耐油螺旋胶管和输油钢丝编织胶管之种,都是由丁腈橡胶制成。并分压力、吸入和排吸三种不同情况用途,正压输送应选用耐压胶管,负压输送则选用吸入胶管,有可能出现正负压力时则需选用排吸胶管。

  长距离的输油管道由输油站和管线两个大部份组成。管道的起点是一个输油站,通称为“首站”,油品

  或原油在首站被收集后,经过计量后,再由首站提供动力向下游管线输送。首站一般布设有储油罐输油泵和油品计量装置,若所输油品因粘度高需要加热,则亦设有加热系统。输油泵提供动力使得油品可以沿管线向终点或下一级输油站运动,一般情况下,由于距离长,油品在运输过程中的能量损失明显,需要多级输油站提供动力,直至将油品输送至终点。终点的输油站通称“末站”,主要是负责收集上游管线输送而来的物料,因此也较多配有储罐和计量系统。

  长距离的输油管道系统的管线部份主要由以下设备组成:管道本身主体;沿线的阀门及其控制系统;通过河流、公路、山地的穿越设施;阴极保护装置以及简易道路、通讯系统、工作人员的住所等。长距离的输油管线由钢管焊接而成,管外包裹有绝缘层物质以防止土壤中的腐蚀性化学成份对管线本体造成侵蚀,管线本体内部还可内涂防腐材料以减少输送的油品本身对管线的腐蚀和提高管线管线的光滑度以加大运输量。每隔一定的距离或跨越大型障碍物时,管线都设有阀门,用以发生事故时阻断物料,以防止事故的扩大及方便维修设备。通讯设备是用于输油管道的输转调度的重要指挥工具,随着通讯卫星和自动化技术的发展,相关技术已经大量运用于油品的管道输送中。

  输油管道所用的管材主要为碳素钢管,按照其制造工艺又可分为无缝钢管和焊接钢管。无缝钢管具有强度高,规格多等特点,因此适用于腐蚀性较强的油品或者高温条件下的输送。无缝钢管又分为热轧和冷拔两种。由于冷拔加工会引起材料硬化,因此还需要依据管材的具体用途做相应的热处理。焊接钢管可分为对缝钢管和落选焊接管两种。由于碳素钢管的工艺特性导致了此种钢管在低温时候容易变脆,因此主要适用于常温管线,管材的使用温度也不宜超过300摄氏度,一般而言普通碳素钢管使用温度介于0至300摄氏度之间。若采用优质碳素钢管,则温度应用范围和放宽达—40至450摄氏度。钢管的实验压力一般为公称压力的1.5倍。当所输送物料的温度不超过200摄氏度时,工作压力就是公称压力。当温度超过200度是工作压力应相应低于公称压力。

  钢管的外直径一般用大写字母D表示,其后面附加外径的数值,如:外直径为400mm的钢管用D400表示;钢管的内直径用字母小写d表示,其后附加内径数值,如内直径为300的钢管表示为d300;钢管的规格一般用“Φ外径×壁厚”表示,如外径为400mm,壁厚为6mm的管道表示为Φ400×6。常用钢管规格如下表所示:

  公称直径:公称直径是为方便管道的设计、建设与检修所规定的一个标准直径。一般而言,公称直径与管道的实际内径或外径都不相等,而是一个与内径较接近的整数值。公称直径用符号“DN”表征,其后附加具体的数值,例如:公称直径为600mm的输油管道表示为“DN600”。公称直径也常常使用“寸”作为单位,1寸=25.4mm ,为方便转换操作上一般取“1寸≈25mm”,DN600的输油管道就可以称为“24寸”。

  压力参数:管道的压力参数有“公称压力”、“试验压力”和“工作压力”三项,公称压力如同公称直径是方便工程的名义压力参数,表示为PN,如公称压力为1.6兆帕的管道,记:“PN1.6MPa”,公称压力还可用千帕(KPa)和帕(Pa)作为量纲,换算关系如下:1MPa=1000KPa=1000000Pa;试验压力是对管道的强度和抗压性能进行测试所使用的压力,永Ps标记,为了保证管道的使用安全,试验压力要求高于公称压力;工作压力是指管道在实际应用中所承受的压力。

  输油管道须使用一定的链接方式才能构成一个完整的系统。管道的连接方式主要有丝扣、焊接和法兰连接三类。压力不高,管径不大的管路可以采用丝扣的方法连接,此种连接方法较为方便,但由于多数主干输油管线管径一般都较大,因此多采用其他两种连接方法。DN≥50的管路基本采用焊接的方法连接,焊接具有施工方便、坚固、严密和节约钢材等优点,一般直管或者弯路上不需要拆卸的部位都可采用。管道和阀门或者其他设备(如:泵)连接处以及管道需要拆卸的地方都采用法兰连接,为保证法兰连接处的严密性,也在法兰两侧都需要使用相对质软的法兰垫圈进行辅助。法兰依据制作工艺主要可分为平焊、螺纹、对焊、松套和盲板等几种类型,除了盲板法兰之外都是用于管路之间互相连接,若需要连接不同直径的管路,也可采用两头直径相对应的变径法兰。盲板法兰用于管路顶头一端的封闭,因此设计能承受较大的弯曲应力。

  阀门是用于开启、关闭或者控制管道内介质流动的机械装置。阀门的种类繁多,分类方法也有多种。若按用途划分,可分为截断阀、止回阀、分配阀等;若按压力区分可分为真空阀(工作压力小于标准大气压)、低压阀(PN≤1.6MPa)、中压阀(PN=2.5—6.4MPa)和高压阀(PN=10—80MPa)。若按驱动方式可分为手动阀、动力驱动阀和自动阀,还有按温度或者材料等等不同的分类方法。闸阀是阀底座和阀板平等,阀板通过手轮随阀杆垂直上下运动,以此切断或开通管道,同时可调节管道的开通比例。由于闸板的特性,一般应用时,闸阀多为全开或全闭调节,较少用于流量调节,但闸阀具有密封性能好和维修方便的优点。截止阀的阀芯垂直落于底座上,阀座与管路中心线平行,流体在阀体内呈“S”形态流动,流体阻力较大,截止阀一般用于流量调节,且具有制造和维修方便的有点,但关闭时容易渗漏,密封性不如闸阀。

  在长距离输送管道的铺设中,沿线须安装阀门,且间距不应超过32km,若管线途经人烟稀少地区则可以适当放宽。埋地输油管道沿线在穿跨越大型河流、湖泊、水库和城镇等人口密集地区的管道两端或根据地形条件认为需要,均须设置阀门。截断阀的设置位置应不受地质灾害及洪水影响,且要满足交通便利、检修方便的需要,并应设保护设施。

  长距离的输油管道由输油站和管路两部分组成,长度可达数百公里甚至更长,沿线设有首站、若干个中间站和末站。同一种油品在管线内流动所消耗的能量由输油站提供,因此需要了解不同情况下管道的工艺特性以确定具体的设备情况。输送轻质油品(如汽油、航空煤油柴油等)的管道,由于介质粘度小、流动性好,因此沿线不需要加热,介质和管道的温度与周围土壤温度相等,此种输油管道被称为“等温输油管道”,此种工艺无需考虑热力学因素,仅仅需要从流体力学的角度评估与管道所需压力平衡的泵站所提供的动力。当所输送的介质为易凝固、高粘度(如:蜡含量较高的中国大陆之大庆油田的产油)时,若其凝点高于管道周围的环境温度或者环境温度下粘度很高时,无法直接使用等温法输送,因为过高的粘度会使得管道的压降大大增加,不仅会耗费大量动力且有安全隐患,因此须采用加热输送的方法以达到降低粘度、较少摩阻的效果。加热系统伴随在管道的外壁,保持管道的温度达到输送的需要。为了使得加热管道的能量能够较少损失,一般加热输送的管道都需要包裹保温设备,保温设备包裹管道和加热系统也称为保温层,保温层的物质应具有较差导热性,且必须具有耐高温、抗腐蚀、耐振动和吸水性弱、化学稳定性好等特点,一般为柔软的非金属混合材料(如:玻璃棉毡等)。保温层外还需要有保护装置以保护,最常用的是镀锌铁皮。

  顺序输送是在一条管道内,按照一定批次和顺序,连续地输送不同种类的油品的输送方法,亦称为“交替输送”或者“混油输送”。顺序输送可以最大限度地利用管道的运能,以此节约成本增加效益,并减低铁路等其他运油方式的运输压力,因而在美国和俄罗斯等国家被广泛应用。中国也有部分管道尤其是军用的输油管道使用顺序输送工艺。顺序输送主要的工艺难点在于不同种类油品依次输送时所产生的混油的处理,以及如何尽量减少混油的产生,减少混油可以采用使油品在输送过程中保持湍流流态和使用机械装置或凝胶隔离的方法实现,其中使用凝胶隔离是目前更具发展潜力的有效方法。

  由于输送的油品中含有硫元素和酸性物质,外加管道裸露在露天遭受风吹雨淋,导致管道易被腐蚀。管道腐蚀主要有以下几种:由原电池原理而导致的钢铁吸氧腐蚀;由于酸雨导致管道表面极具酸性的硫化物(二氧化硫和硫化氢)而导致的析氢腐蚀;大气降水导致的二氧化碳酸性腐蚀;管道表面能够代谢硫酸盐的细菌导致的细菌腐蚀和管道内积水导致的腐蚀等,其中吸氧腐蚀是最多的腐蚀情况,原理如下:

  由于管道腐蚀的成因与条件不尽相同,因此管道防腐依据不同的腐蚀情况也有以下几种不同的方法:合理选材,依据不同的输送介质和环境条件选择不同种类的材料;阴极保护,就是外加直流电源,是原本为阳极的管道金属本身变为阴极而得到保护,或者可以将化学活性相对更为活泼的一种金属附加在管道上,使两者构成原电池,此时更活泼的金属被腐蚀而管道本身则得到保护;介质处理,包括除去介质中腐蚀性强的成分或调解其PH值;金属表面添加防腐涂层(如:油漆)以此隔绝钢材制管道和空气中的氧气接触,以此达到保护效果;添加“缓蚀剂”,缓蚀剂是添加于金属设备中用于减缓腐蚀的一种专用添加剂,由于用量小、投资省和效果明显等优点,是管道及其他领域防腐技术的重点发展方向,缓蚀剂的防腐蚀原理可描述为反催化,即和化工生产中所使用的催化剂原理相反,缓蚀剂会提高化学反应所需的活化能,以此减慢腐蚀反应的发生速度。

  单管系统、双管系统、独立管道系统输油管道的敷设,为了减少阻力,一般都尽量采取直线敷设其方法有地上、管沟和地下三种,在油库围墙以内的管道,都应在地上敷设,原已埋在地下的管道或已敷设在管沟里的管道,要结合油库的技术改造,亦应尽可能的逐步地改为地上敷设,围墙以外的输油管道,为了不妨碍交通和占用农田,一般都把管道经过防腐处理后直接埋在地下,深度为0.5~0.8m。

  如今,我国输油管道建设如火如荼,但现有大型输油管道总长不过3.5万公里。专家预计,未来10年我国将实现汽油、柴油煤油等成品油全部利用管道进行输送。欲要完成上述目标,平均每年都要新建2万公里各类输送管道,我国输油管道建设将会迎来新的高潮,并将体现出以下特点:

  当其他条件基本相同时,随管径增大,输油成本降低。在石油资源丰富、油源有保证的前提下,建设大口径管道的效益会更加明显。而提高管道工作压力,可以增加输量、增大站间距、减少站数,使投资减少、成本降低。因此,采用大口径、高压输送是管道工程发展的趋势。我国现有原油管道最大管径720毫米,例如鲁宁线毫米。我国目前天然气管道直径最大的是西气东输管线毫米,而国外最大已达到1400毫米以上。我国在管道建设的口径和压力上,与世界水平相比,还有较大差距。

  我国建成最早的原油管道是克拉玛依—独山子原油管道,简称克-独原油管道。该管道长147.2公里,管径159毫米,设计压力为7.0MPa,输送能力为53万吨/年,于1959年1月建成投产。

  我国最长的原油管道是西部原油管道。该管道起于乌鲁木齐王家沟首站,止于兰州末站,干线年6月建成投产。

  我国管径最粗的原油管道是日照-仪征原油管道。该管道北起山东日照,南达江苏仪征,长390公里,管径914毫米,设计压力8.5MPa,近期设计输量为2000万吨/年,远期设计输油量为3600万吨/年,于2011年10月10日建成投产,所输油品为海上进口原油。

  美国石油生产量大,同时因为消费也大,因此也是石油进口大国,该国的成品油管道发展情况具有极大的借鉴意义。美国在建设原油管道的同时,也十分重视成品油管道的建设规模和效率。

  近年来,美国原油产量水平在稳健发展,从1950年的2.67亿吨,发展到1970年的4.75亿吨,之后每年原油产量基本在4亿吨左右。随着现代化的进程,美国的石油消费量也在不断增加,从1950年的3.25亿吨,增长到2000年的8.97亿吨。在此背景下,成品油管道得到快速发展,每年都会有新增的成品油管道公里数,到上世纪80年代成品油管道长度已超过原油管道长度。

  美国成品油管道具有先进性,不仅仅因为它的总长度较长,而是在于管道的长距离和大口径,具有进油点多,输油量大的特点。在美国100家液体管道公司中,年输量超过2500万立方米的公司有10家。其中,1964年底建成单线年建成复线的科洛尼尔成品油管道系统,总长度8008公里,最大管径1016毫米,有很长的供油段,共5个油品输入站和37个分输站向支线分流,双线万吨,可顺序输送各种成品油100余种,成为世界上最大的成品油输送管道。

  法国成品油管道总长度6750公里,共有4条大型成品油管道系统,以及大量地方成品油管道(约20多条),其中最大的成品油管道是1953年投入运行的特拉庇里公司的成品油管道系统,包括3条干线万吨/年。该系统把勒俄弗尔和塞纳河中部地区17个炼油厂(原油年加工能力5850万吨)与巴黎地区、诺曼底、奥尔良和图尔地区的分配油库和转运油库连接起来。

  英国第一条商用成品油管道于1960年建成投产,70年代以后成品油管道得到长足发展。1979年成品油管道里程达到1980公里,1980年以后,成品油管道运输进一步发展,成品油运输结构发生变化,到1986年管道占36%、公路占28%、水运占31%,管道输送成品油份额已位居首位。

  加拿大成品油管道也很发达。1980年成品油管道长度已达4800公里,从1960年到1980年的20年间几乎增加了1.5倍。成品油管网自西向东横贯加拿大工业发达和人口稠密地区。加拿大最大的成品油管道是省际管道,该管道长6000多公里,最大口径为864毫米,输送油品多达65种,成品油除供应本国外,还向美国出口。

  建议上游行业加快输油管道专用钢材设塑料的研发和稳定生产,促进加工设备和模具行业的技术进步,提高生产的稳定性以及提高生产效率,以降低成本;实现上下游行业的多赢发展。

  对下游的应用领域要加强服务,以提高输油管道工程的质量,提高信誉,促进应用。建议强化工程标准的执行力度,重视工程应用基础技术研究,提高和保证输油管道产品以及工程应用质量。组织编制有关产品的应用手册,加强对技术人员、施工人员的技术培训和教育,加强标准、规范的学习与宣贯,努力配合提高工程质量,促进输油管道的更好应用。

  建议加强行业自律,完善质量保证体系,建议实行质量监督制度,对产品实行推广认定、监督检查和进场复查,防止假冒伪劣产品用于应用领域,引导规范市场行为。要提高技术水平、质量水平、产品档次,提高与其他传统管道相比的竞争能力。生产企业不参与无序竞争,不以低于成本价参与恶性竞争;继续推进PVC-U输油管道的禁铅工作;加强生产企业的出厂检验制度的执行,同时建议用户选择合格产品。对生产企业的工艺装备、生产规模、检测手段和质保体系做出规定,加强对企业的产品质量进行监督抽查;组织扶持优质产品的工作,稳定与扩大优质产品的市场;制订打击和取缔伪劣产品的管理办法,以有效制止伪劣产品的应用。

  输油管道行业突出的问题之一是质量水平参差不齐,有的企业使用低档的加工设备、低档原料、不合格原料以及填充料等方式降低成本,假冒伪劣产品严重危害输油管道企业的信誉。由于输油管道市场还不规范,相关部门对市场流通的产品质量监督管理力度不够,而且市场上的产品质量状况不容乐观,个别假冒伪劣产品混入市场、流入工程,影响了输油管道产品的声誉和发展。一方面很多输油管道企业,特别是一些骨干大企业,产品质量达到国际标准的要求;另一方面在市场上、工地上充斥着大量质量低劣的产品。出现这种情况根本的原因在我国市场经济的体制还不完善,至今还没有建立起质量责任制和索赔制。

  世界各国尤其是盛产含蜡粘性原油的大国,都在大力进行长距离管道常温输送工艺的试验研究。随着含蜡高粘原油开采量的增加以及原油开采向深海发展,各国都特别重视含蜡高粘原油输送及流动保障技术研究。

  挪威、法国、英国、美国等石油工业发达国家在含蜡高粘原油流变性及其机理、管道蜡沉积预测等方面达到很高水平,并即将带来应用技术的新突破。

  日前管道监控技术上要分为泄漏后报警技术和开孔前预警技术两种。其中,从管道防护角度,泄漏后报警技术己不符合管道安全生产的要求,其报警滞后,定位不准,已被盗窃分子掌握规律等弱点被生产实践证明,不是未来发展主流。而开孔前预警技术则是21世纪发展起来新技术研发领域,它又要分为场式监控(红外、微波、磁场感应电缆、泄漏电缆等技术)和感知监控(光纤振动、分布式光缆、磁感应振动电缆、声波探测、地震仪监控等技术)。场式监控重在监控人的进入,感知监控重在监控。人的行为,场式监控只能川于短时问小范围内的监控,感知监控可以用于长距离的长时间不问断监控。

  但是由于感知监控只能感知外界的作用对管道或大地产生的间接影响,这些问接影响能否被感知到,不仅决定于技术本身,还决定于盗油分子防范措施,受这些的因素的影响,使得系统难以分辨外界作用的属性,容易产生误报和漏报,致使这些技术在实际应用。受到了各种各样的技术限制,不能获得良好的应用效果,表明了定位感知监控思路还存在根本性的问题。

  杨筱蘅、张国忠. 《输油管道设计与管理》. 东营: 石油大学出版社. 1996年8月: P1—P2.

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  鲍群 王强 罗根祥 时维振. 输油管道缓蚀剂现状与发展趋势. 辽宁省抚顺市辽宁石油化工大学石油化工学院: 化工文摘2007年第3期.

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