密閉原油管道安全分析與防護(hù)

夏蓉(大亞灣華德石化有限公司， 廣東 惠州 510000)

在輸油管道的日常運(yùn)行中，工藝上可能會(huì)出現(xiàn)由于管線停輸或者閥門檢維修管道兩端閥門都關(guān)閉的情形，從而形成了密閉的容積空間，該密閉空間會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化，特別在南方的夏季，溫升會(huì)特別明顯，溫度上升壓力也會(huì)隨著增加，若此管道未設(shè)置安全閥，又未及時(shí)進(jìn)行消壓的話，一旦壓力超過操作極限值，就有可能造成管道相關(guān)閥門密封失效或者管道設(shè)備出現(xiàn)損壞，導(dǎo)致跑油事故發(fā)生。因此，對(duì)于密閉狀態(tài)的輸油管道，分析其熱膨脹安全性，加強(qiáng)管理和采取防護(hù)措施非常有必要。

1 密閉管道溫度隨環(huán)境變化分析

影響密閉管道溫度變化有因素很多，主要有管材管件和外界環(huán)境因素，不同的管材，物性參數(shù)不同，傳熱性不同；受太陽(yáng)照射的角度、管道顏色、環(huán)境風(fēng)速等不同，管道的溫度效應(yīng)也會(huì)不同。根據(jù)傳熱分析，管道和環(huán)境間產(chǎn)生的熱量交換Q( W/m2)，主要包括(密閉管內(nèi)的介質(zhì)在不流動(dòng)的情況下，可以假定此時(shí)管壁和管內(nèi)介質(zhì)為一個(gè)整體)[1][3]。

①太陽(yáng)對(duì)管道的輻射傳熱量Q1，與管線的受熱面積和太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度有關(guān)。

②管道與周圍空氣的對(duì)流換熱Q2，由于空氣流動(dòng)有利于管道的散熱，因此，不同的風(fēng)速對(duì)流換熱也會(huì)有些不同。

③管道向周圍環(huán)境的輻射散熱Q3，包括管道向空氣、地面、周圍其他物體的輻射。

當(dāng)Q1>Q2+Q3時(shí)，說(shuō)明密閉管道總的吸熱大于散熱，這時(shí)管道溫度會(huì)升高，管道的對(duì)流換熱和輻射散熱也會(huì)增大，當(dāng)增大到Q1=Q2+Q3時(shí)，管內(nèi)溫度達(dá)到最大，而隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的減弱，Q1

2 密閉管道溫度與壓力的關(guān)系及計(jì)算

(1)密閉管道溫度與壓力的關(guān)系 密閉管道在正常狀態(tài)下是以氣液兩態(tài)并存的。隨著溫度升高，除了管內(nèi)氣體的飽和蒸汽壓增大外，管道內(nèi)原油由于受熱膨脹，管內(nèi)壓力也會(huì)升高，管內(nèi)留有的氣相空間就會(huì)慢慢變小直至真?zhèn)€管段充滿介質(zhì)，下面將分別就當(dāng)管線處在真空不滿液、非真空不滿液、滿液狀態(tài)下隨著溫度的變化管道所受壓力情況。

①當(dāng)密閉空間為真空狀態(tài)且管道未滿液，則此時(shí)管內(nèi)壓力為油品該溫度下的飽和蒸汽壓，即：

式中： P1為管道內(nèi)油品的飽和蒸汽壓，是溫度的函數(shù)。

②當(dāng)管段不滿液且存在不溶于原油的氣相(如空氣)時(shí)，管內(nèi)壓力為管內(nèi)原油飽和蒸汽壓和空氣分壓的和，計(jì)算公式如下：

式中： P為有空氣時(shí)的飽和蒸氣壓； P*為是純液真空時(shí)飽和蒸汽壓； P1為管內(nèi)總壓力，即飽和蒸汽壓和空氣分壓的和； Vm(1)為是原油的摩爾體積； R是常數(shù)8.314， T為溫度。

③對(duì)于滿液的密閉管道，一旦液體脹滿了管道全部空間以后，膨脹即轉(zhuǎn)為壓縮。由于液體壓縮性很小，以致反作用于管壁的壓力會(huì)劇烈增高。也就是說(shuō)，當(dāng)密閉管道充滿油后，隨溫度變化的壓力值與介質(zhì)的膨脹系數(shù)成正比，與壓縮系數(shù)成反比。而油品的壓縮系數(shù)(×10-7)與膨脹系數(shù)(×10-4)相比存在數(shù)量級(jí)的差別，所以一旦管道充滿油之后，管道壓力就會(huì)隨著溫度的變化急劇上升，計(jì)算公式如下[2]。

式中： P1為管道滿液后溫升Δt壓力； P0為管道初始?jí)毫Γ籦為原油的平均膨脹系數(shù)1/℃； b0為管材的平均膨脹系數(shù)1/℃； a為原油的平均壓縮系數(shù)1/atm； Ω為壓力升高時(shí)管道的容積增大系數(shù)1/atm； Δt為溫度變化值℃。

(2)管段滿液時(shí)案例分析 某油庫(kù)一段外徑為610×10mm的Q245R鋼材密閉管道，操作壓力為2.5MPa，經(jīng)過高溫照射后，溫度增加了Δt=4℃，初始?jí)毫镻0=0.075MPa，原油的平均膨脹系數(shù)b=8.75×(10-4) 1/℃，鋼材的平均膨脹系數(shù)b0=1.2×10-51/℃，原油平均壓縮系數(shù)a=7.3×10-71/kPa，鋼管的容積增大系數(shù)Ω=32×10-81/kPa。

代入上述公式(3)可得

從上式可以看出當(dāng)溫度升高1℃，管道壓力增大約0.83MPa，溫升4℃后，管道壓力為3.39MPa，遠(yuǎn)超過該管道的操作壓力，所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中對(duì)密閉管段滿液時(shí)溫度和壓力的控制非常重要。

3 安全措施

影響密閉管道的熱膨脹的因素很多，其中起主要作用的是外界環(huán)境，管道材料、輸送的介質(zhì)，結(jié)合理論計(jì)算，在實(shí)際生產(chǎn)中，我們可以依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采取相應(yīng)的安全措施。

①盡量避免密閉管道受太陽(yáng)直射，保持通風(fēng)良好。

②停輸或者檢維修時(shí)，在條件允許的情況下，盡可能的排空密閉管道空間的原油(特別是輕質(zhì)原油)，若排空后仍出現(xiàn)壓力上升的情況，考慮前后閥門是否失效，進(jìn)行切斷處理。

③操作人員應(yīng)密切監(jiān)控密閉管道的壓力波動(dòng)，及時(shí)進(jìn)行泄壓，參考HG/T 20570-95進(jìn)行安全閥計(jì)算，對(duì)于充滿原油的管道，當(dāng)進(jìn)出口閥門全部關(guān)閉時(shí)，泄放量可根據(jù)吸入的熱量計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中： V為體積泄放流量，m3/h； B為原油平均體積膨脹系數(shù)，1/℃； H為管道每小時(shí)的吸熱量，kJ/h； G1為原油密度，kg/m3； CP為定壓比熱，kJ/(kg℃)。

④工藝設(shè)計(jì)上出現(xiàn)密閉管道空間時(shí)需進(jìn)行失效評(píng)估分析，如有必要，加裝安全泄壓閥。

[1]朱彤，嚴(yán)磊,等.燃?xì)夤艿罍囟葓?chǎng)的分析與計(jì)算[J].煤氣與熱力，2004，24(1):5-8.

[2]馮肇瑞，楊有啟.化工安全技術(shù)手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，1993:347-355.

[3]常征.油品管道設(shè)置熱膨脹安全閥探討[J].煉油技術(shù)與工程，2009，39(8):58-61.