西部成品油管道水擊泄壓保護系統優化

馬光田，邱姝娟，楊軍元，張 曉

中國石油管道聯合有限公司西部分公司，新疆烏魯木齊 830013

隨著我國新建和在役輸油管道數量的逐年增加，確保管道的安全經濟運行是企業的重要任務[1-3]。當管道輸送油品時，由于泵的突然啟停、閥門突然開閉等原因會導致管道內出現瞬變壓力脈動，從而引起水擊現象，可能對管道造成巨大破壞，導致輸油過程的中斷[4-7]。目前國內新建管道的安全保護系統主要采取管道增強保護、水擊超前保護和水擊泄壓保護等三種方法，其中水擊泄壓保護是管道保護中最直接、有效的方法，同時也是當其他保護措施失效時的最后一道屏障[8-9]。當管道增強保護和水擊超前保護系統無法保障管道安全時，系統將通過水擊泄壓閥泄放管道內的油品以達到減小管內壓力的目的，從而防止管道系統受到水擊破壞[10]。因此，水擊泄壓保護系統的可靠性對于管道系統運行安全起著極其重要的作用。本文從水擊泄壓閥失效模式分析入手，汲取了國外管道設計經驗，對西部成品油管道水擊泄壓保護系統進行了優化，這對于保證管道安全運行具有重要意義。

1 水擊泄壓閥常見失效模式及原因分析

水擊泄壓閥根據驅動力類型可以分為先導式泄壓閥和氮氣式泄壓閥[11]。其中先導式泄壓閥是以管道中的壓力作為驅動力，氮氣式泄壓閥是通過氮氣控制系統控制氮氣壓力從而開、閉泄壓閥，以保證管內壓力維持在設定值[12]。在管道行業內，先導式泄壓閥一般應用于油品黏度較低的成品油管道；當油品運動黏度較大（>50 mm2/s） 時，一般考慮采用氮氣式泄壓閥。兩種泄壓閥失效模式及原因為[13]：

（1） 先導式泄壓閥失效的最主要原因是先導式泄壓閥取壓來自管內介質本身，而一旦管內介質中的雜質進入閥門的各部位，則會引起過濾器堵塞、引壓管堵塞、密封面磨損等問題，并最終導致先導式泄壓閥未達設定值泄壓或超過設定值不泄壓這兩種嚴重失效情況，給管道運行安全帶來隱患。

（2） 氮氣式泄壓閥啟閉壓力來自于獨立的氮氣源，不受管道內液體雜質影響。其主要的失效模式有閥體裝配不精確導致的微漏、密封圈老化、氮氣控制柜漏氣等。因此，只要做好定期的檢查和維護，氮氣式泄壓閥的失效率要低于先導式泄壓閥[14]。

綜上，在管道內雜質較少且能滿足定期維護保養的情況下，理論上先導式泄壓閥和氮氣式泄壓閥均能滿足管道安全運行要求。

2 西部成品油管道輸油泵泄壓閥失效情況

西部成品油管道自投產以來，多個輸油泵站出現先導式泄壓閥過濾器堵塞結冰、密封圈失效、濾芯堵塞等問題，具體情況見表1。

表1 先導式泄壓閥失效模式及失效原因

從表1 可以看出，管道水擊泄壓保護系統存在失效現象，因此有必要對其進行優化設計。

3 國內外泄壓系統設置對比

3.1 泄壓系統功能設置

國內已建大型輸油管道均根據GB 50253—2014《輸油管道設計規范》的要求進行泄壓系統設置，即首站出站與中間泵站進、出站以及末站進站均設置泄壓系統[15]。

國外不同管道的泄壓保護系統的設計不盡相同。部分管道設置了泄壓系統，如BTC 管道土耳其段（德國ILF 設計）、阿布扎比原油管道、乍喀管道；部分管道在設計建設時則沒有設置泄壓系統，如BTC 管道阿塞拜疆段和格魯吉亞段（美國Bat 和John Brand 設計）、橫穿美國和加拿大的Keystone 管道、伊拉克格拉夫原油外輸管道工程、伊拉克巴德拉原油外輸管道工程、肯尼亞3#線工程等[15-17]。

3.2 泄壓系統流程設置

國內外泄壓系統的流程設置大體相同，均為在泄壓閥的上游和下游設置截斷閥門，以便于泄壓閥的拆除維修。

對于泄壓閥上、下游閥門類型，國內外均沒有統一規定，有的采用電動閥門，有的采用手動閥門，但均根據規范采用了鎖開（LO） 形式。對于上下游閥門的結構形式，國內管道有的采用了全通徑球閥，有的采用了縮頸球閥；國外公司全部采用了全通徑球閥（FB）。根據API 521—2014 規范，泄壓管道所用閥門應為全通徑[18]。除了泄壓閥上、下游閥門，BTC 管道土耳其段（由德國ILF 設計）和納西里耶油庫（SNC-Lavalin 設計） 在站內主管道和泄壓橇之間還設置了一臺閥門，以截斷主管道和泄壓管道。BTC 管道土耳其段進站設置了2 用1備3 路泄壓閥（泄壓值均相同），出站泄壓采用了2 用+1 旁路方案；國內一般均采用1 路或1 用1備的設置方案[15]。

對于流量開關的設置，國內外管道的泄壓系統均設置了流量開關，一旦泄壓，流量開關將報警信號傳遞至調控室。

對于油庫進站泄壓，由于納西里耶油庫有多條管道進庫，因此在每條泄壓管道上還設置了單向閥門，以防止各條泄壓管道之間互相影響。

4 西部成品油管道泄壓系統優化

4.1 增加站場進站超壓保護程序

西部成品油管道在投產運營時，由于水擊泄壓閥本體故障造成運行壓力沒有達到泄壓值時出現故障泄放。為有效保障對水擊泄壓閥本體失效泄放（無阻力泄放） 進行有效診斷并切斷，在水擊泄壓閥前采用電動球閥，電動執行機構應具備SIL2 安全等級且納入UPS 配電；同時，在各站場進站水擊泄壓閥的泄壓保護系統中增加了進站超壓聯鎖超前保護程序，將進站超壓保護聯鎖設定值設定為比水擊泄壓閥設定值低0.2 MPa 以上，防止進站壓力一直處于高壓運行且未到水擊泄壓閥設定值的情況下可能對水擊泄壓閥的本體安全造成影響，避免出現閥門內漏或不正常開啟事故。改造前后的工藝流程及邏輯示意見圖1 和圖2。

圖1 改造前工藝流程及邏輯示意

圖2 改造后工藝流程及邏輯示意

4.2 提高泄壓系統設備及儀表元件安全等級

在水擊泄壓閥前的管路上設置壓力變送器（PT），壓力變送器應具備SIL2 安全等級。解決了以往用壓力開關受限于數字量信號而本身無檢測功能，在使用中無法檢測失效的問題。壓力變送器是智能型儀表，在安全儀表系統范疇內輸出可檢測到的危險失效率λDD和安全失效率λSD等一系列的診斷信息，能隨時在上位機顯示儀表故障，進行修理和更換。

在實際應用中為保證整個系統的有效性，避免安全失效導致安全相關系統誤動作，與安全相關系統關聯的單元可采用二取一、二取二、三取二或者使用診斷功能等多儀表結構表決機制[19]。其實現過程是使其中一個通道發生失效，通過診斷能對失效的通道報警，在保證安全的前提下繼續工作，等待在規定時間內完成修復，如果不能完成修復再將過程置于安全狀態。

表2 展示了典型表決結構應用效果的比較。由表2 可知，兼顧可用性和可靠性最高的配置是2oo3 表決機制。1oo2 表決機制可靠性很高，但可用性只是設置單獨儀表的一半。

表2 典型表決結構應用效果比較

多通道表決系統要達到高的可靠性和可用性，需注意避免共因失效。共因失效是指在一個系統中由于某種共同原因而引起兩個或兩個以上單元的同時失效[20]，共因失效是冗余系統失效的主要原因，共因失效降低了系統的可靠性和可用性[21]。結合部件失效的原因，減小共因失效可采用差別化設計和物理上對冗余組件進行隔離兩種措施。為提高泄壓系統的可靠性，將泄壓罐液位計和流量開關更換為具備SIL2 安全等級的檢測儀表，由控制系統對水擊泄壓閥前壓力、流量開關、液位計等參數進行邏輯判斷。當水擊泄壓閥前運行壓力低于泄壓閥開啟值時，流量開關或液位計發出液位報警，由站控人員根據實際情況遠程關閉泄壓閥上游電動閥門，截斷泄壓系統，避免冒罐事故，實現水擊泄壓閥前流量開關、液位計組合式聯鎖系統，能有效避免共因失效問題。

5 結束語

西部成品油管道各站場進站增加了超壓保護程序、泄壓閥前手動閥門改為電動、采用三取二壓力變送器的多儀表結構等措施，改造至今未出現因閥門本體或儀表故障導致泄壓閥誤動作事故，有效提高了輸油管道泄壓系統的安全性和可靠性，降低了水擊現象對管路的損害，為“大站管小站、區域中心集中調控”的少人站場、管道區域化管理奠定了有力的設備保障基礎。