沙特阿美油氣管道地區等級劃分及閥室設置探討

程浩力 鄧東風

1.中國石油工程建設有限公司北京設計分公司, 北京 100085;2.中國石油工程建設有限公司, 北京 100120

0 前言

管道是輸送石油天然氣產品的經濟運輸方式,但在臨近居民區、商業區及生產辦公場所,油氣管道爆炸事故往往導致嚴重的人員傷亡和財產損失。如2013年“11.22”東黃輸油管道泄漏爆炸特大事故造成62人死亡、136人受傷[1];2021年“6.13”湖北十堰市張灣區艷湖社區集貿市場重大燃氣爆炸事故造成26人死亡,138人受傷[2]。輸油氣管道途經居民區、商業區、生產辦公場所等人員密集場所，高后果區及管道完整性管理一直是各國安全管理工作的重點[3-8],線路地區等級及截斷閥室設置在管道完整性管理中占有重要的地位,國內很多學者也進行了長期重點跟蹤研究[9-13]。

近20年來,中國石油大量參與海外油氣田項目投資,并同中東及歐美石油巨頭開展合作,接觸到越來越多的歐美石油企業標準規范。以埃克森美孚、德士古(雪佛龍)、英國石油、殼牌公司等為代表的歐美石油巨頭都是現代石油工業的開創者,其石油工程建設標準經過百年的發展已經非常完善和成熟。全球第一大石油公司沙特阿美作為由雪佛龍、埃克森和美孚等西方石油公司建立起來的企業,自創立至今，經營和技術管理近90年間一直由歐美石油巨頭直接管理，其技術要求融合了石油巨頭的理念,在定性及定量的安全設計要求方面比較詳細,部分條款可實施性較好。本文基于沙特阿美強制性規范SAES-L-410—2018《管道設計》(以下簡稱SAES-L-410)、SAES-B-064—2017《陸上及近海管道安全》(以下簡稱SAES-B-064),研究其在地區等級劃分、截斷閥室設置等方面的規定同ASME B31.8—2020《輸氣和配氣管道系統》(以下簡稱ASME B31.8—2020)、ASME B31.4—2019《液態烴和其他液體管線輸送系統》(以下簡稱ASME B31.4—2019)、GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》(以下簡稱GB 50251)、GB 50253—2014《輸油管道工程設計規范》(以下簡稱GB 50253)、Q/SY 06303.4—2018《油氣儲運工程線路設計規范 第4部分:輸油管道工程閥室》(以下簡稱Q/SY 06303.4)、Q/SY 06303.5—2018《油氣儲運工程線路設計規范 第5部分:輸氣管道工程閥室》(以下簡稱Q/SY 06303.5)和國家管網DEC-NGP-G-GE-002-2020-1《輸氣管道工程線路閥室技術規定》(以下簡稱DEC-NGP-G-GE-002)等相關要求的差別,為油氣管道設計及國內油氣管道安全的定量設計及相關規范完善提供一定的借鑒。

1 地區等級劃分

管道地區等級是確定油氣管道設計系數的重要參數,是管道完整性管理的高后果區識別及管道強度設計時壁厚計算等過程中必不可少的要素[14-18]。現行GB 50251第4.2節“地區等級劃分及設計系數確定”中,參考了美國機械工程師協會標準ASME B31.8、加拿大標準協會標準CSA Z662《油氣管道系統》(以下簡稱CSA Z662)及國際標準化組織標準ISO 13623《石油和天然氣工業 管道輸送系統》(以下簡稱ISO 13623)等規范，按居民住戶(建筑物)密度指數劃分為四個地區等級,并結合中國實際情況對居民住戶(建筑物)密度指數的確定做了一定調整。GB 50251對于居民(建筑物)密度指數確定為:沿管道中心線兩側各200 m范圍內,任意劃分長度為2 km的若干管道區域,按劃定區域內供人居住的獨立建筑物(戶)數。ASME B31.8按任一特定區段內不同的建筑物數量將輸氣管道沿線劃分為四個地區等級，關于區段劃分方式，ASME B31.8第840.2.1條規定、沿管道走向以管道中線為中心的兩側各200 m范圍內，在沿管道中線任意1.6 km區域內(400 m×1 600 m)包含的供人居住獨立建筑物的最大數量，作為確定不同地段地區等級的依據。

沙特阿美油氣管道工程規范SAES-L-410、SAES-B-064等主要是對ASME B31.4及ASME B31.8的補充。SAES-L-410適用于長輸管道、集輸管道等陸上和近岸海底管道設計,作為ASME B31.4和ASME B31.8對管道設計的補充要求。SAES-B-064適用范圍涵蓋長輸管道、集輸管道等陸上管道和近岸海底管道,不適用于場站內及遠海海底管道。SAES-B-064第5.5節規定,依據ASME B31.4和ASME B31.8設計的液體和氣體管道均應采用管道地區等級,地區等級應基于管道破裂暴露半徑(Rupture Exposure Radius,RER)內的人口密度指數(Population Density Index,PDI)劃分。根據SAES-B-064第5.7節,沙特阿美新建管道地區等級具體分類詳見表1。

表1 沙特阿美新建管道地區等級分類表

新建管道地區等級分類應根據RER及PDI確定,由于不同介質及管徑的管道的RER不同,因此,經過同一地區的不同介質及管徑的管道的地區等級也不同。RER是管道全孔破裂時地面H2S質量濃度達到150 mg/m3或可燃氣體達到可燃下限(Lower Flammable Limit,LFL)的1/2時的順風擴散距離,以較大者為準。SAES-B-064規定的默認RER經驗值參見表2～3,為了確定管道地區等級,計算的RER值不得大于此值。除了含硫酸性介質的管道外,RER值并不是人員禁區,它用于計算RER內的建筑物數量以確定管道所在的地區等級。由于默認的RER值相對較大,執行項目時,需要向沙特阿美安全部下屬的止損部提交請示,沙特阿美止損部將會提供項目不同介質及管徑的管道的RER具體值供使用。

表2 低真實蒸氣壓液體的RER經驗值表

表3 氣體及低真實蒸氣壓液體的RER經驗值表

對于非酸低硫的商品天然氣(H2S濃度<24 mg/m3且總硫<460 mg/m3),用以下公式計算RER:

(1)

式中:RRERSW為非酸低硫商品天然氣的RER，m;D為管道內徑,in.(1 in.=25.4 mm);p為管道最大操作壓力,psi(1 psi=0.068 9 MPa)。

為了確定地區等級,SAES-B-064第5.6節對人口密度指數劃分作了進一步規定,要求人口密度指數應采用線路各段現有密度指數值與虛擬密度指數值之和。樓層超過四層的可供人居住建筑物應作為等效建筑物的數量計入密度指數,等效建筑物數量計算方法是將這些建筑物的層數除以3并四舍五入取整。

某地段的現有密度指數應根據位于管道RER內的建筑物數量來確定,以管道中心兩側RER距離范圍內,任意劃分成長度為1 km的若干管段,各管段中的建筑物和等效建筑物的數量就是該管段現有密度指數。在規劃開發的地區,需要根據未來建筑物的預估數量和功能來確定虛擬密度指數,同樣以管道中心兩側RER距離范圍內,任意劃分成長度為1 km的若干管段,區域內規劃開發的土地面積乘以0.000 75并向上取整,得到的整數是該管段的虛擬密度指數。例如,某28英寸(DN 600 mm)非酸性天然氣管道(H2S摩爾含量<1.5%),管道總體位于荒漠地區,管道某處1 km長度的管道兩側1 km距離范圍內形成的1 km×2 km矩形區域內沒有房屋等建筑物,即現有人口密度指數為0,但該范圍內存在某規劃開發的面積為 10 000 m2土地,則該區域內虛擬密度指數為2×10 000×0.000 75=15,考慮未來規劃時,該區域管道地區等級根據表1的分類為二級地區。

GB 50251第4.2.2節及ASME B31.8第840.4節均規定,管道進行設計時,應考慮該地區未來規劃發展情況來確定地區等級。沙特阿美SAES-B-064針對存在發展規劃的地區,直接定義了虛擬密度指數,使設計者可遵從定量標準進行設計,具有較好的可操作性。同時SAES-B-064要求,為了防止后續無序建設及侵占,新建管道鋪設在未開發空地應預留管道RER內的土地,在進行圖紙設計時,RER邊界、地區等級區域之間的邊界和地區等級名稱應在線路平面圖上標出。

2 截斷閥室

線路截斷閥室是降低油氣管道風險及便于管道系統維護的重要保障之一,海外項目普遍采用ASME B31.4、ASME B31.8和ISO 13623，以及國內GB 50253和GB 50251等規范，都對截斷閥室間距做了定量規定,孫芳芳等人[19-21]也對國內外油氣管道閥室設計標準差異進行了研究。

現行GB 50253參照ISO 13623、ASME B31.4、CSA-Z662、澳大利亞標準AS 2885.1《油氣管道設計及施工》、俄羅斯國家標準СниП pk 3.05-01《干線管道設計規范》等的規定,基于國內多年工程建設經驗規定線路截斷閥間距不宜超過32 km。同時對閥室選址,在水域和人口密集區的截斷閥室設置及單向閥室設置做了基本規定。現行GB 50251關于截斷閥室間距的設置基本遵循ASME B31.8的設定,以8 km為基準,針對不同地區等級下相鄰的截斷閥室間距作了規定,并針近年來在中國人口密集地區輸氣管道閥室選址困難的問題,參照加拿大CSA Z662增加了線路截斷閥間距調增規定。中國石油企業標準Q/SY 06303.4按照功能將閥室分為監控閥室、手動閥室、單向閥室和高點檢測閥室,在閥室分類及設置原則、閥室選址、閥室設計條件及設計內容等方面相比GB 50253做了更具體的規定。中國石油企業標準Q/SY 06303.5按照功能將閥室分為普通閥室、監視閥室和監控閥室,對閥室分類及設置原則、閥室選址及建設水平相比GB 50251做了更具體的規定。國家管網標準DEC-NGP-G-GE-002在閥室分類及設置原則、閥室選址、閥室設計及建設水平等方面相關技術要求基本同Q/SY 06303系列標準一致,并結合實際對個別條款進行了增補修訂。

沙特阿美SAES-B-064第8章對線路截斷閥室(緊急隔離閥)做了規定,要求根據ASME B31.4及ASME B31.8設計的管道,應按ASME B31.8規定的閥室間距進行,此外還需要滿足以下幾點要求。

1)ASME B31.8規定的不同地區等級管段之間應安裝緊急隔離閥,具體要求:一級地區同三級地區、四級地區之間;二級地區同三級地區、四級地區之間;三級地區同四級地區之間。

2)對于油氣田生產區內的管徑DN 600及以下的單井管線、集輸干線、測試線、氣舉管線、注水和供水管線等,在一級地區和三級地區等級之間以及在二級地區和三級地區等級之間不需要安裝緊急隔離閥。

3)緊急隔離閥應安裝在較低的地區等級內,至少超出地區等級邊界的1倍RER距離,壁厚較大的管道應延伸至隔離閥。

4)當需要緊急隔離閥時,只能在緊急隔離閥處更改ASME B 31.8地區等級設計。允許將具有較高強度ASME B31.8地區等級設計的管道段延伸到超出所需RER距離的較低地區等級區域,以盡量減少緊急隔離閥的數量。

5)三級地區和四級地區的緊急隔離閥應配備壓力變送器,閥門應具遠程關斷功能。緊急隔離閥的關閉速度應根據管道的水擊特性確定,但總關閉時間不應超過10 min。

根據上述要求的緊急隔離閥位置(截斷閥室)見圖1。

圖1 緊急隔離閥位置示意圖

中國石油Q/SY、國家管網DEC等企業標準相比沙特阿美SAES-B-064標準,對閥室分類及設置原則、閥室選址及建設水平的要求更加詳細。SAES-B-064則對不同地區等級管段之間截斷閥室設置原則做了細致明確的規定,并對三級地區、四級地區設置監控閥室及閥門關斷時間做了明確要求。

3 結論及建議

1)由于中國地域廣闊,地理自然環境及人口密度復雜多變,輸油氣管道的設計面臨著極為復雜的條件,因此以中國石油Q/SY、國家管網DEC等為代表的國內規范對于地區等級劃分、不同類型閥室設置原則、閥室選址、閥室設計條件及設計內容的規定更詳細,GB 50251、GB 50253等對地區等級劃分及線路截斷閥室設置也做了詳細的條文解釋,有助于設計人員開展設計。

2)在地區等級劃分及高后果區識別中,GB 50251、GB 32167《油氣輸送管道完整性管理規范》等國內規范經常提到“地區發展規劃足以改變該地區現有等級時,管道設計應根據地區發展規劃劃分地區等級。”這一規定一定程度上考慮了對未來地區發展的設計預留,但針對標準中的此類定性描述，實際執行過程中常因不同設計人員、不同設計單位的不同設計理念和思路而有所差別。沙特阿美SAES-B-064標準對ASME B31.8的地區等級劃分進行了補充完善,在地區等級劃分時基于不同類型介質的RER、現有密度指數值及虛擬密度指數值等定量標準執行,有利于設計的可操作性及執行的統一性。相關規范修訂過程中可適當借鑒SAES-B-064的地區等級劃分定量化規定思路,結合最新人口普查報告及各省市經濟發展狀況,給出考慮未來發展的虛擬密度指數指標作為設計最低標準,作為地區等級設計時的可參照選項,進一步降低定性描述帶來的不同設計人員理解偏差問題,提高規范的可執行性。

3)由于三級地區、四級地區經濟發展迅速，人口密度增長相對較快,由此可能在未來導致高后果區范圍擴大及地區等級升級帶來的高后果區識別分級提高,沙特阿美SAES-B-064標準關于長輸管道線路截斷閥室位置設置統籌兼顧了地區等級劃分,有利于輔助高后果區重點管控及近遠期一定時間內高后果區的管理和風險控制,避免區域內過早出現管道不能滿足地區等級而導致改線/換管或調整該管段最大操作壓力情況,對相關規范中線路閥室設計時統籌考慮高后果區識別及管理有一定參考價值。