密閉原油管道安全分析與防護

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行中，工藝上可能會出現由于管線停輸或者閥門檢維修管道兩端閥門都關閉的情形，從而形成了密閉的容積空間，該密閉空間會隨著環境溫度的變化而變化，特別在南方的夏季，溫升會特別明顯，溫度上升壓力也會隨著增加，若此管道未設置安全閥，又未及時進行消壓的話，一旦壓力超過操作極限值，就有可能造成管道相關閥門密封失效或者管道設備出現損壞，導致跑油事故發生。因此，對于密閉狀態的輸油管道，分析其熱膨脹安全性，加強管理和采取防護措施非常有必要。

1 密閉管道溫度隨環境變化分析

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境因素，不同的管材，物性參數不同，傳熱性不同；受太陽照射的角度、管道顏色、環境風速等不同，管道的溫度效應也會不同。根據傳熱分析，管道和環境間產生的熱量交換Q( W/m2)，主要包括(密閉管內的介質在不流動的情況下，可以假定此時管壁和管內介質為一個整體)[1][3]。

①太陽對管道的輻射傳熱量Q1，與管線的受熱面積和太陽的輻射強度有關。

②管道與周圍空氣的對流換熱Q2，由于空氣流動有利于管道的散熱，因此，不同的風速對流換熱也會有些不同。

③管道向周圍環境的輻射散熱Q3，包括管道向空氣、地面、周圍其他物體的輻射。

當Q1>Q2+Q3時，說明密閉管道總的吸熱大于散熱，這時管道溫度會升高，管道的對流換熱和輻射散熱也會增大，當增大到Q1=Q2+Q3時，管內溫度達到最大，而隨著太陽輻射強度的減弱，Q1

2 密閉管道溫度與壓力的關系及計算

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

①當密閉空間為真空狀態且管道未滿液，則此時管內壓力為油品該溫度下的飽和蒸汽壓，即：

式中： P1為管道內油品的飽和蒸汽壓，是溫度的函數。

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

式中： P為有空氣時的飽和蒸氣壓； P*為是純液真空時飽和蒸汽壓； P1為管內總壓力，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8.314， T為溫度。

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

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

(2)管段滿液時案例分析 某油庫一段外徑為610×10mm的Q245R鋼材密閉管道，操作壓力為2.5MPa，經過高溫照射后，溫度增加了Δt=4℃，初始壓力為P0=0.075MPa，原油的平均膨脹系數b=8.75×(10-4) 1/℃，鋼材的平均膨脹系數b0=1.2×10-51/℃，原油平均壓縮系數a=7.3×10-71/kPa，鋼管的容積增大系數Ω=32×10-81/kPa。

代入上述公式(3)可得

從上式可以看出當溫度升高1℃，管道壓力增大約0.83MPa，溫升4℃后，管道壓力為3.39MPa，遠超過該管道的操作壓力，所以在實際生產過程中對密閉管段滿液時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境，管道材料、輸送的介質，結合理論計算，在實際生產中，我們可以依據現場情況采取相應的安全措施。

①盡量避免密閉管道受太陽直射，保持通風良好。

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

③操作人員應密切監控密閉管道的壓力波動，及時進行泄壓，參考HG/T 20570-95進行安全閥計算，對于充滿原油的管道，當進出口閥門全部關閉時，泄放量可根據吸入的熱量計算，計算公式如下：

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

④工藝設計上出現密閉管道空間時需進行失效評估分析，如有必要，加裝安全泄壓閥。

[1]朱彤，嚴磊,等.燃氣管道溫度場的分析與計算[J].煤氣與熱力，2004，24(1):5-8.

[2]馮肇瑞，楊有啟.化工安全技術手冊[M].化學工業出版社，1993:347-355.

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