管輸航煤固體顆粒物污染發展規律研究

李強，邱姝娟，伍奕，歐陽波，李維嘉，劉鵬，宮敬，王雨墨*

1 國家管網西部管道公司，烏魯木齊 830011

2 中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室/石油工程教育部重點實驗室/城市油氣輸配技術北京市重點實驗室/石油燃料商品聯合實驗室，北京 102249

0 引言

航空煤油作為飛機的燃料，對其潔凈度有很高的要求。飛機的燃油控制系統十分精密[1]，固體顆粒一旦進入飛機油箱，不僅會堵塞飛機發動機的過濾器和噴油口，還會導致關鍵部件磨損[2]。因此，航空煤油中混入的固體顆粒物會對飛機飛行安全造成很大威脅。國家標準GB6537-2018[3]對航空煤油的潔凈性進行了嚴格的規定，其中固體顆粒污染物含量不能超過1.0 mg/L。在管道輸送過程中，由于航空煤油屬于“洗油”，易將雜質從管壁上沖刷下來，輸送航空煤油管道如果清管不及時，容易發生污染事故[4-5]。例如2000年11月，鎮杭成品油管道在輸送航煤過程中，由于管道內存在淤泥、砂石等固體雜質，導致油庫接收的航煤銀片腐蝕不合格[6]。航空煤油在管輸過程中固體顆粒物的來源主要包括：施工時未清理徹底的雜質[7]，老舊管道內壁的銹蝕[8]，管道低凹處積累的泥沙等。同時，固體雜質可能堵塞過濾器、輸油泵等關鍵設備，縮短了設備的壽命，提高了運輸成本[9-10]。設備堵塞后，管道必須緊急停輸，頻繁的停輸將導致油品不能按時到達分輸點，下游市場不能及時交付，影響輸油批次計劃的完成[11-13]。此外，固體顆粒被高速度高壓力的油流攜帶，流經彎管及閥門時容易發生沖蝕，可能造成管道壁面損害[14]。因此，從質量保障、輸送連續性、管道安全角度來說，在管道輸送過程中需要對航空煤油的固體顆粒物含量加以控制，并通過適當清管清理管道內的雜質。

目前，針對航煤在儲運過程中的質量問題，國內外學者主要針對航煤中微生物的生長進行了大量研究，結論普遍顯示停輸時管道中的水分將導致微生物生長，而微生物生長繁殖會產生含硫物質和表面活性物質，導致航煤銀片腐蝕、水分離指數等指標不合格[15-21]。但之前國內外公開發表的研究中，多集中于分析航煤在儲罐中或飛機油箱中靜置時固體顆粒物發展及微生物生長情況，針對長輸管道航煤質量變化的研究不多。且由于條件的限制，多采用實驗室中的掛片浸泡實驗方法，所得結論相對間接，忽略了管網結構、輸送歷史對實驗結果的影響。

2013年5月，西部某油庫在收油化驗時，發現某批次航煤固體顆粒物含量超標。但由煉廠出具的化驗單知，航煤在進入管道前固體顆粒物含量并未超標，推測是在管道輸送過程中混入了固體雜質。從煉廠到油庫的輸送管線走向呈Y型，穿越沙漠、戈壁，管徑為273 mm，全程沒有變徑。管線沿程地形起伏較大，其中一條支線為連續下坡管道，長度為78 km，另一條支線為上坡管道，長度95 km。兩條支線連接兩個煉廠，在泵站匯合后通過190 km的干線管道輸往末站油庫。此外，因兩條支線共用一條干線，兩條支線會不定期停輸，停輸時航煤在管中靜置。因此對于末站油庫來說，不同油源輸送歷史、不同支線干線管段、不同污染物來源均可能對航煤的固體顆粒物質量指標產生影響，采用以外文獻報道方法難以確定雜質污染的來源管段和發展規律。

因此，為了研究生產現場人員關心的固體顆粒污染物隨管道輸送的變化規律這一問題，尤其是根據管網結構，通過實驗方法確定污染物來源，以對污染管段進行針對性處理，同時確定實際生產管線停輸時航煤質量的變化情況，為確定清管頻率、保障航煤管輸質量提供數據支撐，本文通過在線浸泡實驗的方法研究實際管輸航煤變化情況，選取實際運行的長輸成品油管道進行實驗，研究航煤在長輸過程中固體顆粒物污染的變化規律，并且直接從停輸管道中取樣監測，使實驗結果更貼合生產實際，能夠更好的顯示航煤中固體顆粒物含量的變化發展情況，對長距離管道輸送航煤的質量管理具有更好的參考作用。

1 管網基本情況

1.1 煉廠A—油庫A成品油管道

管道起點位于煉廠A，終點在油庫A，全長285 km，管徑為Φ273，管道設計工作壓力6.4 MPa，設計輸量150 萬t/a。目前主要輸送0#柴油、-35#柴油和航煤。

1.2 煉廠B—泵站A成品油管道

管道起點為煉廠B，終點為泵站A，全長78 km，管徑為Φ273，管道設計壓力為6.4 MPa，設計輸量100 萬t/a。目前主要用于輸送-35#柴油和航煤。

1.3 油源分析

圖1 本文所述管網的基本情況Fig. 1 The basic situation of the pipe network described in this article

為了分析兩個煉廠的油源情況與各自航煤經過管輸后到達油庫時的質量變化情況，對煉廠A抽取了20 個出廠檢驗單作為樣本，對煉廠B抽取了29 個樣本，分別統計出其固體顆粒物指標的分布情況，總結如下圖(圖2)所示：圖中，縱坐標為統計頻數，橫坐標為固體顆粒物數值，紅色柱圖為煉廠出廠航煤檢測單，藍色柱圖為經過管輸到達油庫A后的收油檢測單。從圖中可以看出，煉廠A生產航煤的固體顆粒物含量為0.206±0.0075 mg/L，煉廠B生產航煤的固體顆粒物含量為0.1086±0.0057 mg/L，均符合國標，并且質量潛力很大。煉廠A和煉廠B生產的航煤在出廠時，固體顆粒物分布均比較集中，呈標準差很小的正態分布趨勢。經過管輸后，兩種油源的固體顆粒物含量均大幅提高，其中，煉廠A航煤經過輸送，固體顆粒物均值上升了0.322 mg/L，分布有所變寬，但幅度不大。而煉廠B航煤經過輸送，固體顆粒物均值上升了0.220 mg/L，其分布大大變寬，失去了正態分布特征，且出現了異常增大的極值。

圖2 航煤油品質量檢測單中固體顆粒物指標統計圖Fig. 2 The statistical chart of solid particles in the oil quality inspection list

2 實驗方案與實驗結果

2.1 離線浸泡實驗

為了初步確定煉廠A和煉廠B生產的航煤經過管道輸送到達油庫A時，航煤中攜帶的固體顆粒物數量及其隨沉降時間的變化規律，首先在油庫A內進行離線浸泡實驗(實驗a)(圖3)：將一根干凈的管段按指定的埋設地點、埋設深度埋入末站附近地下，地面上留出注入點及取樣點，取樣點在管段頂部。當某煉廠生產的航煤經管輸進入末站后，從油罐進口閥處取樣，將取出的油樣從注入點注入埋地管段中浸泡，在固定的時間節點：12 h、24 h、48 h、96 h，從管段的取樣點取樣，測量油樣的質量指標。此外，在油罐進口閥處取樣時，油樣除了注入埋地管段外，另處取一份油樣化驗，作為沒有浸泡的空白油樣。浸泡實驗的結果如下圖(圖3)所示。圖中，紅色虛線為國標允許的固體顆粒物含量最高值?？梢钥闯?。煉廠A航煤的固體顆粒物含量基本不隨時間變化，浸泡時沒有出現超標。煉廠B進入儲罐的航煤仍存在固體顆粒物超標現象，經20 h左右的沉降過程，固體顆粒物快速降低，達到基本穩定，質量指標合格。

圖3 離線管段浸泡實驗中航煤固體顆粒物隨時間變化規律Fig. 3 Variation of aviation kerosene solid particles with time in off-line pipe soaking experiment

2.2 在線浸泡實驗

為了進一步分析管輸航煤固體顆粒的變化情況，分析污染管段和污染物來源，調度監控中心根據管道管輸批次，設計了管線停輸方案及航煤在線浸泡方案，將某段管線停留的航煤進行航煤在線浸泡試驗。同時按照浸泡方案確定的取樣化驗頻次，進行取樣化驗分析。取樣時，油庫人員及化驗人員用航煤專用取樣桶進行取樣，取樣點在管道上部。每次取樣后標注取樣時間、取樣地點、取樣人員等相關信息。雙方共同取樣后由化驗人員將油樣送至煉廠進行化驗分析。取完最后一次樣后，調度監控中心按照管輸計劃安排進行全線啟輸。被浸泡管段內的航空煤油進入末站時，經罐前過濾器過濾后，進入油罐，煉廠人員從油罐取樣，對油樣進行全分析化驗。

在線浸泡實驗分別在4 個不同管段中進行，采用實際輸油管道停輸進行浸泡，具體的實驗管段、實驗時間、取樣位置、取樣時間記錄如下：

實驗b：浸泡管段為煉廠B—閥室A(圖4)，管段長度8 km，管段容量420 m3。浸泡時間為2018年9月28 日8:22 至2018年10月2 日20:00，共浸泡航煤108 h。其中9月28 日8:22 至9月30 日20:00 每隔12 h在閥室A取樣，送至煉廠B化驗。10月2 日20:00在閥室A取樣后，管線啟輸。10月8 日航煤到達油庫A，煉廠人員在油庫取樣后，進行分析化驗。

圖4 煉廠B—閥室A段管道在線浸泡實驗中航煤固體顆粒物隨時間變化規律Fig. 4 Variation of solid particles of aviation kerosene over time in the online immersion experiment of Section B-Valve room A pipeline of refinery

實驗b的結果如下圖(圖4)所示：左圖中，紅色虛線表示國家標準GB6537-2018 規定的固體顆粒物含量上限，黑色虛線為被浸泡的航煤結束浸泡，管線啟輸后，最終到達末站油庫A時油罐中航煤的固體顆粒物含量。右圖中，縱坐標表示各煉廠、泵站、油庫的高程位置。標紅管段表示進行浸泡實驗的管段，藍色三角形標記點表示取樣測試的位置(對應左圖紅色點的取樣位置)。

可以看出，在閥室A取樣的煉廠B航煤，經煉廠B—閥室A段管道浸泡時，其固體顆粒物在實驗開始時很高，遠遠超過國標要求，隨著浸泡時間增加，固體顆粒物含量逐漸降低。當浸泡超過60 h以上時，固體顆粒含量降至國標允許范圍以下，并基本保持穩定。值得注意的是，啟輸后油流經過閥室A—油庫A管段時，固體顆粒物含量也沒有明顯上升。

實驗c：浸泡管段為煉廠A—泵站A(圖5)，管段長度95 km，管段容量54999 m3。浸泡時間為2018年12月18 日18:00 至2018年12月21 日18:00，共浸泡航煤72 h。自12月18 日18:00 起，每隔12 h在泵站A取樣，送至煉廠A化驗。12月21 日18:00 取樣后管線啟輸，在線浸泡的航煤于12月28 日到達油庫A，煉廠人員在油庫取樣后，進行分析化驗。實驗結果如下圖(圖5)所示(圖中各個標示的意義與圖4 同)：

圖5 煉廠A—泵站A段管道在線浸泡實驗中航煤固體顆粒物隨時間變化規律Fig. 5 Variation of solid particles of aviation kerosene over time in the online immersion experiment of pipeline of Refinery A-Pumping station A

可以看出，由煉廠A生產的航煤，油頭經管道到達泵站A時，測得的固體顆粒物數值較低，且在浸泡過程中，固體顆粒物指標基本保持穩定，保持在國標要求范圍內。啟輸后到達油庫A的這部分浸泡油，其固體顆粒物含量(黑色虛線)相比于浸泡時略有上升。

實驗d：浸泡管段為煉廠B—泵站A(圖6)，管段長度78 km，管段容量4104 m3。浸泡時間為2019年3月11 日18:30 至2019年3月13 日18:30，共浸泡航煤72 h。自3月11 日18:00 起，每隔12 h在泵站A取樣，送至煉廠B化驗。3月13 日18:30 取樣后管線啟輸，在線浸泡的航煤于3月23 日到達油庫A，煉廠人員在油庫取樣后，進行全分析化驗。實驗結果如下圖(圖6)所示(圖中各個標示的意義與圖4 同)。

圖6 煉廠B—泵站A段管道在線浸泡實驗中航煤固體顆粒物隨時間變化規律Fig. 6 Variation of solid particles of aviation kerosene over time in the online immersion experiment of pipeline of Refinery A-Pumping station A

可以看出，從煉廠B出發的航煤，經過閥室A，油頭到達泵站A時，其固體顆粒物含量經過沉降略有波動，但整體較低。啟輸后到達油庫A的航煤，其固體顆粒物含量數值沒有增加。

實驗e：浸泡管段為煉廠B—油庫A(圖7)，管段長度268 km，管段容量14102 m3。浸泡時間為2019年4月19 日8:30 至2019年4月22 日8:30，共浸泡航煤72 h。自4月22 日8:30 起，每隔12 h 在泵站A 和泵站B 進站管線處取樣，送至煉廠B 化驗。由于4月21 日20:30 和4月22 日8:30 在泵站B 取得的油樣外觀有明顯雜質，且固體顆粒物含量嚴重超標，實驗人員對于油樣中的雜質進行了烘干，油樣的雜質情況如圖8 所示。4月22 日18:30 取樣后管線啟輸，煉廠人員在過濾后進罐處取樣，進行分析化驗。實驗結果如下圖(圖7)所示(圖中各個標示的意義與圖4 同)。

圖7 煉廠B—油庫A段管道在線浸泡實驗中航煤固體顆粒物隨時間變化規律Fig. 7 Variation of solid particles of aviation kerosene over time in the online immersion experiment of pipeline of Refinery A-Pumping Station A

圖8 實驗e中泵站B油樣固體雜質情況Fig. 8 The solid impurities in the oil sample of Pump station B of experiment e

實驗e與之前的實驗相比，取樣的地點在浸泡航煤管線的中段，因此，取得的油樣不是航煤的油頭，而是航煤批次的中段油。圖7 左側圖中，紅色數據點代表從泵站A取樣的航煤的固體顆粒物含量發展規律，藍色數據點代表從泵站B取樣的航煤的固體顆粒物含量發展規律?？梢钥闯?，在泵站A，航煤的固體顆粒物含量相對較低，浸泡30～40 h后出現異常增加，之后隨時間進一步推移而恢復，總體基本符合國標要求。在泵站B，航煤的固體顆粒物含量經過50 h以上時間浸泡，出現大幅上升，經過更長時間浸泡繼續上升。最終，啟輸后的油品到油庫A時，固體顆粒物含量較低。

圖8 左側圖為浸泡60 h在泵站B取得油樣的固體雜質情況，對應航煤的固體顆粒物含量為2.28 mg/L，右側圖為浸泡72 h在泵站B取得油樣的固體雜質情況，對應航煤的固體顆粒物含量為2.72 mg/L?？梢钥吹阶髠入s質烘干后結成塊狀，大部分呈黃褐色，中間夾雜著少量灰白色顆粒。右側大部分雜質呈灰白色，中間夾雜少量黑色物質，烘干后沒有明顯結塊。

3 分析與討論

對比上述實驗結果可以發現：(1)到達油庫A進行過濾后，航煤固體顆粒物含量指標都達到合格，但是具體數值有較大差異；(2)不同油源航煤浸泡實驗，污染物變化規律不同；(3)不同浸泡管段、取樣點，固體顆粒物變化規律不同。

航煤中的固體顆粒物種可分為2 種：一種為懸浮在油品中的較輕雜質，這些細顆粒尺寸小于10 μm[22]，主要包括硅、氧無機化合物，來源主要是儲罐呼吸時從空氣中混入的塵土或施工時殘留的細沙。此外，航空煤油中的微量水可能和管道中的鐵銹作用，生成絮狀物氫氧化鐵[23]。微生物在油水界面的繁殖活動能產生微毛狀懸浮物[24-26]。懸浮物一旦生成就很難除去，通過靜置沉降或者過濾一般只能除去一部分，未去除的懸浮物較為細小，過濾器無法阻擋，時間久時會在管道中累積[27]。另一種則為沉在油品底部的較重雜質，其中有機組分主要為分子量較高(C13～C30)的直鏈飽和烷烴，無機組分主要為Fe2O3、Fe3O4等含鐵化合物，即管道內壁腐蝕產生的鐵銹，還有一小部分為施工時管道內留下的砂土、電化學反應產生的無機鹽垢等[28-30]。本實驗的管道內壁無內防腐涂層，相對于含有內防腐的航煤專輸管道來說更容易產生含鐵雜質等固體顆粒。

從實驗b和實驗e結果來看，實驗b油頭剛到閥室A時固體顆粒物含量很高，繼而有沉降發生。相反，實驗e中，觀察到泵站B的固體顆粒物數值隨浸泡時間上升。其原因應為實驗b中，航煤攜帶的是重組分固體顆粒物，因重力作用隨時間緩慢沉降，所以上部取樣口測得的顆粒物含量逐漸下降。實驗e中，其來源應為輕組分固體顆粒物隨時間緩慢上浮，導致上部取樣口測得的顆粒物含量不降反升。同時，由烘干后雜質的外觀推測，泵站B浸泡60 h后的油樣中，雜質主要為細沙，塵土，夾雜少量無機鹽等輕質雜質。浸泡72 h的油樣中，主要雜質為無機鹽等輕質雜質，以及少量微生物生長產生的黑色絮狀懸浮物。由于上傾管道在低洼處容易有積水殘留[31]，而少量積水就可以引發微生物生長。由浸泡72 h油樣中雜質的外觀推測，停輸浸泡可能使管道中發生了微量的微生物污染。

研究管線的里程—高程圖可以發現，地形差異是固體顆粒物污染規律不同的重要原因，也是上述固體顆粒物污染來源不同的重要佐證。煉廠A—油庫A為連續上傾管道，隨著油流前進，重顆粒在油流中聚集成團。隨著傾角增大，管道中固體顆粒沉積的可能性增大，將管道中沉積重顆粒清除的臨界流速也增大[32-35]。油流中較重的鐵銹、砂土等固體雜質逐漸沉積在管道沿途的底部，而不會被攜帶到下游泵站閥室，而較輕的懸浮物則可以被油流攜帶前進，所以對上傾管段，航煤中的固體顆粒主要為輕質懸浮物，正如實驗e結果所示。而煉廠B—泵站A支線為下坡段，高差較大。從煉廠B到閥室A，管道落差達到將近160 m，管道中較重的固體雜質被沖到坡底。因此在實驗b中，在閥室A觀察到油頭含有較多的可沉降顆粒，即重顆粒物。

不同管段污染物來源不同的現象可以被離線浸泡實驗(實驗a)進一步證明。從圖3 可以看出，煉廠B的航煤輸送到油庫后，在油罐入口閥處，其固體顆粒物仍存在明顯的沉降現象。而煉廠A的航煤，不存在固體顆粒物沉降現象。這說明煉廠B油經過管輸攜帶有較多的重顆粒物。油庫收油時對兩種油源的質量統計(圖2)也支持這一結論，因為煉廠B的來油固體顆粒物指標失去了明顯的統計規律，且存在異常高點，可能是由于重顆粒尚未沉降均勻導致，相反煉廠A的來油固體顆粒物統計規律仍保持較好。由于兩個煉廠的航煤共用泵站A—油庫A的管段，因此，煉廠B—泵站A支線應是重顆粒物污染的主要來源。

進一步分析，在實驗c、d中，沒有觀察到固體顆粒物上升現象。說明在煉廠B—泵站A支線中，重顆粒物的主要來源是煉廠B—閥室A段。從閥室A到泵站A，坡度變緩，固體雜質在管道中的運移程度減小。對比實驗c和實驗e，發現同樣是管道高程上升段，實驗c沒有固體顆粒物含量的上升，證明煉廠A—泵站A段不存在明顯的輕質懸浮物，主要的懸浮物應處于泵站A—泵站B段，油流經過時將這段上坡管內的輕質懸浮物攜帶至泵站B。

由末站油罐取樣的全分析化驗單知，除固體顆粒物含量外，實驗b、實驗c、實驗d、實驗e在線浸泡航煤其余的質量指標均合格。且由浸泡時取樣化驗的結果知，浸泡期間航煤的色度、水反應界面情況、水反應分離程度、微量水含量和抗靜電劑含量均符合國家標準GB6537-2018 的規定，且隨時間波動較小。說明雖然由于管道中存在固體雜質沉積現象，浸泡后航煤的固體顆粒物含量可能超標，但管道內停輸浸泡沒有對航煤其他的質量指標產生影響。

4 結論與建議

本文將航煤停輸、浸泡在不同管段中，得到浸泡航煤固體顆粒物含量隨時間的變化規律。從煉廠出廠與油庫收油的質量分析報告，及離線浸泡實驗，推測出航煤是在管道輸送中混入了固體雜質。由停輸時航煤中固體顆粒物隨時間的變化規律，結合管段的地形特點，分析了管段中固體雜質的主要類型，確定了導致油庫收油固體顆粒物含量較高的可能的污染管段及污染物來源。對比在管道內浸泡時和進入末站油罐后航煤固體顆粒物含量的升降情況，推斷了不同類型雜質的運移規律，為管道清管計劃的制定提供了參考。具體結論如下：

(1)通過對管網結構中不同管段污染來源分析，初步推斷了油庫A航煤固體顆粒物的來源管段為煉廠B—閥室A管段的重顆粒物，如鐵銹，砂土等。以及泵站A—泵站B管段中輕質懸浮物，如細沙，塵土，微生物代謝產物等；

(2)對B煉廠來油，由于含有較多重顆粒物，在質量控制時應注意進行適當進行靜置沉降，減少擾動，使顆粒物沉降到下部，上方油品的質量潛力提高。對于下坡管道，應注意油流攜帶重顆粒造成的下游固體顆粒物含量上升和重顆粒的沉降現象；

(3)對于煉廠A到泵站B管段，由于懸浮物無法通過沉降來進行清除，建議沿程采用高精度過濾器，多次過濾以盡量減少航煤中懸浮物的含量。對于煉廠B—閥室A管段，可能存在鐵銹類雜質或泥沙，可以考慮適當增加清管頻率；

(4)雖然航煤經管道沿途泵前及末站油罐前多次過濾，但如果管道內雜質過多，航煤到達末站時仍然有固體顆粒物含量超標的風險，所以在管道輸送時仍需注重航煤質量的控制；

(5)對于地形起伏的枝狀管線，可以采取分段停輸的方式，研究管線中固體顆粒物含量。先分別停輸各支線泵站之間的管段，測量停輸期間油頭位置的質量變化。最后進行全線停輸，測量停輸期間干線管道中間泵站航煤質量變化。對比支線和干線的實驗結果，對于浸泡期間航煤質量出現波動的管段，需要結合流動參數以及地形情況，分析管線內固體顆粒的沉積及攜帶情況。