劉 超，馬 帥，徐佳楠，孟 韓，汪 浩，陳 頔

中國石油北京油氣調控中心，北京 100007

液體管道投產階段氣阻形成原因分析及對策

劉 超，馬 帥，徐佳楠，孟 韓，汪 浩，陳 頔

中國石油北京油氣調控中心，北京 100007

在目前現(xiàn)有的長輸成品油管道投產中，水隔離段投油已經成為較常采用的投產方式，但是這種投產方式如果考慮不周全，在特定的地形條件下極易產生氣阻。首先分析了管道充水排氣過程的水頭流動狀態(tài)、氣阻產生的過程；而后結合工程實例，較詳細論述了工程中氣阻問題的產生、氣阻管道截面含氣率的計算以及解決氣阻問題所采取的技術措施。最后指出，管道發(fā)生氣阻最嚴重的地段一般在地形連續(xù)起伏的地段；管道發(fā)生氣阻最直接的表現(xiàn)是部分管段運行壓力偏高；氣阻產生的最根本原因是充水試運時排氣不徹底；水氣隔離球的恰當使用對解決氣阻問題可收到事半功倍的效果。

管道；投產試運；氣阻；水氣隔離球

長輸液體管道主要有成品油管道和原油管道兩種。相對于成品油而言，一般情況下煉廠對原油的油品質量（水及雜質含量）要求并不高，因此原油管道在符合熱力條件的情況下（原油凝點低于管道埋深處溫度），通常采用空管注氮、直接投油的方式進行投產[1-2]。而由于市場對成品油中水和雜質的含量有著嚴格的要求，因此管道多采用全線水聯(lián)運或者水隔離段投油的方式進行投產試運。具體地說，投產過程即是作為液相的水在管道內流動，并逐漸替換掉管道建設時封存在其內部氣體，與此同時水頭驅動的清管器對管道內部進行沖洗和清掃，去除管道內雜質以保證油品質量的過程[3]。

本文結合具體工程，對液體管道投產階段氣阻形成的原因進行分析，并提出對策。

1 管道充水排氣過程氣阻的產生

（1）液封的形成。在管道注水過程中，由上坡段到地形平緩段，再到大落差段，管路中封存的氣體由無到有，由少至多，截面含氣率（管道中通過的氣體截面積與管道截面積的比值）隨之不斷增加。當水頭經過這一系列地形后再次遇到上坡段地形時，平緩段和下坡段所封存的氣體就會被低凹處的積液封存在管路的頂部，從而形成液封[4]。

（2）氣阻的形成。由以上分析可知，當液體經過高點后，首先會由于其剩余能量形成不滿流，隨著管道底部積液體積的增大和水頭在管道內的推進，逐漸對氣體起到了封閉和壓縮的作用，此時管道內也僅僅封存了氣體，但是當?shù)匦卧俅紊撸瑲怏w壓力大于大氣壓并開始被壓縮時，氣阻就形成了，見圖1（a）。假定A點的海拔為h1，高點海拔為h2，液封面海拔為h3，水頭位置海拔為h4，則在圖1（a）中A點的壓頭為：

圖1（b）是管道滿管運行的工況，A點壓頭為：

對比以上二式可知，由于氣阻的作用，A點的壓頭升高了h2-h3高度的水柱，而h2-h3也就是氣阻管段中被封存氣柱的高度。

圖1 氣阻形成示意

（3）氣阻的疊加。以上管段只是整個管道的一小部分，在管道中還存在著很多的氣阻管段。理論上講，只要有一段大落差的管段存在且沒有通球排氣，就會形成一段氣阻，見圖2。這些起伏管段所形成的氣阻效應可以向上游管段疊加，尤其是在地形緊湊起伏的地段，這種氣阻的疊加現(xiàn)象則更加明顯。這種情況下如果不盡快將這段氣體通球排出，很可能會導致氣阻管段之前的某一位置超壓，或很可能會由于泵所提供揚程不足而導致流量降為零[5]。

圖2 氣阻疊加效應示意

2 工程實例

2.1 某工程氣阻產生的概況

我國某長輸成品油管道西起蘭州，終于長沙，管道路由通過黃土臺塬地貌，該長輸管道的765 km至1 018 km管段地形具有緊湊起伏的特點，由于投產過程中排氣不徹底，此段管路在投產過程中產生了明顯的氣阻現(xiàn)象，見圖3。

圖3 某管道緊湊起伏段的縱斷面

投產第32日10：51，水頭通過SMX站。21：48，SMX站運行壓力升至4 MPa，通過計算可知此時水頭恰好翻過出站的第一個高點。

投產第33日21：39，SMX站運行壓力升至5 MPa，很明顯此時SMX站下游管段出現(xiàn)了氣阻。

隨著水頭在管道內的推進，WN站、SMX站運行壓力不斷升高，最高分別達到了7.9 MPa和7.11MPa，已經超過了其進、出站泄壓值（WN站進站泄壓7.5 MPa、SMX進站泄壓6.8 MPa），但兩站泄壓閥未投用。由于投產時水氣隔離球發(fā)出較晚，水頭與隔離球之間距離較大，這段管道內沒有氣水隔離球，未經通球排氣的過程，氣體不能順利排出，繼而被液封、壓縮。管道內產生了氣阻且其效應不斷疊加，壓力最終傳遞至上游管段使得運行壓力超限并導致了管道停輸。

2.2 氣阻管道截面含氣率的計算

假定管路中上坡段的氣體能夠完全被水驅替，那么當水頭翻過高點之后遇到大落差段時，氣相處于液相上方，不參與管內介質流動，因此可以使用圓管明渠流模型進行分析和研究[6-10]。

為了使計算得到進一步簡化，將此段地形劃分為12段較為明顯的下坡段，將每一段地形坡降i0近似看作為常數(shù)。根據文獻[6]給出的圓管明渠均勻流水力直接計算公式，按照投產時實際注水550 m3/h的工況進行計算，可以得出每一段管道在直接進行注水時理論上管路的截面含氣率，見表1。

表1 管道大落差地段（下坡段）數(shù)據分析

2.3 采取的技術措施

如果在管道投產之前能夠預見此類地形起伏疊加管段會導致氣阻的產生，可提前選取若干處區(qū)間高點作為排氣點進行排氣。但此時投產工作已進行過半，若臨時選擇地點對管道進行開孔則并不是最好的選擇。投產指揮部決定采取了以下主要技術措施：

（1）要求各站場、閥室利用停輸時間窗口繼續(xù)排氣。

（2）組織技術人員調試SMX站泵機組，并在管道再次啟輸時首先啟動，以降低該站上游壓力（在投產550 m3/h的工況下SMX站泵機組原本不必運行）。

（3）為降低管道運行壓力，管道啟輸后氣阻段各站場、閥室全部進行排水工作。

通過采取以上措施，最終管道順利啟輸，清管器通過該管段后完成了最后的排氣工作。

3 結束語

投產完成后總結此次氣阻事件，得到如下經驗教訓：

（1）管道在首站開始注水后要及時發(fā)球，各中間站場在球進站后要及時轉、發(fā)球；同時各站場一定要排出水氣隔離球進站前的先行污水，這樣可以減小水氣隔離球前不受約束的自由流動水體積，能夠及時地將管路中的氣體驅替出去，從根本上杜絕了氣阻的形成。

（2）各站場、閥室要安排專人進行排氣操作，在油頭到站前隨時進行排氣工作。

（3）必要時在管路的高點預留排氣閥，排氣閥尺寸與過流能力需要根據投產時的注水量計算后確定，避免出現(xiàn)閥門尺寸過小而排氣不暢的問題。

（4）各站場應盡可能地多排放前行污水頭，污水頭的排放可以使隔離球更加順暢地在管道中運行，從而使隔離球與管道內壁更好地接觸，更好地隔離氣液，同時也降低了卡球的風險。

[1]王文彥.成品油管道試運投產流程[J].油氣儲運，2013，32（11）：1 254-1 256.

[2]張楠，宮敬，閔希華，等.大落差對西部成品油管道投產的影響[J].油氣儲運，2008，27（1）：5-8.

[3]許玉磊，翟培君，郭鍇，等.蘭鄭長成品油管道投產方式研究[J].管道技術與設備，2015（2）：75-77．

[4]張增強.蘭成渝成品油管道投產技術[J].油氣儲運，2004，23（6）：32-35.

[5]丁俊剛，王中良，劉佳，等.蘭成原油管道投產實踐[J].油氣儲運，2015，34（11）：1 198-1 201.

[6]劉剛，滕凱.圓形斷面臨界水深簡化近似計算方法[J].水利與建筑工程學報，2011，9（6）：81-83.

[7]宮敬，嚴大凡.大落差管道下坡段不滿流流動特性分析[J].石油大學學報（自然科學版），1995，19（6）：65-72.

[8]李曉平，陳偉，王卓軍，等.阿布扎比管道投產事故分析[J].油氣田地面工程，2016，35（11）：6-8.

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[10]邱姝娟，宮敬，閔希華，等.西部原油成品油管道的投產方式[J].石油工程建設，2011，37（3）：35-38.

Reason analysis and countermeasures of air blockage in liquid pipeline commissioning stage

LIU Chao，MAShuai，XU Jianan，MENG Han，WANG Hao，CHEN Di
PetroChina Oil&Gas Pipeline ControlCenter，Beijing 100007，China

In commissioning of current products pipelines， using isolated water section is the way often adopted for commissioning.But，air blockage may occur in special topographical condition.This paper analyzes the water head flowing state during water filling and air exhausting course，and air blockage occurring course.Then combined with a practical engineering project，it discusses blockage problem，calculation of cross-sectional air content rate in air blockage pipeline，and technical countermeasures to solve air blockage problem.Finally，it indicates that the most serious air blockage in pipeline occurs generally in undulant landform；the most direct phenomenon of air blockage is the pressure raising in partial pipeline sections；the most fundamental reason of air blockage is the incomplete air exhausting as filling water for commissioning；properly using water-air isolated ballhas perfect effect to solve air blockage problem.

pipeline；commissioning；air blockage； water-air isolated ball

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.016

劉 超（1986-），男，河北衡水人，工程師，2008年畢業(yè)于大慶石油學院油氣儲運專業(yè)，現(xiàn)主要從事成品油管道的調控運行管理工作。Email：liu_chao@petrochina.com.cn

2017-07-16