李菲菲，李磊，廖暉，孟虎林，張志剛，李欣妍

（1.中國石油天然氣股份有限公司管道丹東輸油氣分公司，遼寧丹東118001；2.中國石油天然氣股份有限公司管道濟(jì)南輸油分公司，山東濟(jì)南250000；3.中國石油管道局工程有限公司，河北 廊坊065000；4.中國石油青海油田分公司管道輸油處，青海格爾木816000；5.中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北廊坊065000）

閥室是保證油氣長輸管道安全運(yùn)行的重要設(shè)施，沿線每隔一定距離以及在特殊地段應(yīng)設(shè)置閥室，以便在管道發(fā)生破裂時(shí)可以緊急自動(dòng)關(guān)閉閥門，以減少放空損失，并防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大，減少環(huán)境污染［1］。油氣長輸管道工程閥室按照功能分為手動(dòng)閥室、單向閥室、高點(diǎn)放空閥室、監(jiān)控閥室等。

中國油氣長輸管道閥室設(shè)計(jì)中還存在若干問題，現(xiàn)有的閥室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)尚未明確規(guī)定，或者設(shè)計(jì)理念偏于保守，這都會(huì)對(duì)管道運(yùn)行維護(hù)造成不便和影響，例如：閥室選址和間距缺乏靈活性，輸油管道河流穿跨越設(shè)置閥室還沒有統(tǒng)一做法，采用的單向閥設(shè)計(jì)造成清管困難，偏遠(yuǎn)地區(qū)閥室供電可靠性差等［2］。美國、俄羅斯、加拿大等國家管道行業(yè)比較發(fā)達(dá)，國內(nèi)近年來已深入開展了國外先進(jìn)管道標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)性研究［3-4］。本文研究了國內(nèi)外閥室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的重要技術(shù)差異，并介紹了美國、俄羅斯在閥室設(shè)計(jì)運(yùn)行管理方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于完善國內(nèi)管道閥室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以及提高管道運(yùn)行管理水平具有重要意義。

1 國內(nèi)外閥室標(biāo)準(zhǔn)

本文研究涵蓋的國內(nèi)外閥室標(biāo)準(zhǔn)包括：

1）中國國家標(biāo)準(zhǔn)：GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》；中石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：Q/SY 1445—2011《輸氣管道工程線路閥室設(shè)計(jì)規(guī)范》、Q/SY 1446—2011《輸油管道工程線路閥室設(shè)計(jì)規(guī)范》。

2）美國標(biāo)準(zhǔn)：ASME B31.8—2016《氣體輸送和配送管道系統(tǒng)》、ASME B31.4—2016《液態(tài)烴和其他液體管道輸送系統(tǒng)》。

3）加拿大標(biāo)準(zhǔn)：CSA Z662—2015《油氣管道系統(tǒng)》。

4）俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)：CHнП2.05.06—1985《管道干線設(shè)計(jì)規(guī)范》、ОНТП51-1—1985《輸氣管道干線設(shè)計(jì)規(guī)范》、СТОГазпром2- 6.2-149—2007《天然氣管道》。

2 閥室選址

GB 50251—2015規(guī)定：“閥室應(yīng)選擇在交通方便、地形開闊、地勢相對(duì)較高的地方，防洪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)低于重現(xiàn)期25 a一遇”。GB 50253—2014規(guī)定：“閥室應(yīng)設(shè)置在交通便利、地形開闊、地勢較高、檢修方便，且不受地質(zhì)災(zāi)害及洪水影響的地方”。

ASME B31.8—2016規(guī)定：“設(shè)計(jì)閥室應(yīng)考慮的因素是維修和維護(hù)時(shí)氣體的放空量、泄漏或斷裂時(shí)氣體的泄漏量、隔離管段氣體的排放時(shí)間、環(huán)境敏感區(qū)氣體的排放、供氣連續(xù)性影響和管道附近區(qū)域未來的發(fā)展”。雪佛龍公司位于美國加利福尼亞州康特拉科斯達(dá)縣（Contra Costa）的原油管道項(xiàng)目中，管道穿越人口密集區(qū)，在一段長度約為48 km的管線上，共設(shè)計(jì)了5個(gè)監(jiān)控閥室和7個(gè)手動(dòng)閥室［5］。

針對(duì)閥室選擇原則，國內(nèi)管道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重交通、地質(zhì)、防洪和檢修等方面。美國管道行業(yè)閥室的選址原則是為了使閥室之間管道破裂后所造成的泄漏油品損失達(dá)到最小，即污染的修護(hù)成本、罰款以及與管道泄漏相關(guān)的訴訟費(fèi)用達(dá)到最小。美國管道行業(yè)閥室選址原則首先考慮減少泄漏風(fēng)險(xiǎn)，即閥室越多，泄漏風(fēng)險(xiǎn)越小；其次再考慮建設(shè)成本，重視管道失效后果和危害性對(duì)社會(huì)公眾環(huán)境的影響，設(shè)計(jì)理念更為合理，具有借鑒意義。

3 閥室間距

GB 50251—2015規(guī)定：“位于一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)地區(qū)的管道沿線相鄰閥室的間距不宜大于32 km，24 km，16 km和8 km，如因地物、土地征用、工程地質(zhì)或水文地質(zhì)造成選址受限的可做調(diào)整，調(diào)整不應(yīng)超過4 km，3 km，2 km 和1 km”。GB 50253—2014規(guī)定：“原油、成品油管道閥室的間距不宜超過32 km，人煙稀少地區(qū)可適當(dāng)加大間距”。

美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的油氣管道閥室的間距與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)一致。ASME B31.4—2016規(guī)定：“在山區(qū)、穿越河流以及穿越工商業(yè)、第三方施工頻繁區(qū)域和人口密集區(qū)等特殊情形下，輸油管道閥室間距允許適當(dāng)調(diào)整”；CSA Z662—2015未對(duì)原油管道閥室的間距進(jìn)行明確要求，原油、成品油管道閥室間距允許在10%規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)整，天然氣管道閥室間距允許在25%規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)整。

以往國內(nèi)長輸管道嚴(yán)格按規(guī)定間距設(shè)計(jì)閥室，缺乏靈活性且對(duì)運(yùn)行維護(hù)造成不便。管道設(shè)計(jì)部門針對(duì)閥室間距調(diào)整也存在爭議，涉及鋼管等級(jí)、安全管理、運(yùn)營和投資成本等諸多方面。目前，管道行業(yè)較為公認(rèn)的觀點(diǎn)是隨著管道運(yùn)行管理技術(shù)提升，管道事故概率總體呈下降趨勢，在西部等人口稀少地區(qū)的管道閥室間距可增加到32 km 以上［6］。GB 50251—2015和 GB 50253—2014增加了閥室間距允許調(diào)整的條款，但與國外標(biāo)準(zhǔn)相比仍存在差距，表現(xiàn)在國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)僅在人口稀少地區(qū)允許閥室間距調(diào)整，國外標(biāo)準(zhǔn)則適用于山區(qū)、穿越河流和穿越人口密集區(qū)等特殊地區(qū)，涵蓋范圍更廣；另一方面，國外標(biāo)準(zhǔn)閥室間距允許調(diào)整數(shù)值更高，例如輸氣管道可達(dá)8 km，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中輸氣管道一級(jí)地區(qū)閥室間距調(diào)整最大為4 km，輸油管道閥室間距調(diào)整未給出具體數(shù)值。

4 RTU閥室設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)原則

RTU閥室（remote terminal unit）也稱為遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)。針對(duì)RTU閥室設(shè)置位置，國內(nèi)外管道做法基本一致，均在穿跨越、人口稠密區(qū)、環(huán)境敏感點(diǎn)、大型河流兩端等關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置RTU閥室。針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)置RTU閥室，國內(nèi)外管道略有差異，Q/SY 1445—2011，Q/SY 1446—2011規(guī)定：“車程超過1.5 h以上的管道閥室設(shè)計(jì)為RTU閥室”。

北美Kinder Morgan管道公司則認(rèn)為在操作人員1.0 h內(nèi)無法到達(dá)現(xiàn)場關(guān)閥門的地區(qū)設(shè)置RTU閥室。此外，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)CHнП2.05.06—1985規(guī)定：“原油和成品油管道在河流穿跨越處應(yīng)設(shè)置為RTU閥室”；ОНТП51-1—1985規(guī)定：“并行敷設(shè)的輸氣管道合建的閥室，與支線連接處的閥室應(yīng)為RTU閥室”。

建議RTU閥室設(shè)置原則：與最近的有人職守站場的線路距離超過100 km以上或車程超過1.0 h以上的管道閥室設(shè)計(jì)為RTU閥室。

4.2 間 距

近年來，從保證管道安全和運(yùn)行監(jiān)測角度，國內(nèi)管道中RTU閥室占比逐漸增多，但大量使用RTU閥室是否造成資源浪費(fèi)還存在著意見分歧。國內(nèi)多數(shù)管道單位認(rèn)為不應(yīng)具體規(guī)定RTU閥室的數(shù)量和間距，實(shí)際國內(nèi)對(duì)管道RTU閥室的做法也不統(tǒng)一［7］。例如：中石油西氣東輸一線干線180座閥室全部為RTU閥室，西氣東輸二線西段干線全長2 441.1 km，設(shè)置18座RTU閥室，占全部閥室的24%，平均間距為135 km；中石化川氣東送管道共設(shè)計(jì)20座RTU閥室，占全部閥室的22%，間距不超過75 km。

北美Kinder Morgan管道公司認(rèn)為不應(yīng)嚴(yán)格限定RTU閥室的設(shè)置間距，應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)營需要，在所有的人口密集區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、通行不便地區(qū)設(shè)置RTU閥室。這與4.1節(jié)中RTU閥室的設(shè)計(jì)原則也是一致的。

5 輸氣管道和輸油管道閥室的差異

GB 50253—2014規(guī)定：“輸油管道在河流大型穿跨越及飲用水水源保護(hù)區(qū)兩端應(yīng)設(shè)置閥室，在人口密集區(qū)管段或根據(jù)地形條件需要處，宜設(shè)置閥室”。GB 50251—2015無上述規(guī)定，僅規(guī)定了閥室與電力、通信線路桿、鐵路、公路地界和建筑物的安全距離?？梢钥闯?，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)更重視原油管道油品泄漏可能造成的環(huán)境污染問題。

Q/SY 1445—2011，Q/SY 1446—2011規(guī)定：輸氣管道和輸油管道監(jiān)控閥室的設(shè)置區(qū)域，均要求在大型穿跨越、地質(zhì)災(zāi)害和地震斷裂帶區(qū)域、人口密集區(qū)、相鄰輸氣站（泵站、加熱站）間以及合并建設(shè)的通信站和陰極保護(hù)站場設(shè)置監(jiān)控閥室，二者差異在于：

1）輸氣管道分輸、進(jìn)氣閥室設(shè)置為監(jiān)控閥室，輸油管道分輸、注入管道未要求設(shè)置監(jiān)控閥室。

2）輸油管道應(yīng)進(jìn)行水擊分析，特殊位置設(shè)置監(jiān)控閥室。

6 閥室類型

GB 50251—2015規(guī)定：“閥室可采用自動(dòng)或手動(dòng)閥門，并應(yīng)能通過清管器或檢測儀器”。GB 50253—2014規(guī)定：“需防止油品倒流的部位應(yīng)安裝能通過清管器的止回閥，閥室應(yīng)能通過清管器和管道內(nèi)檢測儀”。Q/SY 1446—2011規(guī)定：“在河流大型穿越的下游以及在管道的上坡段設(shè)置單向閥室”。

調(diào)研北美ShawCor及ConocoPhillips公司，不推薦在管道任何位置使用單向閥，原因是單向閥的密封性相對(duì)差，存在潛在的泄漏隱患；單向閥會(huì)增加管道清管難度，單向閥內(nèi)徑一般大于管道內(nèi)徑，清管器皮碗難以完全接觸閥體全部空間，需要管道提供更大的運(yùn)行壓力通過單向閥，此外單向閥與清管器上的皮碗裝置的兼容性也不夠理想，可能導(dǎo)致清管器運(yùn)行中斷或堵塞。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未明確規(guī)定油氣管道閥室類型，輸油管道在穿跨越和上坡段采用了單向閥室設(shè)計(jì)。隨著管道運(yùn)行控制技術(shù)發(fā)展，特別是管道高點(diǎn)設(shè)置遠(yuǎn)程壓力檢測儀表等，管道采用單向閥室設(shè)計(jì)值得商榷［8］，完全可以在河流大型穿越的下游以及管道的上坡段使用RTU閥室來代替單向閥室，建議國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)修訂關(guān)于設(shè)置單向閥室的規(guī)定。

7 河流穿跨越閥室做法

GB 50253—2014規(guī)定：輸油管道在河流大型穿跨越兩端應(yīng)設(shè)置閥室，但未說明“大型河流”、“管道兩端”和“閥室類型”的具體含義和做法，可能對(duì)閥室設(shè)計(jì)造成混淆和不便。國內(nèi)長輸管道設(shè)計(jì)針對(duì)寬度小于40 m的河流、湖泊穿跨越不在岸邊設(shè)置閥室，僅針對(duì)寬度大于200 m且水深小于5 m，或?qū)挾却笥?00 m且水深大于5 m的河流、湖泊穿跨越在岸邊設(shè)置閥室。岸邊閥室也沒有統(tǒng)一做法，主要根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，執(zhí)行國家安全法規(guī)大型堤壩100 m范圍之內(nèi)不允許設(shè)置閥室的規(guī)定，一般在河流岸邊較近距離選址設(shè)置閥室。

美國河流穿跨越兩岸設(shè)置閥室做法如下，美國陸軍工程師兵團(tuán)認(rèn)為可以航行的水路為大中型河流；聯(lián)邦法規(guī)49 CFR中條款159.260（e）規(guī)定寬度超過30 m的河流應(yīng)在河流兩端設(shè)岸邊閥室；Koch管道公司、Marathon石油公司規(guī)定河流兩端閥室距離為3.2 km；ASME B31.4規(guī)定輸油管道在河流穿越處上游宜設(shè)置截?cái)嚅y室，河流穿越處下游宜設(shè)置監(jiān)視閥室。

建議GB 50253—2014借鑒美國管道行業(yè)做法，規(guī)定輸油管道在河流大型穿跨越兩端設(shè)置閥室涉及的河流寬度、閥室距離、閥室類型等重要參數(shù)。

8 閥室供電

偏遠(yuǎn)地區(qū)RTU閥室環(huán)境惡劣且無人值守，供電非常重要。Q/SY 1445—2011規(guī)定：“閥室采用電網(wǎng)供電，當(dāng)無法使用市電，可使用太陽能供電、柴油發(fā)電機(jī)或天然氣發(fā)電等”。中石油西部管道閥室供電方式：具備公共電網(wǎng)的監(jiān)控閥室可采用常規(guī)電網(wǎng)供電；利用太陽能發(fā)電給太陽能電池充電，供負(fù)載使用，一般年平均日照時(shí)間大于1 800 h的地區(qū)可采用太陽能供電；如日照不足或者在夜間則有蓄電池組在控制器的控制下給直流負(fù)載供電［9］。

英國Petrofac石油公司使用輸電線路的補(bǔ)充輸電線路。СТОГазпром2-6.2-149—2007規(guī)定：閥室可以直接使用天然氣發(fā)電機(jī)；俄羅斯Gazprom公司使用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)或者柴油發(fā)電機(jī)，太陽能電池組不作為主要電源使用，可以作為補(bǔ)充電源使用。美國Trans Canada，Kinder Morgan公司在沒有市政電網(wǎng)可供使用時(shí)，會(huì)使用太陽能對(duì)設(shè)備間進(jìn)行供電，但也需要設(shè)置備用發(fā)電機(jī)。Boradwalk管道公司、Sunoco石油公司考慮電力供應(yīng)的持續(xù)性，不使用太陽能對(duì)設(shè)備間進(jìn)行供電。EPP，Alliance，Conoco Phillips供電方式采用密閉循環(huán)法蒸汽發(fā)電機(jī)CCVT（closed cycle vapor turbogenerator），也稱奧密特能源轉(zhuǎn)換器，可使用管道內(nèi)天然氣為燃料進(jìn)行加熱。在阿拉斯加偏遠(yuǎn)地區(qū)，BP石油公司閥室供電使用的是電池和變流器設(shè)備，或者使用天然氣發(fā)電，然后給監(jiān)控閥室進(jìn)行供電。對(duì)于太陽能供電，則需要使用備用電源，主要考慮監(jiān)控閥室電源供應(yīng)保證足夠的閥門全開或全關(guān)的操作時(shí)間，必要時(shí)增加30%～50%的操作時(shí)間余量［10］。Shell公司設(shè)計(jì)文件 DEP 32.71.00.31—1997《微波系統(tǒng)》規(guī)定：根據(jù)功率需求確定閥室供電方式，閥室供電功率需求在500 W以下，優(yōu)先使用太陽能電源供電；供電功率需求在500～1 000 W，考慮使用太陽能電源及風(fēng)能組合的供電方式；供電功率需求在1 000 W以上，應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選后（以3年期效益為基準(zhǔn)）考慮使用柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電，并必須設(shè)置備用電源。

國內(nèi)外針對(duì)閥室的供電方式基本一致，國內(nèi)優(yōu)先采用外電，其次為太陽能光伏電源系統(tǒng)，若仍無法滿足供電需求會(huì)使用燃?xì)獍l(fā)電裝置（TEG）。對(duì)于重要負(fù)荷，設(shè)置后備電源，通常為蓄電池組、不間斷電源、應(yīng)急電源。Petrofac石油公司使用來自輸電線路的補(bǔ)充輸電線路；俄羅斯Gazprom公司使用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)或者柴油發(fā)電機(jī)；BP石油公司針對(duì)閥室供電使用的是電池和變流器設(shè)備，或者使用天然氣發(fā)電。Shell公司標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)供電功率不同，分別采用太陽能、太陽能電源及風(fēng)能組合以及使用柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電，并設(shè)置備用電源。建議國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)借鑒Shell公司根據(jù)閥室供電功率的需求范圍確定供電方式。

9 閥室敷設(shè)方式

國內(nèi)外管道均傾向于閥室的設(shè)備間在地面以上，以便于操作和維護(hù)。Q/SY 1445—2011規(guī)定：“閥室應(yīng)獨(dú)立設(shè)置設(shè)備間，分地上和地下兩種形式，最低月平均地表面溫度低于0℃，設(shè)備間宜地下設(shè)置，否則設(shè)備間地上設(shè)置，覆土厚度不宜小于0.6 m”。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要考慮蓄電池正常使用溫度不應(yīng)低于0，使用采暖設(shè)備的維護(hù)工作量較大。調(diào)研表明：國內(nèi)更多考慮的是管道更好的保溫效果，大部分采用閥室設(shè)備間地下設(shè)計(jì)方式，蓄電池也埋于地下，特別是溫差較大以及地下水位較低的地區(qū)，除非在南方潮濕多雨地區(qū)，才采用閥室設(shè)備間地上設(shè)計(jì)方式。

國外管道行業(yè)認(rèn)為即使在寒冷地區(qū)閥室設(shè)備間也應(yīng)該放在地上，地下設(shè)備間會(huì)受到滲水影響。美國Kinder Morgan管道公司認(rèn)為閥室的設(shè)備組多為露天設(shè)置，考慮到防爆以及方便員工操作等因素，僅僅會(huì)對(duì)計(jì)量站里面的色譜儀等計(jì)量裝置設(shè)置實(shí)體建筑物；API協(xié)會(huì)專家認(rèn)為將閥室的設(shè)備組放置在實(shí)體建筑物內(nèi)，并且多為地面設(shè)置。在外電供應(yīng)充足的地區(qū)，優(yōu)先使用空調(diào)進(jìn)行采暖；外電供應(yīng)不足時(shí)，也會(huì)使用暖風(fēng)機(jī)或者電暖器的方式進(jìn)行采暖。北美的Alliance公司對(duì)于寒冷地區(qū)RTU閥室的設(shè)備間是使用配有溫控開關(guān)的暖風(fēng)機(jī)進(jìn)行供暖，將加熱的啟動(dòng)條件設(shè)置為0，當(dāng)設(shè)備間內(nèi)溫度低于0時(shí)會(huì)自動(dòng)開啟暖風(fēng)機(jī)對(duì)設(shè)備間進(jìn)行加熱，暖風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率根據(jù)建筑面積進(jìn)行計(jì)算。

生產(chǎn)實(shí)踐證明：國內(nèi)閥室設(shè)備間地下設(shè)計(jì)方式極易受到地下水滲透影響，特別是近年來國內(nèi)特殊氣象條件多發(fā)，北方地區(qū)夏季也容易發(fā)生暴雨洪水災(zāi)害，近年來閥室水淹問題較普遍［11］。建議國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)修訂閥室應(yīng)采用地上敷設(shè)方式，并根據(jù)供電條件配備空調(diào)、暖風(fēng)機(jī)或電暖氣等加熱設(shè)備。

10 結(jié)論和建議

綜上所述，美國、俄羅斯、加拿大等國外管道閥室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)理念主要包括以下方面，建議國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)借鑒參考：

1）美國管道閥室選址原則：首先考慮閥室間油品泄漏風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失最小，其次再考慮建設(shè)成本，閥室選址重視管道失效后果和危害性對(duì)社會(huì)公眾及環(huán)境的影響。

2）在山區(qū)、穿越河流，以及穿越工商業(yè)、第三方施工頻繁區(qū)域和人口密集區(qū)等特殊情形下，原油、成品油管道和天然氣管道的閥室間距允許在10%和25%規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)整。

3）建議RTU閥室設(shè)置原則：除在穿跨越、人口稠密區(qū)、環(huán)境敏感點(diǎn)、大型河流兩端等關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置RTU閥室，與最近的有人職守站場的線路距離超過100 km以上或車程超過1.0 h以上的線路截?cái)嚅y室設(shè)為RTU閥室。

4）在河流大型穿越的下游以及管道的上坡段使用RTU閥室來代替單向閥室。

5）閥室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中統(tǒng)一規(guī)范輸油管道在河流大型穿跨越兩端設(shè)置閥室涉及的河流寬度、閥室距離、閥室類型等重要參數(shù)。

6）借鑒Shell公司根據(jù)閥室供電功率的需求范圍確定供電方式。

7）閥室應(yīng)采用地上敷設(shè)方式，并根據(jù)供電條件配備空調(diào)、暖風(fēng)機(jī)或電暖氣等加熱設(shè)備。