油气管道本质安全影响因素分析及启示

管道运输是油气运输的主要方式,为了研究油气管道本质安全的影响因素和薄弱环节,通过分析美国和加拿大油气管道的事故原因,识别了3种影响因素和7个薄弱环节;通过统计管道工程各阶段的事故和影响因素的数量,分析了每个阶段存在的本质安全问题。结果表明:施工阶段的事故和影响因素的数量远多于其他阶段;施工和制管阶段的影响因素种类多,事故原因分散,本质安全提升难度较大;设计和运营阶段的影响因素种类少,事故原因相对集中,本质安全提升难度相对不大;各阶段都存在技术和管理的不足。根据油气管道本质安全影响因素分析结果,得出管道本质安全5个方面的启示。

管道环焊缝拉伸应变容量模型分析及改进

为了确保石油天然气管线在复杂服役环境下的本质安全,探讨了目前国内外广泛应用的3种管道环焊缝拉伸应变容量模型(CSA Z662、PRCI-CRES、EXXON MOBIL),并对其参数选取范围性进行了汇总和对比分析。通过分析模型预测值和96组全尺寸管道及宽板拉伸试验数据的差异,对各拉伸应变容量模型在不同钢级下的预测精度进行了验证,并使用90%置信上限倒数法计算了模型安全系数。结果表明:由于CSA Z662模型断裂韧性取值上限过小,导致其对于中、高钢级管线的预测值过于保守;EXXON MOBIL和PRCI-CRES模型更为完善,二者预测结果相似,并与试验结果较为相符。针对EXXON MOBIL和PRCI-CRES模型计算所得的安全系数可以明显改善模型预测结果,可将非保守预测值最大误差控制在约30%范围内,从而有效满足较为保守的设计要求。研究结果可为管线基于应变设计提供理论指导。

某高铁对埋地管道交流干扰预测与防护设计实例

高铁采用交流供电,运行中其供电系统会对临近的埋地管道造成交流干扰,加速管道腐蚀,因此需要对交流干扰影响的管道进行缓解。本文运用数值模拟方法,对与高铁交叉并行的某管道进行交流干扰预测,研究了机车位置对干扰的影响,并进行了缓解方案的设计,形成了一套高铁交流干扰的缓解流程。研究得出:机车位于管道与高铁交叉点时,管道交流电流密度超出干扰评价指标,缓解方案设计为固态去耦合器加接地的方式,多次计算确定锌带敷设位置及数量,施加缓解方案后管道干扰达标,缓解效果经验证达到效果。

非金属管道在油田地面工程中的应用

随着油田开发进入高含水阶段,腐蚀结垢现象日益凸显,非金属管道愈加受到重视。非金属管道存在双面防腐、材质轻、摩阻小以及寿命长等优点;同时也存在易受机械损伤、维抢修效率低、不耐高温等问题。之后,梳理了非金属管道的应用现状和标准规范的发展历程,进而提出了完善行业标准、开展准入认证、建立专业化的施工队伍和维抢修队伍、探究长期服役条件下非金属管道剩余寿命的加速评价方法等建议。

高铁位置对埋地管道干扰影响规律

高铁与管道交叉并行时,其供电系统会对管道产生交流干扰,造成管道腐蚀甚至击穿防腐蚀层。由于列车处于持续运动的状态,管道上的交流干扰是不断变化的,这给干扰缓解的设计带来了困难。采用数值模拟的方法研究了高速列车位置对管道的影响。结果表明:(1)管道上的交流干扰主要由铁轨内的电流产生,由于大量电流从铁轨泄漏到大地,产生“电流不平衡”。(2)列车从TPSS至AT2的运行过程中,交流电压峰值出现在各AT段的起点、终点和中间。(3)由于交叉点的存在,以及CW,AF,轨道之间的“位置不平衡”,交流电压峰值也会出现在交叉点处。(4)管道上的交流干扰随铁轨泄漏电阻增大而减小,这是因为随着铁轨泄漏电阻增大,铁轨泄漏到大地的电流减少。对北京地区一条实际输气管道进行了现场测试。结果表明,现场实测的管道交流电压与计算值基本吻合。

水合物流动环路实验研究进展

作为水合物研究的重要手段之一,水合物环路实验研究因其能够模拟管输体系中的水合物生成、流动及堵塞规律,得到国内外众多研究者的青睐。本文介绍了法国Archimede环路、法国IFP-Lyre环路、美国Exxon Mobil环路、美国塔尔萨大学FAL环路、澳大利亚Hytra环路、挪威NTNU环路、挪威SINTEF环路、挪威Petreco A/S高压轮形环路、中国科学院GIEC水合物实验环路、中国CUPB化工实验环路和中国CUPB储运实验环路11条国内外水合物实验环路的主要设计参数和实验工艺流程等基本概况。从流动体系水合物生成研究、水合物浆液流动特性研究、水合物堵管机理及风险控制研究、水合物颗粒聚并及粒径分布研究等4个方面,总结了基于水合物环路实验所获得的研究进展及主要成果。为未来更具功能特色的水合物实验环路的搭建提供了设计思路和参考意见。并指出后续深入开展水合物环路实验研究,应将宏观实验数据分析与微观测试手段相结合,优化实验方案,明确实验目标,以揭示水合物相关基础研究的本征机理。

重油掺混石脑油的稳定性实验研究

掺稀输送是常用的重油降黏管输方法,在重油中加入轻质低黏的油品可以有效降低重油的黏度,但大量掺稀后由于组成的改变,油品体系中的胶体稳定性会下降,导致出现油品不相容,产生沥青质絮凝、沉淀等问题。在某重油中掺入不同比例轻质低黏的石脑油,通过对沥青质显微观察等实验,考察了重油掺稀后的稳定性。实验结果表明,在实验所用的重油中掺入5%~50%的石脑油后,当掺入稀油的比例使得油品体系的胶体不稳定指数大于0.9时,随着石脑油掺入量的增加,所观察到的沉积物增多,且随着静置时间的延长,沉积物颗粒有逐渐增加、沥青质颗粒聚集体有逐渐变大的趋势,说明随着稀油掺入比例的增加,混合油体系中的沥青质絮凝析出现象加剧,混合油体系的稳定性下降。

国家管网公司旗下成品油管道运营模式探讨

2019年12月9日国家管网公司正式挂牌成立,这标志着我国的大型油气管网从石油、石化等企业中分离,开启独立运行的新阶段。成品油管道是油气管网的重要组成部分,与原油、天然气管网一同划入管网公司也将面临运营模式的重大转变。从成品油管道运营模式入手,分析不同模式成品油管道的差异,说明了我国成品油管道转型与适应性不足的问题,探讨了我国成品油管道的变革方法,并提出了相应的建议。

基于可靠性的含蜡原油管道停输再启动安全性评价方法

停输后再启动失败(业内俗称凝管)是含蜡原油管道运行的主要风险。本研究将基于可靠性的极限状态方法引入含蜡原油管道停输再启动安全性评价,建立了基于管道停输及再启动过程非稳态传热与非稳态流动的再启动失效数学模型,发展了高效、稳健的随机数值模拟算法,提出了停输再启动目标安全水平的建议,实现了含蜡原油管道停输再启动安全性的定量评价。该方法的用途包括确定停输不同时间后管道再启动失败的概率,根据目标安全水平确定管道的允许停输时间,以及一定允许停输时间条件下的最低安全进站温度。与根据经验确定输油温度和允许停输时间的传统做法相比,本研究为含蜡原油管道的安全、经济运行提供了新的理论和方法支持。

含砂搅拌体系甲烷水合物生成与分解实验研究

利用高压反应釜装置,在不同初始压力、砂粒粒径等条件下进行甲烷水合物的生成与分解实验,研究细质砂粒固相颗粒对甲烷水合物成核诱导时间、生成和分解等的影响规律。结果表明:砂粒能够促进甲烷水合物生长,体系初始压力越高,水合物生成速率越高;体系初始压力为7.2 MPa、砂粒粒径为2000目(6.5μm)时,水合物生成过程最稳定,且水合物生成量最多;在分解过程中,纯水体系和含砂体系的分解速率相当,只存在气体释放量的差异。进而得出结论:砂粒固体颗粒的存在会促进水合物生成,所以在水合物开采过程中,若工况满足水合物生成条件,水合物二次生成会更易发生,使得矿藏砂粒、水合物、天然气、海水在管道内的多相混输堵塞风险增加;含砂条件对水合物分解的影响作用不大,矿砂在水合物分解过程中对流动安全的影响有待深入研究。该研究成果为解决深水浅层水合物开采过程中的流动安全保障问题,提供了重要的理论基础和技术支撑。

地表载荷作用下含缺陷燃气管道安全评价

为探究地表载荷作用下含缺陷燃气管道的力学性能与失效行为,提出含缺陷燃气管道安全评价方法,利用ANSYS非线性有限元软件,建立地表载荷作用下含体积型缺陷燃气管道的管土相互作用模型,揭示含缺陷燃气管道在地表载荷作用下的失效机制,分析内压载荷、缺陷位置、缺陷深度和缺陷长度等参数对管道失效过程的影响。结果表明:地表载荷作用下含缺陷燃气管道由于管道缺陷处与左右两侧起拱线处的Mises应力超过管材屈服强度而发生失效;内压载荷、缺陷位置与缺陷深度对管道临界失效载荷有直接影响;缺陷位于0°时管道在地表载荷作用下更容易发生失效;通过计算组合工况下管道临界失效载荷能够得到地表载荷作用下含缺陷燃气管道安全评定曲线。

大口径X80管道沉管应力响应规律与临界深度分析

“十四五”期间,国内大口径高钢级长输管道建设将进入高峰期。沉管下沟是大口径管道铺设的主要施工方式之一,当管道完全沉管施工时,所需管沟开挖长度、特别是管道应力状态难以估计,可能造成管沟开挖长度不足或局部应力过大等情况,难以保证施工进度与质量。应用非线性有限元方法,以D1219 mm大口径X80直管段管道为研究对象,分析不同土壤、管道壁厚、支墩位置、有无支墩及下沟深度5项影响因素对直管段管道沉管敷设完全沉管时悬空长度与管顶应力状态的影响规律。结果表明:不同土壤类型对管道完全沉管敷设时悬空长度与管顶应力状态有一定影响,但影响较小;当管沟深度在5 m以内时,壁厚与支墩位置变化时,悬空长度和管顶应力的变化趋势相同,且完全沉管时悬空长度与最大拉应力基本一致;相同管沟深度完全沉管时,管道悬空长度与管顶最大应力在有支墩情况下大于无支墩情况;沉管敷设管沟越深,悬空长度与管顶应力越大。对于D1219 mm X80管道,无支墩情况下,双侧单向与双侧背向沉管临界深度分别为6.74 m和6.80 m;有支墩情况下,双侧单向与双侧背向沉管临界深度分别为6.25 m和6.31 m。分析结果可为管道铺设施工作业提供参考。

水合物阻聚剂研究进展

相较于传统的水合物生成抑制方式,向管线中添加低剂量抑制剂的水合物风险控制策略,在深水多相集输领域防控水合物堵塞中具有显著的优势,备受国内外学术与工业界的青睐。阻聚剂是一种能在更为苛刻的高过冷度工况下,仍具有良好阻聚效果的低剂量抑制剂,可保证多相混输流体内生成的水合物以浆液呈现可输送状态。本文重点阐述了影响阻聚剂性能的关键因素,梳理了阻聚剂存在体系内水合物生成及流动的宏微观特性。总体而言,阻聚剂的性能受加剂量、含水率、矿化度、pH、溶液乳化状态及应用工况过冷度等综合因素的影响;添加阻聚剂体系的水合物浆液内水合物生成量稳定适中、流动性越好,油气水混输系统内发生水合物堵塞的风险越低,其流动安全的保障可靠性越高。基于上述研究,本文总结了阻聚剂对水合物的作用机理,并给出了未来深入开展阻聚剂研究的建议。

考虑轴向荷载和外压影响的非黏结柔性管道骨架层失效分析

非黏结柔性管道骨架层由不锈钢材料互锁缠绕而成,主要用于抵抗外压防止软管发生压溃失效。骨架层失效是柔性软管故障的最大风险,骨架层失效模式主要分为压溃失效和拉伸失效。采用非线性有限元方法并且考虑几何大变形、材料非线性、接触和摩擦等非线性效应的影响,对"S"型骨架层结构建立三维有限元模型,进行了单外压作用下的压溃失效分析和单一轴向拉力作用下的拉伸失效分析,而后开展轴向拉力和外压载荷组合作用下骨架层压溃失效分析。结果表明轴向拉力会一定程度上降低骨架层压溃承载力,相关结论可以为柔性软管结构设计和完整性评价提供参考。

成品油管网批次在线跟踪技术

成品油管网批次界面跟踪系统可基于实时运行数据实现管内批次位置实时跟踪、到站时间预测等,进而辅助站场精确掌握批次分输及混油下载时间,对于防止油品质量事故、提高站场管理效率具有重要意义。但现有批次跟踪方法基于体积推移算法,易受管内水力热力变化干扰,模型误差较大。提取管网实时流量密度数据,根据密度、阀门状态变化动态识别到站批次,并启动下游管道批次计算;基于油品体积流入、流出守恒定律构建批次界面推移计算模型,并考虑了由于混油、温度压力影响导致的油品体积动态变化,修正批次跟踪模型以补偿体积动态变化造成的批次位置偏差,最终开发了成品油管网批次界面实时跟踪系统。利用某成品油管网历史运行数据进行测试,结果表明,不考虑偏差修正的批次跟踪结果与实际到站时间的平均误差为10.87 min,而考虑温度压力修正模型的平均误差仅为3.8 min,误差降低了65%。该系统可满足管道运行管理的生产需求,有助于提高批次界面跟踪的工作效率,防止油品质量事故。

天然气凝析液管道水合物堵管风险研究

水合物的形成与堵塞问题是深海油气资源开发的主要风险之一,准确预测水合物堵管的概率是保障油气管线流动安全的基础。本文将基于可靠性的极限状态方法,引入水合物堵塞风险计算中,建立了基于水合物生成及凝析液流动特性的数学模型。综合考虑管道运行参数的不确定性,运用LHS和POD方法对堵塞风险的极限状态方程进行求解,实现了以概率形式定量描述天然气凝析液管道中水合物堵塞的风险,能够比较准确预测水合物堵管时间和堵管位置,为天然气凝析液管道防堵提供理论支持。

基于PFDHA的X80管道应变失效可靠度计算方法

地质断层是长输油气管道的主要地质灾害威胁,断层灾害条件下管道会由于过大的应变而失效。现有基于应变设计的确定性分析方法相对保守,无法考虑管道结构、管周土壤和地震断层位移的多重不确定性。为此,提出了一种综合考虑管道几何尺寸、管土相互作用,以及断层位移不确定性的可靠性分析方法。采用管道设计应变数据库,建立管道设计应变与各影响参数间的神经网络预测模型,获得基于应变的断层错位下管道极限状态方程。通过Monte-Carlo模拟,计算得到特定断层位移下考虑管道尺寸参数、管土作用参数、内压等参数不确定性的管道失效概率。基于断层位移概率危险性分析流程(PFDHA),对断层位移的不确定性进行考量,得到各断层位移在不同服役期下的发生概率。结合既得的管道条件失效概率,基于全概率计算公式可得管道在该服役期内的失效概率。以管道穿越博罗科努-阿其克库都克断裂的新粤浙X80管道为例开展分析,获取了该管道在服役10年、20年、30年的失效概率。结果表明:新粤浙X80管道服役20年内满足CSA Z662规定的目标可靠性要求;服役年限大于20年后,该穿越段管道失效概率将超越最大允许的失效概率,需采取必要的抗震措施。

安全思维和事故模型研究分析与展望

社会技术系统的日益复杂不仅滋生了更多潜在的安全问题,也促进了安全思维的不断改变。安全思维由基于事后响应的被动式管理向基于实时监控的主动式管理转变,事故模型也从简单线性思维发展到复杂系统思维。对事故模型功能和内涵的深刻理解有助于针对具体实际问题进行模型优选与开发。目前鲜有研究对安全思维及其与事故模型的关系进行深入探究,缺乏对各事故模型的特点、适用性和局限性的综合分析。本文在总结分析安全理念和思维发展历程的基础上,将事故模型划分为基于事件的因果链式模型、基于系统理论的事故模型和基于安全屏障的事故预测模型,从模型起源、功能和适用性等方面对3类模型中的代表性模型进行了综合分析,通过对比不同类别模型的优缺点和应用前景,展望了事故模型面临的挑战和未来的发展方向。

考虑运行平稳性的成品油管道调度方法

成品油管道调度计划是管道完成输送任务的重要运行依据,除了要保障按时、按量地将油品输送到沿线站场外,还应尽量维持管道的平稳运行,提高管道调度整体服务质量。目前,对于采用集中分输工艺的成品油管道,已有国内外调度计划制定研究尚无法将管道运行平稳性因素纳入考虑范围。而且,部分文献证实,若仅以水力约束的方式控制管道流量,会引起管段流量在某一范围内波动频繁的问题,进而会削弱管道运行安全性,致使研究成果脱离工程实际,鲜有落地应用。本文针对单源多汇的成品油管道,在现有研究的基础上,引入了流量波动系数、操作次数上限等适应于集中分输工艺的关键参数,并基于离散时间表达方法提出优化策略。此后,对站场分输工艺、管段运行流量、批次跟踪、预估下载量、下载偏差以及流量偏差等约束进行考虑,并以下载偏差和运行流量波动最小为目标函数,结合现场在相邻站场操作时间节点上改变本站下载流量的人工编制计划经验,构建了管道调度计划自动编制模型,实现了考虑运行平稳性的成品油管道调度计划的快速制定。所建模型应用于我国包含9座站场的某实际成品油管道,在2分钟内能够准确求解出该管道月调度计划;调度计划充分考虑了该管道全分输工艺、一次性下载要求,满足通用性要求;求解结果在运行过程中的正常流量波动占比90%,油品需求偏差控制在-3.23%~3.65%以内,具有较强的工程实用性。本研究成果对于采取集中分输工艺的成品油管道运行企业,在制定调度计划时具有一定的指导意义。

冬供期埋地燃气管道温度变化规律及水合物生成区域识別

管道内的低温燃气满足水合物生成条件时,在下游管道、调压站、调压箱内可能出现水合物冻堵通过商业软件TGNET建模与仿真计算的方式研究典型工况下冬供期高压燃气在自然地温作用下沿管道输送方向的温度变化规律,对管道、下游调压站、调压箱的水合物生成区间进行预测研究了管道进气温度、供气流量、地温和土壤导热系数等因素对管道燃气温度变化的影响规律,并引入燃气回温敏感度的概念对各影响因素的影响程度进行评价:研究结果表明:各影响因素的敏感度由大到小的排列次序依次为土壤导热系数、管道周围地温、进气流量和进气温度,长距离高A压力级制燃气管道在冬供期典型工况下,平均地温低于13℃或进气流量大于30×10^4Nm^3/h时,下游管道与调压站有形成水合物的风险,此外,规划设计类似规模的管道时应选择管道周围土壤导热系数大于1.2W(m·℃)的地区.