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我国油气管道技术和发展趋势

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我国 油气 管道 技术 发展趋势
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我国油气管道技术和发展趋势丁建林 3(石油大学 (北京 ) )丁建林 :我国油气管道技术和发展趋势 ,油气储运 ,2003 ,22 (9) 22~ 25。摘  要   从含蜡原油加剂改性输送技术、大落差地段输油管道的运行控制技术、管道自动化控制技术、管道内检测技术、储气库调峰技术、定向钻穿越技术、管道机械化施工作业技术等方面总结了我国油气管道技术的发展状况 ,介绍了西气东输管道工程采用的新技术以及特殊原油的改性输送技术和在役管道寿命评价等技术的发展趋势。主题词   油气管道   技术   发展趋势自 1959 年建成新疆克拉玛依至独山子输油管道以来 ,随着大庆、胜利、四川、华北、中原、青海、塔里木和吐哈等油气田的相继开发建设 ,中国逐渐形成了由北到南、自西向东的油气输送管网。在多年的管道建设实践中 ,管道设计、施工和运行管理技术得到了很大发展 ,原油常温输送、原油减阻降凝输送、自动控制、高强度管道钢应用、管道防腐保温、储气库调峰、管道流水施工作业、大型河流定向钻穿越等技术都得到了广泛应用 ,并取得了较好的效果。目前已经开工建设的西气东输管道工程是国内输送压力最高、选用钢材强度最高、口径最大的输气管道 ,采用了内涂减阻、盾构穿越大型河流和盐穴储气库等多项先进技术 ,使我国的管道设计和施工技术又上了一个新台阶。一、油气管道技术1、  含蜡原油加剂改性输送技术我国所产原油大多含蜡量较高 ,由于其凝点高 ,常温下流动性较差 ,一般采用加热输送工艺。该工艺的主要缺陷是加热能耗高、允许输量变化范围小、允许管道停输时间短。因而 ,含蜡原油的节能、安全输送一直是我国输油管道领域的主攻课题之一。添加降凝剂改性输送是目前含蜡原油节能、安全输送的发展方向。 20 世纪 80 年代以来 ,对含蜡原油添加降凝剂改性输送技术的研究取得了一系列的进展 ,在国内现有的鲁宁线、马惠宁线等 10 条输油管道上采用了添加降凝剂改性输送技术 ,取得了显著的经济效益。鲁宁管道采用加剂输送的第一年就节省加热用燃料油 16 197 t ,扣除加剂成本费 ,创经济效益 1 000. 64 × 104 元 〔 1〕 。目前 ,中国石油天然气集团公司 ( 在该技术领域处于国际前列。取得的主要技术成果如下所述。(1)先后研制出 系列降凝剂。这些降凝剂具有显著的改性效果 (如库鄯输油管道所输原油添加 降凝幅度可达 20 ℃ ) ,不仅在国内输油管道中得到了很好的应用 ,在国际上也有较强的竞争力。苏丹输油管道通过国际招标 ,最终采用了 降凝剂。(2)加剂输送技术的应用已发展到新管道按加剂输送设计 ,而 20 世纪 80 年代主要是用于已建低输量管道的技术改造。库鄯输油管道是我国第一条按加剂常温输送设计的输油管道 ,中间不设加热站 ,不仅节省建 4 座加热站的费用 4 800 × 104 元 ,而且每年还可以节省燃料费 1 000 × 104 元。苏丹输油管道也采用了 供的加剂输送方案 ,这是目前世界上最长的加剂输送管道。(3)在对管输过程中各种剪切作用定量描述及模拟方法等多项理论创新的基础上 ,成功地研究了3 102249 ,北京市昌平区府学路 18 号 ;电话 : (010) 84886633。·22· 油  气  储  运                   2003 年  加剂原油剪切和热力效应定量模拟技术 ,填补了国内外空白。由于加剂改性原油的流动性在输送过程中因热力和剪切作用而变化 ,因此 ,准确模拟管输过程中加剂原油的剪切和热力效应 ,是加剂输送管道设计和运行中的关键技术之一。该技术的研究成功 ,为加剂输送管道的设计和运行提供了新的理论和技术支持。(4)经过多年的研究和实践 ,对含蜡原油加剂改性输送的规律和机理有了较深入的认识。在总结生产实践经验的基础上 ,制订了石油天然气行业标准《原油管道加降凝剂输送工艺技术规范》 ,为加剂输送管道的安全、平稳、高效运行提供了有力保障。2、  大落差地段输油管道的运行控制技术我国西部地区地形复杂 ,所修建的长距离输油管道要穿越崇山峻岭。如库鄯输油管道在 113 落差高达 1 660 m ,是世界上少见的具有U 形特征的大落差管道 ,国际上大落差管道大多是高点后一泻而下 ,没有 U 形起伏带来的困难。兰成渝成品油管道也存在类似的大落差地段。如果不加以控制 ,大落差管道可能出现不满流现象 ,给运行控制造成困难。结合库鄯输油管道 ,研究了大落差管道不满流段两相流动的水力瞬变特性 ,建立了管道水击事故超前控制的数学模型 ,提出了大落差管道水击事故超前控制及动态模型控制的方法 ,填补了国内空白。3、  管道自动化控制技术近年来 ,我国油气管道的自动化控制水平有了显著提高。东北原油管网通过近几年的改造 ,由先单站、再单线、继而实现了整个管网的自动化控制。1997 年建成投产的库鄯输油管道采用了以监控与数字采集 ( 系统为主的管道自动化系统( ,以往的 统增加了在线实时控制、运行优化、泄漏检测及培训模拟系统 ,通过路远控截断阀室、阴极保护站、通信站、高低点压力变送站的实时数据采集和监控。由于全线高程差大 ,按照工艺要求 ,管道自动化系统与输油工艺实现了同步投产 ,实现了全线集中数据采集、监控和统一调度管理 ,实现了中间站无人值守 ,1997 年建成投产的陕京输气管道同样实现了较高的自动化控制水平。陕京输气管道采用了以 统为主的站场控制系统(,实现了对 19 座计量站、清管站以及干线截断阀室的实时监控及数据采集。 照就地人工控制、站场自动控制和接受调度中心指令实现远程控制三级控制模式设计 ,一旦因远程控制故障而中断 ,自动切换到站场控制系统模式 ,继续使站场正常运行。4、  管道内检测技术管道内检测技术 ,可以在保证管道正常运行的状态下 ,定量检测出管道存在的缺陷。该技术的应用为管道事故的预防和合理维护提供了科学依据 ,对保证长输管道安全运行具有重要作用。国外早在 20 世纪 50~ 60 年代就开始了管道内检测技术研究 ,我国从 80 年代开始管道检测技术与设备的研究和应用 ,先后从国外引进了不同规格的管道腐蚀检测设备。经过十几年的引进、消化吸收和国产化研制 ,国内现有管道腐蚀检测器已能满足273~ 720 种口径管道的检测需求 ,其中自行研制的 377 蚀内检测器 ,1998 年研制成功并投入使用 ,目前已获国家专利。截止目前 ,已对 20多条共计 6 612 油气管道进行了内检测。内检测技术的不断推广应用 ,降低了管道事故的抢修频率 ,并逐步转为有计划的检修 ,大大提高了管道的运行可靠程度。5、  储气库调峰技术采用储气库调峰是解决季节用气不均衡状况 、保证稳定供气的重要手段 ,在国际上已是十分成熟的技术。我国首次大规模采用储气库调峰是在陕甘宁气田至北京的输气管道工程上 ,为了解决北京市季节用气的不均衡性 ,保证向北京市稳定供气而修建了大港油田大张坨地下储气库。大张坨地下储气库位于天津市大港区 ,距北京170 气库采用一正在循环注气开发的凝析气藏 ,储气库有效工作气量 6 × 108 日调峰气量500 × 104 储气库建有注气井 14 口 (其中老井 2口 ) ,单井最大注气能力 :新井 75 × 104 d ,老井45 × 104 d。采气井有 16 口 (其中老井 4 口 ) ,单井最大采气能力 :新井 65 × 104 d ,老井 40 × 104d。另外 ,建有两座注采平台 ,1 座注气压缩机站 ,1 套 500 × 104 d 气体处理装置 ,以及其它生产辅助系统。储气库于 2000 年 11 月建成并顺利实现了向北京市的调峰运行。2001 年 ,又建成了大港板 876 储气库 ,设计调峰能力为 180 × 104 d ,正在建设的板中北高点储·32·第 22 卷第 9 期              丁建林 :我国油气管道技术和发展趋势气库 ,设计调峰能力为 300 × 104 d。 3 座储气库的 调峰能力达到 980 × 104 d。6、  定向钻穿越技术采用定向钻穿越大型河流是一种安全可靠 、经济有效的施工技术。 1985 年 ,中国石油天然气管道局从美国里丁贝茨建设公司引进了 1 套 5 型水平定向钻机 ,该钻机是当时世界上最大的定向钻机 ,适用于长输油气管道穿越大中型河流。该钻机额定推拉力为 500 t ,最大钻速 (在 40 t 推力下 ) 为21. 3 m/ 在额定推拉力下的钻机最大速度为1. 5 m/ 转盘的最大扭矩为 11 060 m ,转盘的最大转数为 45 r/ 钻机最大功率为 1. 1 钻机自 1986 年 4 月投入使用以来 ,已完成36 条河流共计 29 587 m 的河流穿越工作。近年来 ,很多单位又陆续引进了大小配套的多台定向钻机 ,推拉力在 100 t 以上的钻机达 20 多台 ,大大提高了长输管道河流定向穿越的能力。7、  管道机械化施工作业技术采用机械化流水作业施工工艺是提高管道组装焊接速度和质量的行之有效的办法 。焊接接头可以采用薄层多焊道 ,每层焊道厚度一般不大于 1. 5保证焊接缺陷不大于 1 据管子直径 ,每层焊道可以采用 2~ 4 名焊工同时施焊 ,一个管子接头可以在 10 内完成焊接。在学习和总结国外下向焊流水作业的基础上 ,我国管道施工作业队伍在手工和半自动下向焊施工技术上总结和积累了丰富的经验 ,形成了适合我国国情的标准化施工作业工艺。与气体保护焊、全自动焊、挤压电阻焊相比 ,具有使用辅助设备少、故障率低的优点 ,一个 40人的机械化流水作业线平均每天可以组焊直径 660管道 700 m (约有 60 个接头 ) ,已达到了国外先进工业化国家的组焊水平 〔 2〕 。二、油气管道技术发展趋势1、  西气东输管道工程采用的新技术目前正在建设的西气东输管道 ,代表了我国目前最高的管道设计和施工水平。西气东输管道横贯我国西东 ,起自新疆塔里木的轮南 ,止于上海市西郊的白鹤镇 ,自西向东途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏、浙江和上海市等 10 个省 (区 ) 市 ,管道全长 4 000 设计输量为 120 × 108 a ,管径为 1 016 输气压力为 10 材质为 气东输管道所经地区地形地貌复杂 , 沿线经过 7 种地貌危险段 ,即戈壁、沙漠、黄土、山地、水网密集区、河流穿越危险段以及其它不良地质段 (采空区、泥石流、盐渍土、地震断裂带等 ) ,全线穿越黄河3 次、淮河 1 次和长江 1 次 ,沿线有 20 条全新世以来的活动断裂带。为了保证管道安全平稳运行 ,同时也为了提高管道的经济效益 ,在西气东输管道建设中采用了一系列新技术。(1)高强度管材提高管材等级 ,相应提高管道系统的设计压力 ,是当今世界输气管道的发展趋势。高压输气可以增加管道输气能力 ,降低管道的运行费用。针对西气东输管道输量大、距离长的特点 ,在西气东输管道工程设计中 ,采用了 质的管材。这种钢材属于针状铁素体类型钢 ,其金相组织具有晶粒细化、组织均匀、易于实现高强度与韧性的平衡、抗腐蚀性能好等优点。同时 ,管道系统的设计压力选定为 10钢管类型选择上 ,壁厚为 14. 6 钢管选用了螺旋埋弧焊管 ,壁厚为 17. 5 21. 0 6. 2 钢管选用了埋弧直缝焊管。由于螺旋埋弧焊管作为西气东输管道工程干线的基本管型 ,可立足国内生产 ,因而节省大量工程投资。(2)大口径管道输送在设计输量为 120 × 108 a 的情况下 ,通过对 914 965 1 016 1 067 1 118种管径方案的比选 ,1 016 案在经济上最优。同时 ,与 1 067 1 118 管径相比 ,材质为 径为 1 016 小壁厚为 14. 6管子较易实现管材国产化。国外有多条直径为 1 016 管道在运行 ,是国际上常用的管径 ,对阀门、管件和配件的采办相对比较有利。(3)内涂层长距离输气管道采用内涂层技术是世界长距离输气管道的发展趋势。采用内涂层以后 ,可以大幅度提高输气量 ,降低输气管道的运行成本 ,提高管道的经济效益。西气东输管道工程采用的内涂层材料为反应固化型双组分液体环氧涂料 ,干膜厚度为 0. 05~0. 075 42· 油  气  储  运                     2003 年  西气东输管道工程采用内涂层后 ,泵站间距增大 了 16. 2 %~ 30 % ,减少压缩机站 3 座 ,节约投资11. 1 × 108元 ,扣除内涂层投资 4 × 108元 ,减少工程投资 7. 1 × 108元。在同样输量下 ,采用内涂层后 ,压缩机消耗的总功率可以减少 18. 7 %~ 23 % ,如果驱动机为燃气轮机 ,则自耗气可以减少 13. 1 %~23 % ,每年可减少运行费用 1. 65 × 108元。在生产运行上 ,采用内涂层后 ,可以减少清管次数 ,缩短管道干燥时间 ,减少管壁上杂质的沉积 ,保证气体介质的纯度 ,减少污染。(4)先进的 统西气东输管道工程自动控制系统采用以计算机为核心的监控和数据采集 ( 系统 ,设调度控制中心和后备控制中心各 1 座。并采用 1 套计算机管理信息系统 (M 负西气东输管道分公司信息管理和办公自动化等工作。西气东输管道工程 统监控范围包括轮南至上海输气干线和 3 条支干线 (定远至合肥、南京至芜湖、常州至长兴 ) 、计量测试中心以及规划中的多条输气支线、地下储气库和西气东输管道分公司管辖的用户门站。为了保证信息系统的安全 ,结合西气东输管道工程 统、 M 统等信息网的现有网络结构 ,提出了有针对性的安全策略 ,以身份鉴别、访问控制、网络隔离、数据加密等安全技术为基础的安全体系结构整体方案 〔 3〕 。(5)盐穴储气库调峰与西气东输管道工程配套的地下储气库选择为江苏省金坛市的金坛盐矿 ,盐层面积为 4. 5 盐层厚度为 150~ 200 m ,顶面埋深为 950~ 1 000 m。该库的设计溶腔形态为短轴椭球形 ,设计溶腔体积为 32 × 104 有效储气空间为 25 × 104 溶腔运行压力为 5. 5~ 16 坛储气库是我国首次建造的盐穴储气库 ,采取国外普遍采用的钻一口直井造一个腔的方案 ,采用水体循环的办法 ,注入清水 ,采出盐卤 ,使水体在盐层内循环溶解形成空腔。初步确定新钻井 30 口 ,建成库容为 14. 76 × 108 储气库 ,有效工作气为 9. 8 × 108 单井注气量为13 × 104~ 45 × 104 d ,采气量为 7 × 104~ 58 ×104 d。当储气库运行时 ,溶腔分为 2 组 ,轮换开井。目前 ,盐穴储气库的研究和设计工作正在进行中。(6)自动焊接西气东输管道工程首次大量采用了全自动焊接技术 ,大大提高了施工效率 ,使我国的管道焊接技术水平又上了一个新台阶。自动焊接方式主要有 3 种 ,即 自动焊根焊 ,自动外焊机填充、盖面 ;内焊机根焊 ,自动外焊机填充、盖面 ;外焊机全自动焊根焊 ,并配套采用了目前国际上先进的全自动超声波检测系统对焊口进行无损检测。西气东输管道工程采用的全自动焊接机组最高速度达到了每天焊接 55 道口。2、  特殊原油的改性输送技术对于组成特殊的含蜡原油 (如含蜡量较高、蜡的碳数高等 ) ,其管输和储存过程有其特殊的流变性特点 ,许多理论问题有待研究 ,主要包括 :原油管道停输再启动屈服、触变等流变特性 ;含蜡原油改性及改性效果稳定性机理 ;管输过程中蜡及沥青质沉淀规律 ;管输原油流变性与室内模拟技术。上述理论问题的突破 ,将为原油改性新技术、新型高效降凝剂及减阻剂的开发奠定基础 ,使含蜡原油的管输技术再上一个新台阶。3、  在役管道寿命评价技术我国大部分油气管道建于 20 世纪 60 和 70 年代 ,由于服役时间长 ,且限于当时的技术条件 ,部分管道腐蚀严重。为了延长管道寿命 ,降低维护费用 ,保证管道的安全运行 ,近年来 ,研究了老管道剩余强度评价及剩余寿命预测方法 ,通过建立相应的防范对策和控制风险的方案 ,为老管道安全运行动态化管理提供了技术支持。该方法包括基于可靠性理论的腐蚀寿命预测模型 ,强度和韧性双参数法的寿命预测模型 ,基于损伤理论的弥散损伤寿命预测模型 ,基于现场缺陷检测数据的应力腐蚀开裂寿命预测模型。运用该方法可以对管道疲劳寿命、腐蚀寿命、应力腐蚀开裂寿命、氢损伤寿命进行预测。目前 ,该技术已经完成研究工作 ,开始应用于生产实践。参  考  文  献1 ,   王可中 裘东平等 :鲁宁管道添加 S 原油改性剂工业性试验 ,油气储运 ,1998 ,17 (2) 。2 ,   高 祁 :长输管道施工作业技术 ,陕西科学技术出版社 (西安 ) ,1999。3 ,   吴 宏 陈向新 :西气东输管道工程技术与施工管理特点 ,天然气经济 ,2003 ,2。(收稿日期 :2003206216)编辑 :张淑英·52·第 22 卷第 9 期              丁建林 :我国油气管道技术和发展趋势作 者 介 绍严大凡   1934 年生 ,1951 年考入清华大学化工系 ,1955 年毕业于北京石油学院炼厂机械专业 ,留校随苏联储运专家进修 ,至今一直从事油气储运专业的教学与科研工作。曾获省部级科技奖 3 项及孙越岐能源大奖 ;1991 年获“石油工业有突出贡献科技专家”荣誉称号 ,享受政府特殊津贴 ;第七届全国人大代表 ,第八、九、十届全国政协委员。黄维和   教授级高级工程师 ,1957 年生 ,1982 年毕业于华东石油学院石油储运专业 ,现在中国石油股份公司从事管道建设和运行管理工作 ,石油大学 (北京 )油气储运专业在读博士研究生。张华林   高级工程师 ,1965 年生 ,1985 年毕业于华东石油学院石油储运专业 ,现在中国石油天然气股份有限公司总裁办调研室工作 ,石油大学 (北京 )油气储运专业在读博士研究生。张劲军   教授 ,博士生导师 ,1962 年生 ,1998 年毕业于石油大学 (北京 )油气储运工程专业 ,获工学博士学位。现任石油大学 (北京 )油气储运工程系主任 ,国家重点学科石油大学油气储运学科带头人 ,中国化学会中国力学学会流变学专业委员会委员 ,中国石油学会石油储运专业委员会委员。钱建华   教授级高级工程师 ,1963 年生 ,1983 年毕业于华东石油学院石油储运专业 ,现在中国石化管道储运分公司从事输油管理工作 ,石油大学 (北京 )油气储运专业在读博士研究生。丁建林   高级工程师 ,1964 年生 ,1986 年毕业于华东石油学院机械系储运专业 , 1999 年获清华大学 在中国石油天然气股份有限公司天然气与管道分公司从事油气长输管道的设计、施工和运行等技术管理工作 ,石油大学 (北京 )油气储运工程专业博士研究生。宋承毅   教授级高级工程师 ,1957 年生 ,1982 年毕业于华东石油学院油气储运专业 ,获学士学位 ;1997 年毕业于大庆石油学院机械工程专业 ,获硕士学位。现任中国石油天然气股份有限公司大庆油田建设设计研究院总工程师 ,中国工程热物理学会多相流专业委员会委员。李  宁   高级工程师 ,1963 年生 ,1983 年毕业于华东石油学院石油储运专业 ,现在中国海洋石油股份有限公司从事工程建设管理工作。姜笃志   教授级高级工程师 ,1960 年生 ,1982 年毕业于抚顺石油学院油气储运专业 ,石油大学 (北京 ) 油气储运专业在读博士研究生。一直从事油气管道设计和工程管理工作。宫 敬   教授 ,博士生导师 ,1962 年生 ,1982 年毕业于抚顺石油学院油气储运专业。 1995 年在石油大学 (北京 )获油气储运专业博士学位 ,现在石油大学 (北京 )从事多相流与油气管道输送工艺及管道运行仿真方面的教学与科研工作。吴长春   教授 ,1962 年生 ,1982 年毕业于华东石油学院油气储运专业 ,获学士学位 ,1985 年毕业于石油大学(北京 )油气储运专业 ,获硕士学位 ,现在石油大学 (北京 )从事教学与科研工作。梁永图   1971 年生 ,1995 年毕业于石油大学 (山东 )采油专业 ,2001 年毕业于石油大学 (北京 ) ,获硕士学位 ,现在石油大学 (北京 )从事教学工作。于  达   副教授 ,1956 年生 ,1982 年毕业于抚顺石油学院机械专业 ,现在石油大学 (北京 ) 从事教学与科研工作。张 宏   教授 ,1963 年生 ,1982 年毕业于华东石油学院机械系 ,1985 年毕业于石油大学 (北京 ) 研究生部 ,获硕士学位。现在石油大学 (北京 )从事教学与研究工作。张来斌   教授 ,博士生导师 ,1961 年生 ,1982 年毕业于华东石油学院石油矿场机械专业 ,1991 年在石油大学(北京 )获机械设计及理论专业博士学位 ,现在石油大学 (北京 )从事教学与科研工作。张  帆   副教授 ,1962 年生 ,1995 年毕业于石油大学 (北京 ) 石油天然气储运工程专业 ,获硕士学位 ,现在石油大学 (北京 )油气储运工程系从事油气储运的教学与科研工作。吴海浩   工程师 ,1972 年生 ,1993 年毕业于石油大学 (山东 ) 油气储运专业 ,2003 年毕业于石油大学 (北京 )油气储运专业 ,获硕士学位 ,现在石油大学 (北京 )从事教学工作。·36·第 22 卷第 9 期                  油  气  储  运on O , 2003 ,22 (9) 11~ of or As a a in of in in is It is of in up to in to in on il O , 2003 ,22 (9) 18~ of to of of to of of to to is s O ,2003 ,22 (9) 22~ s in PD , of of of DD of in as as In of on of is in O ,2003 ,22 (9) 26~ in of is in on of in in s in —
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