輸油管道設(shè)計與管理

輸油管道設(shè)計與管理designandmanagementofoilpipelines第一章 輸油管道運輸工況(overviewofpipelinetransportation)§1.1輸油管道概況一、 概述管道是石油生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，是石油工業(yè)的動脈。在石油的生產(chǎn)過程中，自始至終都離不開管道。我們可以把石油的生產(chǎn)過程簡單的表示為：原油管成品油管油f計量站一井聯(lián)合站一轉(zhuǎn)油站一礦場油庫一煉油廠一用戶礦場油氣集輸系統(tǒng) 長輸管道從油井出來的油氣通過管道輸送到計量站，經(jīng)過計量后又由管道輸送往聯(lián)合站，在聯(lián)合站生產(chǎn)出合格的原油，合格原油通過管道和轉(zhuǎn)油站輸?shù)降V場油庫或外輸?shù)焦艿朗渍荆ㄟ^長輸原油管道輸?shù)綗捰蛷S加工精練，生產(chǎn)出各種產(chǎn)品，通過成品油管道或鐵路、公路、水路將各種產(chǎn)品送往用戶。油井至礦場油庫部分屬于礦場油氣集輸系統(tǒng)，這屬于“油氣集輸”課程研究的內(nèi)容。后面的原油管道和成品油管道屬于長輸管道的范疇，是本課程要研究的內(nèi)容。長輸管道是長距離輸油管道的簡稱，它是指流量大，管徑大，運距長的自成體系的管道系統(tǒng)?？珊唵蔚乇硎緸椋菏渍疽恢虚g站一……一末站收計加加收加加收計發(fā)油量壓熱油壓熱油量油長輸管道總是由輸油站和線路組成。而首戰(zhàn)、末站和中間站統(tǒng)稱為輸油站。流體沿管道流動過程中要消耗能量，所以沿線要不斷地由泵站和熱站增加能量，因而要建若干中間站(boosterstation,heatingstation)。首站(initialstation)和末站(terminal)的位置視情況而定。對于原油管道，首站一般在油田，末站一般為煉廠和港口。為了保證管道的連續(xù)運行，首末站一般建有較大的庫容，而中間站一般只設(shè)一座旁接油罐或高罐。用以調(diào)節(jié)流量的不平衡(旁接油罐流程)或高泄壓(密閉流程)。輸油管道一般由離心泵提供壓能。電動機為原動機。對于加熱輸送的管道，由于沿程散熱，為了保持油品的溫度，沿線還要設(shè)加熱站，所用原料一般為所輸原油或渣油。為了保證管道的正常運行，全線設(shè)有有效的通信系統(tǒng)，以調(diào)度、指揮生產(chǎn)。目前多采用微波通信系統(tǒng)(microwavecommunicationsystem)。二、 管道運輸?shù)陌l(fā)展歷史和發(fā)展趨勢1、管輸?shù)陌l(fā)展歷史管道工業(yè)有著悠久的歷史。中國是最早使用管道輸送流體的國家。早在公元前的秦漢時代，在四川自貢就有人用打通了的竹子連接起來輸送鹵水，隨后又用于輸送天然氣?，F(xiàn)代管道始于19世紀中葉，1859年，美國賓夕法尼亞(pensylvania)打出了第一口油井，所生產(chǎn)的原油起初用馬車拉運，從而導致了嚴重的交通擁擠。直到1865年，才建造了第一條用于輸送原油的管道。直徑為50mm,長為10km，輸量為12.8m3/h,用往復泵驅(qū)動。1879年，在美國的賓夕法尼亞鋪設(shè)了一條口徑為150mm,長為17.4km的輸油管道。1886年，美國又鋪設(shè)了一條口徑為200m,長為139km的輸油管道。在1920年前，管道均采用絲扣連接，因此管徑較小。1920年，在管道鋪設(shè)中開始采用氣焊，隨后又被電焊所取代。金屬焊接工藝的發(fā)展和完善促進了大口徑、長距離管道的發(fā)展，同時也促進了新管材的使用。但真正具有現(xiàn)代規(guī)模的長輸管道則始于第二次世界大戰(zhàn)。當時由于戰(zhàn)爭的需要，美國急需將西南部(southwest)油田生產(chǎn)的油運往東海岸(eastcoast),二由于戰(zhàn)爭，海上運輸常常被封鎖而中斷，這就促使美國鋪設(shè)了兩條輸油管道。一條是原油管道，口徑為600mm長為2158km，輸量為47700m3/d(1500萬噸/年)，由德克薩斯到賓夕法尼亞。另一條為成品油管道，口徑為500mm,包括支線全長為2745km，輸量為3760m3/d(1300萬噸/年)。由德克薩斯到新澤西，同時還鋪設(shè)了一條輸氣管道，口徑為600mm,長為2035km，有西南部到東海岸。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，戰(zhàn)后各產(chǎn)油國都鋪設(shè)了不少長輸管道。從60年代起，輸油管道向大口徑、長距離的方向發(fā)展，并出現(xiàn)許多跨國管線。較著名的有：1964年，蘇聯(lián)建成了蘇聯(lián)一東歐的“友誼”輸油管道，口徑為1020mm,長為5500km。1977年，建成了第二條“友誼”輸油管道，在蘇境內(nèi)與第一條平行，口徑為1220mm,長為4412km，經(jīng)波蘭至東德。兩條管線的輸量約為1億噸/年。1977年，美國建成了世界上第一條伸入北極的橫貫阿拉斯加管道(transalaskapipeline),口徑為1220mm,全長為1287km，其中900km管道采用架空保溫鋪設(shè)。年輸量約為1.2億m3。不設(shè)加熱站，流速達3m/s,摩擦熱可保持油溫60，投資77億美元。1983年，沙特建成了東一西原油管道，從東海岸至西海岸，管徑1220mm,長為1202km，輸油量1.37億m3/a1988年，美國建成了從西部圣巴巴拉至休斯頓的原油管道，管徑162mm,總長2731km，年輸油能力約為1600萬噸。同時，成品油管道也獲得了迅速發(fā)展。典型的是美國的科羅尼亞成品油管道系統(tǒng)。干線口徑為750、800、900、1000mm,總長為8413km，輸油能力為1.4億噸/年。2．世界管道的發(fā)展趨勢高壓力、大口徑的大型輸油管道從經(jīng)濟角度看，大口徑管道比小口徑管道的輸油成本低得多，例如：一條直徑1220mm管道，在7.35mpa的壓力下，輸量為Q1,直徑920mm管道，在同樣壓力下，輸量為Q2，則Q1=2Q2。也就是說，一條直徑1220油能力是一條直徑920管道的2倍。而建一條直徑1220管道比建2條直徑920管道節(jié)省投資30％，同時，一條大口徑管道的運行費用也大大低于2條小口徑管道的運行費用。從而可以大大降低輸油成本。也就是說，輸油成本隨管徑的增加而降低。目前國內(nèi)最大口徑為直徑720，國外為直徑1220。采用高壓力輸送，可以提高一條管道的輸油能力，從而降低輸油成本。國外輸油管道壓力一般均在6.0mpa以上。如阿拉斯加輸油管道的操作壓力為8.2mpa。采用高強度、高韌性、可焊性良好的管材采用先進的輸油工藝和技術(shù)設(shè)計方面，采用航空選線，有利于優(yōu)化設(shè)計，并重視管線的可行性研究。采用密閉輸送工藝流程，減少油氣損耗和壓能損耗。采用計算機自控。遙控技術(shù)、減少操作人員，實行優(yōu)化運行。采用化學藥劑(減阻劑、降凝劑)降低能耗，提高管線的輸油能力。采用新型、高效、露天設(shè)備采用露天設(shè)備可以大大降低戰(zhàn)場投資。輸油設(shè)備功率大，常年運行，必須保證高效、可靠如加熱爐效率：國外可達90％，國內(nèi)70％左右，泵：國外可達80％以上，國內(nèi)只有70％左右。三、 管道運輸?shù)奶攸c1、 長輸管道的分類：原油管道（crudeoiltrunkline）:特點是輸量大，運距長，管徑大，分輸點少。它的起點一般為油田，終點一般是煉廠或港口。成品油管道（produstspipeline）:特點是所輸油品品種多，批量多，分油點多，采用順序輸送。它的起點一般為煉廠，終點一般為消費地區(qū)的儲油庫和分配油庫。2．管輸?shù)奶攸c從管道運行的發(fā)展歷史和目前的現(xiàn)狀我們可以看到，管道的發(fā)展和能源工業(yè)、礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，而且管道輸送已成為一種獨立的主要的運輸方式。下表是美國1975－1980年各年原油和成品油運輸中的各種運輸工具所占的比例：％年管道水運公路鐵路總運量（億噸）197548.0222.0628.421.5018.32197648.0221.8628.751.3719.45197747.9521.7228.941.3920.56197846.2423.6828.881.2021.24197946.6623.4528.681.2120.96198046.2125.5727.041.1819.92由上表看出，管道運輸是原油和成品油的主要運輸方式。我國已把管道、鐵路、水路、公路和空運并列為5種主要的運輸方式。管道運輸具有以下幾點特點：用量大，基建費用低（與鐵路相比）一條直徑720的管道，全年用量2000萬噸，相等于一條單線鐵路的全年用量，而基建費用僅為鐵路的一半。受外界限制少，可長期穩(wěn)定連續(xù)運行，對環(huán)境的污染小。車船受臺風和氣候的影響較大，而管道則基本上不受惡劣氣候的影響。管道一般埋入地下一米左右，泵站一般使用電力，無廢氣排放，對環(huán)境的噪音污染小。管線基本上采用密閉輸送，減少了油品的損耗。而鐵路、船都很難做到密閉輸送，沿途的呼吸損耗，特別是裝卸時的呼吸損耗很嚴重，而車船要排出廢氣，發(fā)出噪音，對環(huán)境污染很大。便于管理，易于實現(xiàn)集中控制，勞動生產(chǎn)率高。一般來說，管線操作人員比鐵路值班人員要少的多。如美國一條長1600km的漿液管道影響和維護人員為325人，僅為相應鐵路運輸工作人數(shù)的1/6。運價低，耗能少國外管輸運價約為鐵路的1/6，能耗約為鐵路的1/7-1/12。在各種運輸方式中，運價由低到高依次為水運、管輸、鐵路、公路。占地少，受地形限制少。管道全長地95％埋于地下，地面仍可耕種。管道比鐵路更便于翻山越嶺，穿越河流、湖泊。鐵路的坡度不得超過0.003，而管道基本上不受限制，這樣更便于取捷徑，縮短運距。在起終點相同的兩地區(qū)，鐵路長度一般比管道長3%左右。管輸適于大量、單向、定點的運輸，不如鐵路、公路運輸靈活。四、 我國輸油管道概況1。概況1958年以前，我國輸油管道還是一個空白。1958年，我國修建了第一條長輸管道：克拉瑪依——獨山子原油管道。隨著我國石油工業(yè)的發(fā)展，70年代開始興建大型輸油管道，主要是原油管道，到80年代末，我國鋪設(shè)的百公里以上的原油長輸管道20余條，管徑為159?720,形成了具有一定規(guī)模的原油管網(wǎng)（參看掛圖。）在東北和華北地區(qū)，先后建成了慶鐵線、鐵大線、鐵秦線、秦京線、鐵扶線、撫鞍線和任京線，形成了規(guī)模大的東北管網(wǎng)，擔負了大慶油田、遼河油田、華北油田的原油外輸任務(wù)。在華東地區(qū)，先后建成了魯寧線、濮臨線、滄臨線、中洛線、東臨線、東黃線、東黃復線東辛線、臨濟線，形成了規(guī)模較大的華東原油管網(wǎng)，擔負了勝利油田、中原油田的原油外輸任務(wù)。另外，已經(jīng)停止運行的任滄線實際上已將東北和華東兩大管網(wǎng)連為一體。在華中地區(qū)，魏荊線擔負了河南油田地原油外輸任務(wù)。在華南地區(qū)，湛茂線擔負了茂名石化地供油任務(wù)。在內(nèi)蒙境內(nèi)還有阿賽線。在西北地區(qū)，馬寧線擔負了長慶油田地原油外輸任務(wù)?；ǜ窬€擔負了青海油田地原油我是任務(wù)?？霜毦€擔負了克拉瑪依油田地原油我是任務(wù)。橫跨青藏高原的格拉管道是我國第一條也是唯一一條成品油管道。到1990年為止，我國油氣管道總長已超過1.5萬km。擔負了80%以上的原油外輸任務(wù)。00%的天然氣外輸任務(wù)。目前我國主要輸油管道的概況見下表：線名起止地點 管線長度（km）管徑（mm）輸油能力（萬噸/年）投產(chǎn)日期慶鐵線林源－鐵嶺515.87720X8?945001971.11慶鐵復線林源－鐵嶺523.79720X8?945001974.9鐵大線鐵嶺－鲇魚灣458.69720X820001975.9鐵秦線鐵嶺－秦皇島454.25720X8?920001973.9魯寧線臨邑－儀征655.37720X8?920001978.7東臨線東營－臨邑188.8529X7?810001977東黃復線東營－黃島245.4711.2X7.14?8.7420001986.72．我國輸油管道存在地問題我國管道工業(yè)與一些發(fā)達國家相比還比較落后。原蘇聯(lián)地管道運價約為鐵路地1/2?1/4,美國約為1/10，而我國與鐵路運價差不多，甚至有些管線還高與鐵路運價。這一方面是由于我國原油多數(shù)魏易凝或高粘原油，必須采用加熱輸送，能耗大：另一方面是我們地技術(shù)落后，管理水平低下。歸納起來存在以下幾個問題：對管道的前期工作重視不夠，油氣資源不落實，盲目建管道，造成管道利用率低。以華東輸油管網(wǎng)為例：華東管網(wǎng)擔負勝利和中原油田地原油外輸任務(wù)。目前這兩個油田地原油產(chǎn)量約為400百萬噸/年，而華東管網(wǎng)地外輸能力已達到6005萬噸/年，平均利用率只有57，造成東黃、魯寧兩大輸油動脈不能滿足負荷運行。特別是中洛復線的建設(shè)更是極大的浪費。中原油田當時產(chǎn)量6百萬噸/年左右，實際外銷也只有500萬噸/年左右，原中洛線和濮臨線的外輸能力為600萬噸/年。河南省只考慮了本省的利益，借口洛陽煉廠擴建，在未作可行性研究的情況下，由洛陽煉廠集資2億多元，盲目修建了輸油能力為500萬噸/年的中洛復線，該線于91年建成，92年投產(chǎn)，造成了極大的經(jīng)濟損失，由于輸油量低，只能靠添加劑維持輸送。75年開始修建的川一滬輸氣管道更是一個典型的例子。原計劃建一條直徑1020長1800km的輸氣管，計劃輸氣300億立方厘米/年，但由于氣源不落實而告吹。當時四川的天然氣還不能滿足本省需求。75年會戰(zhàn)，76年開始修公路，79年完成了四川境內(nèi)的管道鋪設(shè)和長江穿越工程，耗資數(shù)億元。由于輸油管道不能滿足滿負荷運行，造成輸油成本很高，其原因為：輸量小，輸油成本中固定資產(chǎn)折舊費占的比例很大。熱油管道，輸油量越小，要求加熱溫度越高，且泵也會偏離高效區(qū)，使輸油成本中能耗費和勞務(wù)費用增加。輸油管道主要設(shè)備的性能和效率低下。鋼管：我國目前使用的16Mn鋼，承壓能力低，再加上制管工藝不夠完善，施工質(zhì)量差，管道變形等原因，只能使管子降級使用。如直徑529X816Mn管線，操作壓力一般應達5.0MPa,但實際操作中只能使用到4.1?4.4MPa。目前國外多采用可焊性好的低合金高強度鋼，如阿拉斯加管道，輸送壓力可達8.2MPa。由于我國的管子承壓較低，因而站間距較短，耗鋼量較多，投資較大。泵：目前我國輸油主泵的效率一般在70%左右，國外可達85%。加熱爐：我國一般在75%左右，國外可達90%。長輸管道是耗能大戶，設(shè)備的效率至關(guān)重要。如東北管網(wǎng)，若泵效提高1%，全年可節(jié)省電費近二百萬元。自動化水平低管道系統(tǒng)自動化水平的高低是衡量管道技術(shù)水平高低的重要標志之一。目前，我國管道系統(tǒng)自動化水平還很低，許多管道還不能實現(xiàn)集中控制和優(yōu)化運行，操作人員和附屬人員過多。工藝流程落后。目前我國管道大部分仍采用旁接油罐流程，油氣損耗嚴重，能量浪費驚人。加上過去多采用先泵后爐流程，通過泵的油品的粘度大，導致泵效率降低，也造成一定的動力浪費。3．我國管道今后發(fā)展的方向東部不會有大的建設(shè)任務(wù)，重點是完善、改造輸油工藝，采用先進的工藝流程，實行密閉輸油和優(yōu)化運行，提高管道的自動化水平和管理水平。管道建設(shè)重點將向西部轉(zhuǎn)移。由于西部人稀地廣，自然條件差，需要增大泵站間距，減少操作人員，提高自控水平。發(fā)展成品油管道和漿體管道。目前我國成品油主要靠鐵路和公路運輸，運價高，且給鐵路運輸造成很大壓力，因此發(fā)展成品油管道系統(tǒng)將是我國管道建設(shè)的一個重點。第二節(jié)管道的勘察、選線和設(shè)計步驟(參考第一章)(Exploration,routeselectionanddesignstepsofpipelines)大型輸油管道的設(shè)計一般分為三個階段(即所謂的三段設(shè)計)——可行性研究(又叫方案設(shè)計)，初步設(shè)計和施工圖設(shè)計?？尚行匝芯?FeasibilityStudy)一條新管線的建設(shè)首先要進行整體規(guī)劃和可行性研究?！翱尚行匝芯康娜蝿?wù)是根據(jù)國民經(jīng)濟長期規(guī)劃和地區(qū)規(guī)劃、行業(yè)規(guī)劃的要求，對建設(shè)項目在技術(shù)、工程和經(jīng)濟上是否合理和可行，進行全面分析、論證，做出多方案比較，提出評價，為編制和審批設(shè)計任務(wù)書提供可靠的依據(jù)?！笨尚行匝芯繎üこ添椖康母黜椉夹g(shù)指標和經(jīng)濟條件，如：油田的近、遠期生產(chǎn)能力管道的最佳工藝方案線路的最佳路徑方案工程的主要設(shè)備材料及其來源投資額及其來源、工期逐年運行成本和利潤、內(nèi)部收益率、投資回收期等經(jīng)濟指標。在可行性研究之前，要進行實地踏勘(Survey)，了解沿線的地貌，選定一條或多條線路。在國外，非常重視管道的可行性研究工作。在油田進行勘探開發(fā)的同時，就用勘探費用的2%左右的資金，從高原油外輸方案的可行性研究，所需時間約為6?12個月。初步設(shè)計(Preliminarydesign)根據(jù)設(shè)計任務(wù)書確定線路走向，選擇工藝方案和輸油站，確定管道的鋪設(shè)方式、保溫和防腐措施、管道穿跨越各種障礙的建設(shè)方案，全線的主要設(shè)備和材料。該間段要包括所有的計算工作和其他附屬工程的方案圖等。為了進行初步設(shè)計，要進行初步設(shè)計勘察，并做工程概算。3. 施工設(shè)計（detailing）該間段的工作主要包括：組織施工圖間斷的勘察、修改或補充原初步設(shè)計，根據(jù)修改后的初步設(shè)計進行線路設(shè)計和輸油站設(shè)計，繪制施工圖，并繪制出帶狀地形圖和管線縱斷面施工圖。同時做出工程預算?？v斷面圖示布置泵站的主要依據(jù)］，在縱斷面圖上布置完泵站后，再到實際現(xiàn)場，檢查是否合理，并進行站址調(diào)整?？v斷面圖包括沿線地形標高、地貌（河流、公路、建筑物等）（幻燈片）注意：①在縱斷面圖上，任一兩點之間的實際距離等于著兩點的橫坐標之差。地形起伏只是形象表示地形、地貌與實際地形圖不同。也就是說管線的實際長度即為橫坐標值。②縱斷面的畫法：縱斷面圖要緊湊。一般橫坐標（里程）比例要比縱坐標（高程）的比例小的多。§1.3學習專業(yè)