油气储运安全技术进展研究

周 雪 静

（中国石油大学（北京）， 北京102249）

油气储运安全技术进展研究

周 雪 静

（中国石油大学（北京）， 北京102249）

石油与天然气属于易燃易爆化学品，储运难度大。油气储运安全事故频发，对安全技术的要求也越来越高。近几年来，油气储运工作者不断探索研究，安全技术得到发展。在阅读文献的基础上，归纳油气储运安全技术的进展。首先分析了油气储运安全现状，提出对安全技术的迫切需求，然后从管道和站场两个方面进展详细介绍了近几年来安全技术的进展，最后提出未来几年的探索方向。

油气储运；安全技术；管道；站场

随着国民经济的快速发展，国家对于石油和天然气的需求量逐渐升高。我国在1996年由石油出口国变成了石油进口国，截至2013年6月，我国已建成天然气管道将近6万km，原油管道2.6万km，成品油管道2万km，形成了横跨东西、纵贯南北的油气管网。但是油气储运的迅速发展却带来了频发的油气安全事故，据统计，我国的油气储运管道事故率平均为3次/（1 000 km·a），而美国仅为0.5次/（1000 km·a），欧洲甚至为0.26次/（1000 km·a）[1]。安全问题受到越来越多人的关注。而近几年发生的“11·22”青岛管道爆炸事故再一次将人们的目光聚焦到油气储运的安全问题上。

石油与天然气属于易燃易爆的化学品，挥发性很强，储运难度大。一旦出现事故，小则破坏财产安全，大则危害生命安全[2]。目前石油天然气在储存和运输的过程中还存在很多的安全问题，包括管道爆炸，管道泄漏，油气管线被违章占压，安全设施不完善，安全监测不到位，自然灾害的破坏等[3]。面对这些问题，我们要依靠先进的科学技术，不断探索研究，保证油气管道运行安全的同时，也是保护我们自己的安全。近几年来，油气储运工作者也在不断摸索，安全技术也得到了很好的发展，并应用于生产。本文将从管道和站场两个方面来谈谈近几年来油气储运安全技术的新进展。

1 管道安全技术

管道设计首先要符合《输油管道工程设计规范》《输气管道工程设计规范》等国家规范的要求。

1.1 基于应变设计方法的应用

近几年我国的油气管道技术应用了先进的设计技术，引入基于应变的设计方法[4]。传统的基于应力的管道强度设计方法是一种弹性设计，适用于在内压、温差等以力为控制参量的载荷作用下的情形[5]，这种设计方法是建立在限制管壁环向应力的基础上，并且广泛应用于管道的设计。但是随着极限状态设计观念的引进，明确了管线的失效方式。新材料的发展使得材料脆性行为和相关的失效模式几乎可以避免，但是变形失效模式，如地震和地质灾害引发的管道失效引起了人们的重视。于是研发出了基于应变的管道设计方法。我国在2004年引入了基于应变的管道设计方法，它是一种塑性设计，这种设计方法一般适用于发生重大地质灾害时，作用于管道上的载荷以位移为控制参量的情况[6]。基于应变的设计方法应满足：εd≤φεc，其中：εd表示设计应变；φ表示设计系数；εc表示许用应变。

我国的管道建设面临着各种各样的地质环境，比如松散黏土地区，不能集结成岩石；黄土层，在湿透之后会崩塌。同时还面临着地震、滑坡、泥石流等地质灾害的威胁和越来越多海底管道敷设的任务。这些情形都适合使用基于应变的设计方法，它利用了管材的塑性变形能力，并且也能保证结构的稳定。目前这种方法已经应用在某些管道项目上，随着技术的成熟，基于应力的设计方法和基于应变的设计方法相结合，更能保障我国管道建设的安全。

1.2 阴极保护技术的应用

近几年来，输油气管道都在使用阴极保护措施。阴极保护是一种利用电化学腐蚀原理对管道进行保护的技术。阴极保护的原理是：给金属补充大量的电子，使管道整体处于电子过剩的状态，从而使管道表面各点达到同一负电位。阴阳极之间有电流通过，会加速阳极的腐蚀，并且抑制阴极的腐蚀[7]。文献[8]通过实验和数值研究论证了阴极保护对于管道防腐的有效性，作者开发了一个有限元数值模型来模拟管道在电流密度上的潜在缺陷，然后确定了阴极保护下缺陷内的电位分布，得到了阴极保护对于管道缺陷的有效性保护的结论，而且导出了计算腐蚀缺陷的经验方程，为准确评估管道的腐蚀余量和剩余寿命提供了依据。笔者认为阴极保护的作用已经得到了理论与实践的验证，广泛应用于管道的运行可以保障安全。

1.3 管道安全监测技术的应用

由于油气管道距离长，分布广，不可能任何一处都有人看守,但石油和天然气需要一个24 h工作的监控系统。油气储运安全监测主要利用的是网络化数字技术，对油气输送管道进行安全自动监测，这样就解决了管道出现问题却不能得到及时解决的问题。

安全监测方法一般分为两种：直接监测和间接监测。直接监测是指通过监测管道表面泄漏痕迹和扩散气味等来发现问题。间接监测则是通过监测流量、压力等运输条件的变化来发现问题。安全监测系统一般具有视频实时监控功能、报警联动功能、流量分析功能和压力分析功能，可以对管道参数进行多点实时动态监测，同时进行外部视频监测，内部流量监测，而且该监测系统有较强的数字抗干扰能力，一旦出现流量、压力等的异常，工作人员则能立刻发现并采取有效措施。

目前国际上发展了包括非光纤型和基于光纤的多种监测技术，包括视频监控、光纤传感、基于电的声学传感等类型，多是根据传感技术进行精密的检测。文献［9］设计和研究了一种新颖的光纤光栅传感器，通过测量圆周应变来得到结果。这种技术的应用可以用来评估管道是否变薄和监测管道是否泄漏。另外，这种传感器的灵敏度还可以根据工程的实际情况来调整。安全监测的一个重要方面就是监测管道的泄漏情况，Yu Zhang等[10]通过设计动态压力变送器进行长输管道的泄漏监测。控制室及时获得动态压力信号，管道泄漏的微小压力变化也很容易捕捉到，普通的静态压力变送器定位精度和灵敏度都有限，通过初步的仿真结果可知动态变送器可以获取更多的压力波动。

对于油气管道进行实时安全监测，是确保储运安全的一项重要措施，目前国际上发展的多种监测手段并用，同时保障管道的安全。

2 站场安全技术

油气站场的特点是设备多且复杂，占地面积集中。它的安全技术设计首先要遵守《石油库设计规范》等国家规范的规定。为了保障安全，站址多选在地势平缓、开阔的地方，并且尽量避开人工填土等地势较差的地带。

2.1 站场消防安全技术的应用

油气站场最主要的安全问题就是消防设计是否合格。我国站场消防系统一般采用冷却水泵、泡沫供水泵，管网单独设置[11]。设计按照“预防为主，防消结合”的消防方针，主要是通过储罐固定式冷却水喷淋装置和固定低倍数泡沫灭火装置为站场提供消防保护。一旦出现火情，可及时扑灭，并且该消防系统设置了火灾自动报警系统，消防管网的控制阀均可以采用远程进行控制。国内消防系统的优点是安全性高，投资设备省，而且操作方便。

而国外的消防系统采用冷却水泵、泡沫供水泵，管网合并设置。此种方法需要的消防泵台数比较少，管网设置简单，而且泡沫管线较短，试运行之后，清理管线很方便。但是它的缺点是安全性低，灭火反应时间无保证。笔者认为，消防过程安全最重要，我国的方法更适合我国的生产活动。

不管是国内还是国外都需要用到泡沫灭火装置。文献［12］详细介绍了压缩空气泡沫系统，这种系统与低倍数泡沫灭火系统在宏观参数和微观参数上均有不同，根据规范可以确定该泡沫罐的壳体厚度、罐底的厚度、水和泡沫的供应强度等信息。然后其通过小规模的模型试验检验压缩空气泡沫系统的灭火效果。最终得到的结论是泡沫罐可以承受火焰辐射，压缩空气泡沫灭火系统可以应用于储罐灭火，可以用中间层效果理论解释燃料液面高时出现火舌，燃料液面低时出现球形火焰的现象。笔者认为，这是对消防设计中泡沫灭火装置的一个升级探索，虽然没有大规模应用，但是模拟了灭火效果，有利于更好的改进。

2.2 软质储罐的应用

近几年来，随着科技的发展，软质装备成为了油气储运的新方式，软质储罐则是油库区的新型装备[13]。它是一种可以折叠的软体容器，其材料强度高，耐刺穿，抗撕裂，具有罐体密封性能好，力学性能好，装卸运输方便等优点，它的重量仅为同容量钢质油罐的10%。由于它的安全系数大，成为了储存油气的新途径。

2.3 地下水封油库技术的应用

地下储油库被认为是相对于储罐来说更安全的储存技术。地下水封油库安全且储存量大，很多国家都建了规模约为300万m3以上的地下水封原油库。世界上库容最大的为韩国丽水的地下油库，总库容达到790万m3。

地下水封油库就是在地下水位以下的人工凿岩洞内，利用水封作用进行油品的储存。由于静水压力大于储油的静压力，油品被密封[14]。若想很好的利用水封油库，必须了解地下水位的动态变化。文献[15]以黄岛地下水封油库的地质条件为依据，采用非饱和非恒定流数值分析方法，对地下水封油库在施工期和运行期的地下水位工况进行了数值仿真模拟，得到的结果表明地下水位受岩体渗透系数、洞穴开挖方式和运行方式的影响。笔者认为，地下水封油库最大的优势就是它的安全性高，据研究，建地下储油库可以使地震减低1°左右。目前还没有关于地下储油库的事故报道。在我国已经实施的国家二期石油战略储备计划中，地下水封洞库已经列入其中，可见其在我国具有很好的发展前景。

3 结束语

在可预期的未来几十年的中国发展中，对于油气资源的需求仍会增长，油气储运的发展也必然向着运用高新技术，实现安全生产的方向发展。目前油气储运安全技术需要研究的方面还有很多，比如油气管线及站场的风险评价技术，含缺陷管道的适用性评价技术，油气管线及场站的完整性管理技术，管道地质灾害的防控技术，大型油库或者油罐的安全问题等。我们要充分利用和提高已有的安全技术，并充分开发新的技术解决新的挑战。

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Research Progress in Security Technologies of Oil and Gas Storage and Transportation

ZHOU Xue-jing
（China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249 , China）

Oil and gas belong to flammable and explosive chemicals, and it is difficult to store and transport them. The frequent safety accidents lead to the higher demand for security technology of oil and gas storage and transportation. In recent years, the security technology has got fast development through experts’ indepth study on relevant technologies. In this paper, research progress in security technologies of the storage and transportation of oil and gas was summarized. Firstly, the present security situation of the storage and transportation of oil and gas was analyzed, and the urgent demand for the security technology was put forward. Then the progress in the security technology was introduced from two aspects of pipeline and station. Finally, research direction of the security technology in future was discussed.

Storage and transportation of oil and gas; Security technology; Pipeline; Station

TE 88

A

1671-0460（2015）08-1865-03

2015-06-06

周雪静（1990-），女，河北保定人，在读硕士生，2013年毕业于中国石油大学（北京）油气储运工程专业，研究方向：油气管道工艺技术研究。E-mail：zhouxuejing2009@163.com。