密闭原油管道安全分析与防护

夏蓉(大亚湾华德石化有限公司， 广东 惠州 510000)

在输油管道的日常运行中，工艺上可能会出现由于管线停输或者阀门检维修管道两端阀门都关闭的情形，从而形成了密闭的容积空间，该密闭空间会随着环境温度的变化而变化，特别在南方的夏季，温升会特别明显，温度上升压力也会随着增加，若此管道未设置安全阀，又未及时进行消压的话，一旦压力超过操作极限值，就有可能造成管道相关阀门密封失效或者管道设备出现损坏，导致跑油事故发生。因此，对于密闭状态的输油管道，分析其热膨胀安全性，加强管理和采取防护措施非常有必要。

1 密闭管道温度随环境变化分析

影响密闭管道温度变化有因素很多，主要有管材管件和外界环境因素，不同的管材，物性参数不同，传热性不同；受太阳照射的角度、管道颜色、环境风速等不同，管道的温度效应也会不同。根据传热分析，管道和环境间产生的热量交换Q( W/m2)，主要包括(密闭管内的介质在不流动的情况下，可以假定此时管壁和管内介质为一个整体)[1][3]。

①太阳对管道的辐射传热量Q1，与管线的受热面积和太阳的辐射强度有关。

②管道与周围空气的对流换热Q2，由于空气流动有利于管道的散热，因此，不同的风速对流换热也会有些不同。

③管道向周围环境的辐射散热Q3，包括管道向空气、地面、周围其他物体的辐射。

当Q1>Q2+Q3时，说明密闭管道总的吸热大于散热，这时管道温度会升高，管道的对流换热和辐射散热也会增大，当增大到Q1=Q2+Q3时，管内温度达到最大，而随着太阳辐射强度的减弱，Q1

2 密闭管道温度与压力的关系及计算

(1)密闭管道温度与压力的关系 密闭管道在正常状态下是以气液两态并存的。随着温度升高，除了管内气体的饱和蒸汽压增大外，管道内原油由于受热膨胀，管内压力也会升高，管内留有的气相空间就会慢慢变小直至真个管段充满介质，下面将分别就当管线处在真空不满液、非真空不满液、满液状态下随着温度的变化管道所受压力情况。

①当密闭空间为真空状态且管道未满液，则此时管内压力为油品该温度下的饱和蒸汽压，即：

式中： P1为管道内油品的饱和蒸汽压，是温度的函数。

②当管段不满液且存在不溶于原油的气相(如空气)时，管内压力为管内原油饱和蒸汽压和空气分压的和，计算公式如下：

式中： P为有空气时的饱和蒸气压； P*为是纯液真空时饱和蒸汽压； P1为管内总压力，即饱和蒸汽压和空气分压的和； Vm(1)为是原油的摩尔体积； R是常数8.314， T为温度。

③对于满液的密闭管道，一旦液体胀满了管道全部空间以后，膨胀即转为压缩。由于液体压缩性很小，以致反作用于管壁的压力会剧烈增高。也就是说，当密闭管道充满油后，随温度变化的压力值与介质的膨胀系数成正比，与压缩系数成反比。而油品的压缩系数(×10-7)与膨胀系数(×10-4)相比存在数量级的差别，所以一旦管道充满油之后，管道压力就会随着温度的变化急剧上升，计算公式如下[2]。

式中： P1为管道满液后温升Δt压力； P0为管道初始压力；b为原油的平均膨胀系数1/℃； b0为管材的平均膨胀系数1/℃； a为原油的平均压缩系数1/atm； Ω为压力升高时管道的容积增大系数1/atm； Δt为温度变化值℃。

(2)管段满液时案例分析 某油库一段外径为610×10mm的Q245R钢材密闭管道，操作压力为2.5MPa，经过高温照射后，温度增加了Δt=4℃，初始压力为P0=0.075MPa，原油的平均膨胀系数b=8.75×(10-4) 1/℃，钢材的平均膨胀系数b0=1.2×10-51/℃，原油平均压缩系数a=7.3×10-71/kPa，钢管的容积增大系数Ω=32×10-81/kPa。

代入上述公式(3)可得

从上式可以看出当温度升高1℃，管道压力增大约0.83MPa，温升4℃后，管道压力为3.39MPa，远超过该管道的操作压力，所以在实际生产过程中对密闭管段满液时温度和压力的控制非常重要。

3 安全措施

影响密闭管道的热膨胀的因素很多，其中起主要作用的是外界环境，管道材料、输送的介质，结合理论计算，在实际生产中，我们可以依据现场情况采取相应的安全措施。

①尽量避免密闭管道受太阳直射，保持通风良好。

②停输或者检维修时，在条件允许的情况下，尽可能的排空密闭管道空间的原油(特别是轻质原油)，若排空后仍出现压力上升的情况，考虑前后阀门是否失效，进行切断处理。

③操作人员应密切监控密闭管道的压力波动，及时进行泄压，参考HG/T 20570-95进行安全阀计算，对于充满原油的管道，当进出口阀门全部关闭时，泄放量可根据吸入的热量计算，计算公式如下：

式中： V为体积泄放流量，m3/h； B为原油平均体积膨胀系数，1/℃； H为管道每小时的吸热量，kJ/h； G1为原油密度，kg/m3； CP为定压比热，kJ/(kg℃)。

④工艺设计上出现密闭管道空间时需进行失效评估分析，如有必要，加装安全泄压阀。

[1]朱彤，严磊,等.燃气管道温度场的分析与计算[J].煤气与热力，2004，24(1):5-8.

[2]冯肇瑞，杨有启.化工安全技术手册[M].化学工业出版社，1993:347-355.

[3]常征.油品管道设置热膨胀安全阀探讨[J].炼油技术与工程，2009，39(8):58-61.