输气管道泄漏后截断阀压降速率计算分析*

杨毅 向敏 孙晓波 刁洪涛 李国军 李华

1中国石油北京油气调控中心

2中石油管道有限责任公司

依据GB 5025—2015《输气管道工程设计规范》，输气管道均设置了线路截断阀室，其中很多线路截断阀选择了气液联动执行机构，通过人工设定压降速率来进行爆管保护或泄漏检测自关断，保护非事故管道的安全，减少损失。长期以来，由于线路截断阀压降速率设定的计算较为复杂和困难，加之管道沿线工况变化存在较大差异，国内各生产运行单位普遍采用或借鉴国外的经验值，或按照管道在稳定流动情况下进行粗略的估算。目前，西气东输等大管径输气管道线路截断阀压降速率设定值一般为0.15 MPa/min，持续时间为120 s[1]。

近几年王广辉[2]、王卫琳等[3]通过建立和求解管道泄漏数学模型，计算出了管道破损时的压降速率；徐嘉爽[4]、范振宁等[5]利用SPS 软件模拟计算出管道泄漏后的压降速率；中石油相关研究人员也分别对西二线和陕京管道进行了线路截断阀压降速率的模拟计算分析[6-7]。众人的分析结果表明管道全线采用一个统一的经验值具有很大的不确定性。

1 管道泄漏实例

（1）西部某输气管道。2012 年，西部某管径1 219 mm 天然气管道某中间阀室发生了天然气泄漏爆炸事故。初始泄漏孔径约20 mm，线路截断阀没有自动关断。事故发生后，调度远程关闭该阀室上下游阀室的干线截断阀。在关断上下游阀室截断阀前，初始泄漏阶段上下游阀室的压力速率约0.03 MPa/min，远小于干线截断阀速率设定值0.15 MPa/min。

（2）华北某输气管道。2012 年，华北某管径1 016 mm 输气管道某阀室发生泄漏，初始泄漏孔径约350 mm。事故发生后，现场人员关闭了事故点上下游阀室截断阀。由于当时管道内运行压力较低，事故点上下游阀室截断阀的压降速率较小，没有达到截断阀自动关断压降速率限制。事故点上游阀室截断阀压力曲线如图1 所示。

图1 下游阀室发生泄漏后该阀室的压力曲线Fig.1 Pressure curve of downstream valve station after leakage

（3）华南某输气管道。2013 年，华南某管径1 219 mm 输气管道由于所在地区连续降雨，导致管道局部沉降位移，在管道焊口及焊口附近发生了断裂起火事故，初始泄漏孔径约1 000 mm。距离事故点700 m 的下游站场进站压力由7.84 MPa 骤降至0.2 MPa，压降速率达1.31 MPa/min，进站截断阀自动关断。距离事故点14 km 的上游阀室也自动关断，压降速率达0.36 MPa/min。事故点下游站场进站截断阀压力曲线如图2 所示。

图2 事故点下游站场进站压力变化曲线Fig.2 Pressure variation curve of input pressure of station downstream the leakage point

（4）2015 年，中石油天然气主干管网发生了10 余起管道或阀室泄漏事件，由于泄漏量相对较小，压降速率相对较小，所有事件均没有导致关联线路截断阀自动关闭。同时，主干管网发生了20余起截断阀意外自动关断事件，但多数事件是由阀体电气故障导致关断，只有少数几起事件是由于阀体故障导致压降速率及时间达到限制而自动关闭。

随着我国天然气管道输送行业的飞速发展，输气管道向着大管径、高压力、长距离的趋势发展。干线截断阀速率设定值的正确与否，直接关系到干线截断阀动作的准确性与及时性。因此研究大管径管线各种运行工况下干线截断阀速率设定值具有重要的意义。

2 输气管道泄漏工况分析

目前，国内天然气主干管网的管径通常为1 219 mm 或1 016 mm，因此模拟大管径管道的泄漏工况，对于研究线路截断阀自关断压降速率限定值更有实际意义。当输气管道发生泄漏时，管道内高压气体瞬间泄放至空气中（忽略土壤对埋地管道泄漏的影响），由于压差非常大，泄漏点的瞬时流量会非常大，而随着泄漏时间的增加，泄漏点压差减小，泄漏量也会减小。输气管道泄漏后的瞬时压力和流量趋势[8]如图3 所示。从图3 可以看出，管道泄漏后，泄漏点上游的流量上升，下游的流量下降；而且泄漏点压力有所下降，同时会引起泄漏点上下游压力的下降。如果泄漏量较大或者出现管道爆管情况时将严重影响上下游压缩机站的运行，最后导致全线停运。当发现上下游两个站场或阀室的压力和流量情况符合图3 变化曲线后，输气管道调控人员应初步判断出泄漏点的位置，并及时派遣巡线人员查找泄漏点的准确位置，及时采取应急维修预案，快速解决泄漏事故。

图3 输气管道泄漏点的压力和流量曲线Fig.3 Pressure and flow curve of natural gas pipeline leakage point

3 输气管道泄漏工况模拟与计算

为了分析管道发生泄漏后阀室或站场的压力变化情况，采用成熟的天然气管道仿真软件[9]模拟计算大管径管道泄漏后相邻阀室或站场的压力变化情况，为分析设置干线截断阀设置关断速率提供参考。

3.1 输气管道仿真模型

输气管道模型包括1 个进气点（与压气站合并）、1 个出气点（末站）、5 个中间阀室，阀间距20 km，合计120 km。该长输管道处于甘肃的戈壁地区，气候干燥，压气站管段地形相对平缓，阀室高程差相对较小，无穿跨越工程。管径为1219 mm和1 016 mm 两种，模拟泄漏点定在3#阀室和4#阀室中间位置。因此，在3#和4#阀室之间简化为2 条管段，每段为10 km。输气管道压降速率模拟计算模型示意图如4 所示。为了有效模拟真实泄漏情况，在调整相关控制元件参数的基础上，对元件E_TAKE 采用压力控制，元件E_OUT 流量控制，压缩机采用出口压力控制，采用1 个元件HEAD 控制模拟泄漏的孔径。

为了充分说明阀室压降速率与阀室初始压力、管道过流以及泄漏孔径之间的关系，模拟计算了5种初始工况下的泄漏。5 个初始工况的部分参数如表1 所示，工况1、2、3 模拟计算7 种孔径（100、200、300、400、600、900、1 100 mm）泄漏时的压降速率；工况4 和5 模拟计算6 种孔径（100、200、300、400、600、900 mm）泄漏时的压降速率。

图4 输气管道压降速率模拟计算模型示意图Fig.4 Schematic diagram of simulation calculation model for pressure drop rate of gas pipeline

表1 5 个初始工况部分参数Tab.1 Part of parameters for 5 initial working conditions

3.2 不同工况泄漏后压降速率计算分析

不同工况、不同泄漏孔径时下游4#阀室截断阀的压降速率与持续时间曲线的关系分别如图5、图6、图7、图8、图9 所示。每个工况都是从第1 min开始泄漏。从各图可以看出，发生泄漏后，由于泄漏点距离4#阀室相对较近，泄漏点下游4#阀室的压降速率迅速提高，在1 min 内达到了极值；然后压降速率迅速下降，并逐渐平缓。不同工况、不同泄漏孔径时下游4#阀室截断阀的压降速率极值和满足截断阀压降速率自动关断的泄漏孔径数值如表2所示。

图5 工况1 在泄漏后压降速率计算曲线Fig.5 Pressure drop rate calculation carve after leakage under working condition 1

图6 工况2 泄漏后压降速率计算曲线Fig.6 Pressure drop rate calculation curve after leakage under working condition 2

图7 工况3 在不同孔径下泄漏后压降速率计算曲线Fig.7 Pressure drop rate calculation curve after leakage under working condition 3

图8 工况4 在不同孔径下泄漏后压降速率计算曲线Fig.8 Pressure drop rate calculation curve after leakage under working condition 4

从不同工况的泄漏模拟计算结果可知，对于管径1 016 mm 和1 219 mm 的输气管道，当泄漏点孔径小于300 mm 时，泄漏点下游4#阀室压降速率都无法满足自动关断要求（压降速率大于0.15 MPa/min，且持续120 s），泄漏点两端的截断阀几乎都不能实现自关断。这在一定程度上能够说明西部某输气管道发生泄漏但干线截断阀未实现自关断的主要原因是泄漏孔径较小。

图9 工况5 在不同孔径下泄漏后压降速率计算曲线Fig.9 Pressure drop rate calculation curve after leakage under working condition 5

表2 不同工况、不同泄漏孔径下游4#阀室截断阀的压降速率及阀门自关断的泄漏孔径Tab.2 Pressure drop rate of No.4 valve sation under different working conditions and different leakage diameter and leakage diameter of valve self shut down

从图5～图9 可以看出，泄漏点孔径越大，截断阀压降速率越大且储蓄时间越长，越容易实现自关断功能。

对比工况1 和工况2 计算结果可知，在管径和输量相同的情况下，事故前运行压力越高，能够实现截断阀自关断的泄漏孔径越小。高压运行工况有利于泄漏后阀门实现自关断。这在一定程度上说明华北某输气管道发生泄漏但干线截断阀未实现自关断的主要原因是运行压力较低。

对比工况1 和工况3（或工况4 和工况5）计算结果可知，在管径相同且在高压运行情况下，管道输量越大，能够实现截断阀自关断的泄漏孔径越小。高压高输量运行工况有利于泄漏后阀门实现自关断。

对比工况3 和工况5 计算结果可知，在管径不同和输量不同但压力基本相同的情况下，管道管径越小且输量越小，能够实现截断阀自关断的泄漏孔径越小。对于小管径管道，高压低输量运行工况有利于泄漏后阀门实现自关断。

对比工况1 和工况3 及工况5 计算结果可知，虽然泄漏点下游4#阀室的压力基本相同，但由于管径和输量的不同，导致了4#阀室截断阀自关断的泄漏孔径也不同。

4 结论和建议

（1）对于同一管道，泄漏点孔径越大，截断阀压降速率越大，越容易实现自关断功能。高压高输量情况下发生泄漏时，泄漏点上下游截断阀更容易实现自关断功能。

（2）当管径1 016 mm 和1 219 mm 输气管道出现孔径小于300 mm 的泄漏时，现有的截断阀自关断压降速率设定值可能导致泄漏点两端的截断阀都不能实现自关断。

（3）结合运行经验，管道投产初期，由于输量和压降波动较大，线路截断阀压降速率设定值可以大一些。但是，管道接近满负荷运行后，流量和压力较高且相对平稳，线路截断阀压降速率设定值以及延时值可以适当减小，以便于出现小孔径泄漏时也能实现自关断。

（4）为更好发挥线路截断阀的保护作用，每个管段的管径及物理位置应结合实际运行情况的输量和压力，有针对性地设置导致截断阀自关断的压降速率值。

（5）为避免阀门误动作，在计算的基础上，还应收集管道在实际生产过程中的运行数据，找出正常运行情况下管道的最大压降速率，在进行压降速率设置时，应高于此数值。