沙特阿美油气管道地区等级划分及阀室设置探讨

程浩力 邓东风

1.中国石油工程建设有限公司北京设计分公司, 北京 100085;2.中国石油工程建设有限公司, 北京 100120

0 前言

管道是输送石油天然气产品的经济运输方式,但在临近居民区、商业区及生产办公场所,油气管道爆炸事故往往导致严重的人员伤亡和财产损失。如2013年“11.22”东黄输油管道泄漏爆炸特大事故造成62人死亡、136人受伤[1];2021年“6.13”湖北十堰市张湾区艳湖社区集贸市场重大燃气爆炸事故造成26人死亡,138人受伤[2]。输油气管道途经居民区、商业区、生产办公场所等人员密集场所，高后果区及管道完整性管理一直是各国安全管理工作的重点[3-8],线路地区等级及截断阀室设置在管道完整性管理中占有重要的地位,国内很多学者也进行了长期重点跟踪研究[9-13]。

近20年来,中国石油大量参与海外油气田项目投资,并同中东及欧美石油巨头开展合作,接触到越来越多的欧美石油企业标准规范。以埃克森美孚、德士古(雪佛龙)、英国石油、壳牌公司等为代表的欧美石油巨头都是现代石油工业的开创者,其石油工程建设标准经过百年的发展已经非常完善和成熟。全球第一大石油公司沙特阿美作为由雪佛龙、埃克森和美孚等西方石油公司建立起来的企业,自创立至今，经营和技术管理近90年间一直由欧美石油巨头直接管理，其技术要求融合了石油巨头的理念,在定性及定量的安全设计要求方面比较详细,部分条款可实施性较好。本文基于沙特阿美强制性规范SAES-L-410—2018《管道设计》(以下简称SAES-L-410)、SAES-B-064—2017《陆上及近海管道安全》(以下简称SAES-B-064),研究其在地区等级划分、截断阀室设置等方面的规定同ASME B31.8—2020《输气和配气管道系统》(以下简称ASME B31.8—2020)、ASME B31.4—2019《液态烃和其他液体管线输送系统》(以下简称ASME B31.4—2019)、GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》(以下简称GB 50251)、GB 50253—2014《输油管道工程设计规范》(以下简称GB 50253)、Q/SY 06303.4—2018《油气储运工程线路设计规范 第4部分:输油管道工程阀室》(以下简称Q/SY 06303.4)、Q/SY 06303.5—2018《油气储运工程线路设计规范 第5部分:输气管道工程阀室》(以下简称Q/SY 06303.5)和国家管网DEC-NGP-G-GE-002-2020-1《输气管道工程线路阀室技术规定》(以下简称DEC-NGP-G-GE-002)等相关要求的差别,为油气管道设计及国内油气管道安全的定量设计及相关规范完善提供一定的借鉴。

1 地区等级划分

管道地区等级是确定油气管道设计系数的重要参数,是管道完整性管理的高后果区识别及管道强度设计时壁厚计算等过程中必不可少的要素[14-18]。现行GB 50251第4.2节“地区等级划分及设计系数确定”中,参考了美国机械工程师协会标准ASME B31.8、加拿大标准协会标准CSA Z662《油气管道系统》(以下简称CSA Z662)及国际标准化组织标准ISO 13623《石油和天然气工业 管道输送系统》(以下简称ISO 13623)等规范，按居民住户(建筑物)密度指数划分为四个地区等级,并结合中国实际情况对居民住户(建筑物)密度指数的确定做了一定调整。GB 50251对于居民(建筑物)密度指数确定为:沿管道中心线两侧各200 m范围内,任意划分长度为2 km的若干管道区域,按划定区域内供人居住的独立建筑物(户)数。ASME B31.8按任一特定区段内不同的建筑物数量将输气管道沿线划分为四个地区等级，关于区段划分方式，ASME B31.8第840.2.1条规定、沿管道走向以管道中线为中心的两侧各200 m范围内，在沿管道中线任意1.6 km区域内(400 m×1 600 m)包含的供人居住独立建筑物的最大数量，作为确定不同地段地区等级的依据。

沙特阿美油气管道工程规范SAES-L-410、SAES-B-064等主要是对ASME B31.4及ASME B31.8的补充。SAES-L-410适用于长输管道、集输管道等陆上和近岸海底管道设计,作为ASME B31.4和ASME B31.8对管道设计的补充要求。SAES-B-064适用范围涵盖长输管道、集输管道等陆上管道和近岸海底管道,不适用于场站内及远海海底管道。SAES-B-064第5.5节规定,依据ASME B31.4和ASME B31.8设计的液体和气体管道均应采用管道地区等级,地区等级应基于管道破裂暴露半径(Rupture Exposure Radius,RER)内的人口密度指数(Population Density Index,PDI)划分。根据SAES-B-064第5.7节,沙特阿美新建管道地区等级具体分类详见表1。

表1 沙特阿美新建管道地区等级分类表

新建管道地区等级分类应根据RER及PDI确定,由于不同介质及管径的管道的RER不同,因此,经过同一地区的不同介质及管径的管道的地区等级也不同。RER是管道全孔破裂时地面H2S质量浓度达到150 mg/m3或可燃气体达到可燃下限(Lower Flammable Limit,LFL)的1/2时的顺风扩散距离,以较大者为准。SAES-B-064规定的默认RER经验值参见表2～3,为了确定管道地区等级,计算的RER值不得大于此值。除了含硫酸性介质的管道外,RER值并不是人员禁区,它用于计算RER内的建筑物数量以确定管道所在的地区等级。由于默认的RER值相对较大,执行项目时,需要向沙特阿美安全部下属的止损部提交请示,沙特阿美止损部将会提供项目不同介质及管径的管道的RER具体值供使用。

表2 低真实蒸气压液体的RER经验值表

表3 气体及低真实蒸气压液体的RER经验值表

对于非酸低硫的商品天然气(H2S浓度<24 mg/m3且总硫<460 mg/m3),用以下公式计算RER:

(1)

式中:RRERSW为非酸低硫商品天然气的RER，m;D为管道内径,in.(1 in.=25.4 mm);p为管道最大操作压力,psi(1 psi=0.068 9 MPa)。

为了确定地区等级,SAES-B-064第5.6节对人口密度指数划分作了进一步规定,要求人口密度指数应采用线路各段现有密度指数值与虚拟密度指数值之和。楼层超过四层的可供人居住建筑物应作为等效建筑物的数量计入密度指数,等效建筑物数量计算方法是将这些建筑物的层数除以3并四舍五入取整。

某地段的现有密度指数应根据位于管道RER内的建筑物数量来确定,以管道中心两侧RER距离范围内,任意划分成长度为1 km的若干管段,各管段中的建筑物和等效建筑物的数量就是该管段现有密度指数。在规划开发的地区,需要根据未来建筑物的预估数量和功能来确定虚拟密度指数,同样以管道中心两侧RER距离范围内,任意划分成长度为1 km的若干管段,区域内规划开发的土地面积乘以0.000 75并向上取整,得到的整数是该管段的虚拟密度指数。例如,某28英寸(DN 600 mm)非酸性天然气管道(H2S摩尔含量<1.5%),管道总体位于荒漠地区,管道某处1 km长度的管道两侧1 km距离范围内形成的1 km×2 km矩形区域内没有房屋等建筑物,即现有人口密度指数为0,但该范围内存在某规划开发的面积为 10 000 m2土地,则该区域内虚拟密度指数为2×10 000×0.000 75=15,考虑未来规划时,该区域管道地区等级根据表1的分类为二级地区。

GB 50251第4.2.2节及ASME B31.8第840.4节均规定,管道进行设计时,应考虑该地区未来规划发展情况来确定地区等级。沙特阿美SAES-B-064针对存在发展规划的地区,直接定义了虚拟密度指数,使设计者可遵从定量标准进行设计,具有较好的可操作性。同时SAES-B-064要求,为了防止后续无序建设及侵占,新建管道铺设在未开发空地应预留管道RER内的土地,在进行图纸设计时,RER边界、地区等级区域之间的边界和地区等级名称应在线路平面图上标出。

2 截断阀室

线路截断阀室是降低油气管道风险及便于管道系统维护的重要保障之一,海外项目普遍采用ASME B31.4、ASME B31.8和ISO 13623，以及国内GB 50253和GB 50251等规范，都对截断阀室间距做了定量规定,孙芳芳等人[19-21]也对国内外油气管道阀室设计标准差异进行了研究。

现行GB 50253参照ISO 13623、ASME B31.4、CSA-Z662、澳大利亚标准AS 2885.1《油气管道设计及施工》、俄罗斯国家标准СниП pk 3.05-01《干线管道设计规范》等的规定,基于国内多年工程建设经验规定线路截断阀间距不宜超过32 km。同时对阀室选址,在水域和人口密集区的截断阀室设置及单向阀室设置做了基本规定。现行GB 50251关于截断阀室间距的设置基本遵循ASME B31.8的设定,以8 km为基准,针对不同地区等级下相邻的截断阀室间距作了规定,并针近年来在中国人口密集地区输气管道阀室选址困难的问题,参照加拿大CSA Z662增加了线路截断阀间距调增规定。中国石油企业标准Q/SY 06303.4按照功能将阀室分为监控阀室、手动阀室、单向阀室和高点检测阀室,在阀室分类及设置原则、阀室选址、阀室设计条件及设计内容等方面相比GB 50253做了更具体的规定。中国石油企业标准Q/SY 06303.5按照功能将阀室分为普通阀室、监视阀室和监控阀室,对阀室分类及设置原则、阀室选址及建设水平相比GB 50251做了更具体的规定。国家管网标准DEC-NGP-G-GE-002在阀室分类及设置原则、阀室选址、阀室设计及建设水平等方面相关技术要求基本同Q/SY 06303系列标准一致,并结合实际对个别条款进行了增补修订。

沙特阿美SAES-B-064第8章对线路截断阀室(紧急隔离阀)做了规定,要求根据ASME B31.4及ASME B31.8设计的管道,应按ASME B31.8规定的阀室间距进行,此外还需要满足以下几点要求。

1)ASME B31.8规定的不同地区等级管段之间应安装紧急隔离阀,具体要求:一级地区同三级地区、四级地区之间;二级地区同三级地区、四级地区之间;三级地区同四级地区之间。

2)对于油气田生产区内的管径DN 600及以下的单井管线、集输干线、测试线、气举管线、注水和供水管线等,在一级地区和三级地区等级之间以及在二级地区和三级地区等级之间不需要安装紧急隔离阀。

3)紧急隔离阀应安装在较低的地区等级内,至少超出地区等级边界的1倍RER距离,壁厚较大的管道应延伸至隔离阀。

4)当需要紧急隔离阀时,只能在紧急隔离阀处更改ASME B 31.8地区等级设计。允许将具有较高强度ASME B31.8地区等级设计的管道段延伸到超出所需RER距离的较低地区等级区域,以尽量减少紧急隔离阀的数量。

5)三级地区和四级地区的紧急隔离阀应配备压力变送器,阀门应具远程关断功能。紧急隔离阀的关闭速度应根据管道的水击特性确定,但总关闭时间不应超过10 min。

根据上述要求的紧急隔离阀位置(截断阀室)见图1。

图1 紧急隔离阀位置示意图

中国石油Q/SY、国家管网DEC等企业标准相比沙特阿美SAES-B-064标准,对阀室分类及设置原则、阀室选址及建设水平的要求更加详细。SAES-B-064则对不同地区等级管段之间截断阀室设置原则做了细致明确的规定,并对三级地区、四级地区设置监控阀室及阀门关断时间做了明确要求。

3 结论及建议

1)由于中国地域广阔,地理自然环境及人口密度复杂多变,输油气管道的设计面临着极为复杂的条件,因此以中国石油Q/SY、国家管网DEC等为代表的国内规范对于地区等级划分、不同类型阀室设置原则、阀室选址、阀室设计条件及设计内容的规定更详细,GB 50251、GB 50253等对地区等级划分及线路截断阀室设置也做了详细的条文解释,有助于设计人员开展设计。

2)在地区等级划分及高后果区识别中,GB 50251、GB 32167《油气输送管道完整性管理规范》等国内规范经常提到“地区发展规划足以改变该地区现有等级时,管道设计应根据地区发展规划划分地区等级。”这一规定一定程度上考虑了对未来地区发展的设计预留,但针对标准中的此类定性描述，实际执行过程中常因不同设计人员、不同设计单位的不同设计理念和思路而有所差别。沙特阿美SAES-B-064标准对ASME B31.8的地区等级划分进行了补充完善,在地区等级划分时基于不同类型介质的RER、现有密度指数值及虚拟密度指数值等定量标准执行,有利于设计的可操作性及执行的统一性。相关规范修订过程中可适当借鉴SAES-B-064的地区等级划分定量化规定思路,结合最新人口普查报告及各省市经济发展状况,给出考虑未来发展的虚拟密度指数指标作为设计最低标准,作为地区等级设计时的可参照选项,进一步降低定性描述带来的不同设计人员理解偏差问题,提高规范的可执行性。

3)由于三级地区、四级地区经济发展迅速，人口密度增长相对较快,由此可能在未来导致高后果区范围扩大及地区等级升级带来的高后果区识别分级提高,沙特阿美SAES-B-064标准关于长输管道线路截断阀室位置设置统筹兼顾了地区等级划分,有利于辅助高后果区重点管控及近远期一定时间内高后果区的管理和风险控制,避免区域内过早出现管道不能满足地区等级而导致改线/换管或调整该管段最大操作压力情况,对相关规范中线路阀室设计时统筹考虑高后果区识别及管理有一定参考价值。