國內外油氣長輸管道閥室設計標準差異研究

李菲菲，李磊，廖暉，孟虎林，張志剛，李欣妍

（1.中國石油天然氣股份有限公司管道丹東輸油氣分公司，遼寧丹東118001；2.中國石油天然氣股份有限公司管道濟南輸油分公司，山東濟南250000；3.中國石油管道局工程有限公司，河北 廊坊065000；4.中國石油青海油田分公司管道輸油處，青海格爾木816000；5.中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北廊坊065000）

閥室是保證油氣長輸管道安全運行的重要設施，沿線每隔一定距離以及在特殊地段應設置閥室，以便在管道發生破裂時可以緊急自動關閉閥門，以減少放空損失，并防止事故進一步擴大，減少環境污染［1］。油氣長輸管道工程閥室按照功能分為手動閥室、單向閥室、高點放空閥室、監控閥室等。

中國油氣長輸管道閥室設計中還存在若干問題，現有的閥室設計標準尚未明確規定，或者設計理念偏于保守，這都會對管道運行維護造成不便和影響，例如：閥室選址和間距缺乏靈活性，輸油管道河流穿跨越設置閥室還沒有統一做法，采用的單向閥設計造成清管困難，偏遠地區閥室供電可靠性差等［2］。美國、俄羅斯、加拿大等國家管道行業比較發達，國內近年來已深入開展了國外先進管道標準先進性研究［3-4］。本文研究了國內外閥室設計標準的重要技術差異，并介紹了美國、俄羅斯在閥室設計運行管理方面的實踐經驗，對于完善國內管道閥室設計標準，以及提高管道運行管理水平具有重要意義。

1 國內外閥室標準

本文研究涵蓋的國內外閥室標準包括：

1）中國國家標準：GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》、GB 50253—2014《輸油管道工程設計規范》；中石油企業標準：Q/SY 1445—2011《輸氣管道工程線路閥室設計規范》、Q/SY 1446—2011《輸油管道工程線路閥室設計規范》。

2）美國標準：ASME B31.8—2016《氣體輸送和配送管道系統》、ASME B31.4—2016《液態烴和其他液體管道輸送系統》。

3）加拿大標準：CSA Z662—2015《油氣管道系統》。

4）俄羅斯標準：CHнП2.05.06—1985《管道干線設計規范》、ОНТП51-1—1985《輸氣管道干線設計規范》、СТОГазпром2- 6.2-149—2007《天然氣管道》。

2 閥室選址

GB 50251—2015規定：“閥室應選擇在交通方便、地形開闊、地勢相對較高的地方，防洪設防標準不應低于重現期25 a一遇”。GB 50253—2014規定：“閥室應設置在交通便利、地形開闊、地勢較高、檢修方便，且不受地質災害及洪水影響的地方”。

ASME B31.8—2016規定：“設計閥室應考慮的因素是維修和維護時氣體的放空量、泄漏或斷裂時氣體的泄漏量、隔離管段氣體的排放時間、環境敏感區氣體的排放、供氣連續性影響和管道附近區域未來的發展”。雪佛龍公司位于美國加利福尼亞州康特拉科斯達縣（Contra Costa）的原油管道項目中，管道穿越人口密集區，在一段長度約為48 km的管線上，共設計了5個監控閥室和7個手動閥室［5］。

針對閥室選擇原則，國內管道行業標準側重交通、地質、防洪和檢修等方面。美國管道行業閥室的選址原則是為了使閥室之間管道破裂后所造成的泄漏油品損失達到最小，即污染的修護成本、罰款以及與管道泄漏相關的訴訟費用達到最小。美國管道行業閥室選址原則首先考慮減少泄漏風險，即閥室越多，泄漏風險越??；其次再考慮建設成本，重視管道失效后果和危害性對社會公眾環境的影響，設計理念更為合理，具有借鑒意義。

3 閥室間距

GB 50251—2015規定：“位于一級、二級、三級和四級地區的管道沿線相鄰閥室的間距不宜大于32 km，24 km，16 km和8 km，如因地物、土地征用、工程地質或水文地質造成選址受限的可做調整，調整不應超過4 km，3 km，2 km 和1 km”。GB 50253—2014規定：“原油、成品油管道閥室的間距不宜超過32 km，人煙稀少地區可適當加大間距”。

美國標準規定的油氣管道閥室的間距與國內標準一致。ASME B31.4—2016規定：“在山區、穿越河流以及穿越工商業、第三方施工頻繁區域和人口密集區等特殊情形下，輸油管道閥室間距允許適當調整”；CSA Z662—2015未對原油管道閥室的間距進行明確要求，原油、成品油管道閥室間距允許在10%規定范圍內調整，天然氣管道閥室間距允許在25%規定范圍內調整。

以往國內長輸管道嚴格按規定間距設計閥室，缺乏靈活性且對運行維護造成不便。管道設計部門針對閥室間距調整也存在爭議，涉及鋼管等級、安全管理、運營和投資成本等諸多方面。目前，管道行業較為公認的觀點是隨著管道運行管理技術提升，管道事故概率總體呈下降趨勢，在西部等人口稀少地區的管道閥室間距可增加到32 km 以上［6］。GB 50251—2015和 GB 50253—2014增加了閥室間距允許調整的條款，但與國外標準相比仍存在差距，表現在國內標準僅在人口稀少地區允許閥室間距調整，國外標準則適用于山區、穿越河流和穿越人口密集區等特殊地區，涵蓋范圍更廣；另一方面，國外標準閥室間距允許調整數值更高，例如輸氣管道可達8 km，國內標準中輸氣管道一級地區閥室間距調整最大為4 km，輸油管道閥室間距調整未給出具體數值。

4 RTU閥室設計

4.1 設計原則

RTU閥室（remote terminal unit）也稱為遠程終端控制系統。針對RTU閥室設置位置，國內外管道做法基本一致，均在穿跨越、人口稠密區、環境敏感點、大型河流兩端等關鍵點設置RTU閥室。針對偏遠地區設置RTU閥室，國內外管道略有差異，Q/SY 1445—2011，Q/SY 1446—2011規定：“車程超過1.5 h以上的管道閥室設計為RTU閥室”。

北美Kinder Morgan管道公司則認為在操作人員1.0 h內無法到達現場關閥門的地區設置RTU閥室。此外，俄羅斯標準CHнП2.05.06—1985規定：“原油和成品油管道在河流穿跨越處應設置為RTU閥室”；ОНТП51-1—1985規定：“并行敷設的輸氣管道合建的閥室，與支線連接處的閥室應為RTU閥室”。

建議RTU閥室設置原則：與最近的有人職守站場的線路距離超過100 km以上或車程超過1.0 h以上的管道閥室設計為RTU閥室。

4.2 間 距

近年來，從保證管道安全和運行監測角度，國內管道中RTU閥室占比逐漸增多，但大量使用RTU閥室是否造成資源浪費還存在著意見分歧。國內多數管道單位認為不應具體規定RTU閥室的數量和間距，實際國內對管道RTU閥室的做法也不統一［7］。例如：中石油西氣東輸一線干線180座閥室全部為RTU閥室，西氣東輸二線西段干線全長2 441.1 km，設置18座RTU閥室，占全部閥室的24%，平均間距為135 km；中石化川氣東送管道共設計20座RTU閥室，占全部閥室的22%，間距不超過75 km。

北美Kinder Morgan管道公司認為不應嚴格限定RTU閥室的設置間距，應根據實際運營需要，在所有的人口密集區、高風險點、通行不便地區設置RTU閥室。這與4.1節中RTU閥室的設計原則也是一致的。

5 輸氣管道和輸油管道閥室的差異

GB 50253—2014規定：“輸油管道在河流大型穿跨越及飲用水水源保護區兩端應設置閥室，在人口密集區管段或根據地形條件需要處，宜設置閥室”。GB 50251—2015無上述規定，僅規定了閥室與電力、通信線路桿、鐵路、公路地界和建筑物的安全距離?？梢钥闯?，國內標準更重視原油管道油品泄漏可能造成的環境污染問題。

Q/SY 1445—2011，Q/SY 1446—2011規定：輸氣管道和輸油管道監控閥室的設置區域，均要求在大型穿跨越、地質災害和地震斷裂帶區域、人口密集區、相鄰輸氣站（泵站、加熱站）間以及合并建設的通信站和陰極保護站場設置監控閥室，二者差異在于：

1）輸氣管道分輸、進氣閥室設置為監控閥室，輸油管道分輸、注入管道未要求設置監控閥室。

2）輸油管道應進行水擊分析，特殊位置設置監控閥室。

6 閥室類型

GB 50251—2015規定：“閥室可采用自動或手動閥門，并應能通過清管器或檢測儀器”。GB 50253—2014規定：“需防止油品倒流的部位應安裝能通過清管器的止回閥，閥室應能通過清管器和管道內檢測儀”。Q/SY 1446—2011規定：“在河流大型穿越的下游以及在管道的上坡段設置單向閥室”。

調研北美ShawCor及ConocoPhillips公司，不推薦在管道任何位置使用單向閥，原因是單向閥的密封性相對差，存在潛在的泄漏隱患；單向閥會增加管道清管難度，單向閥內徑一般大于管道內徑，清管器皮碗難以完全接觸閥體全部空間，需要管道提供更大的運行壓力通過單向閥，此外單向閥與清管器上的皮碗裝置的兼容性也不夠理想，可能導致清管器運行中斷或堵塞。

國內標準未明確規定油氣管道閥室類型，輸油管道在穿跨越和上坡段采用了單向閥室設計。隨著管道運行控制技術發展，特別是管道高點設置遠程壓力檢測儀表等，管道采用單向閥室設計值得商榷［8］，完全可以在河流大型穿越的下游以及管道的上坡段使用RTU閥室來代替單向閥室，建議國內標準修訂關于設置單向閥室的規定。

7 河流穿跨越閥室做法

GB 50253—2014規定：輸油管道在河流大型穿跨越兩端應設置閥室，但未說明“大型河流”、“管道兩端”和“閥室類型”的具體含義和做法，可能對閥室設計造成混淆和不便。國內長輸管道設計針對寬度小于40 m的河流、湖泊穿跨越不在岸邊設置閥室，僅針對寬度大于200 m且水深小于5 m，或寬度大于100 m且水深大于5 m的河流、湖泊穿跨越在岸邊設置閥室。岸邊閥室也沒有統一做法，主要根據以往工程經驗，執行國家安全法規大型堤壩100 m范圍之內不允許設置閥室的規定，一般在河流岸邊較近距離選址設置閥室。

美國河流穿跨越兩岸設置閥室做法如下，美國陸軍工程師兵團認為可以航行的水路為大中型河流；聯邦法規49 CFR中條款159.260（e）規定寬度超過30 m的河流應在河流兩端設岸邊閥室；Koch管道公司、Marathon石油公司規定河流兩端閥室距離為3.2 km；ASME B31.4規定輸油管道在河流穿越處上游宜設置截斷閥室，河流穿越處下游宜設置監視閥室。

建議GB 50253—2014借鑒美國管道行業做法，規定輸油管道在河流大型穿跨越兩端設置閥室涉及的河流寬度、閥室距離、閥室類型等重要參數。

8 閥室供電

偏遠地區RTU閥室環境惡劣且無人值守，供電非常重要。Q/SY 1445—2011規定：“閥室采用電網供電，當無法使用市電，可使用太陽能供電、柴油發電機或天然氣發電等”。中石油西部管道閥室供電方式：具備公共電網的監控閥室可采用常規電網供電；利用太陽能發電給太陽能電池充電，供負載使用，一般年平均日照時間大于1 800 h的地區可采用太陽能供電；如日照不足或者在夜間則有蓄電池組在控制器的控制下給直流負載供電［9］。

英國Petrofac石油公司使用輸電線路的補充輸電線路。СТОГазпром2-6.2-149—2007規定：閥室可以直接使用天然氣發電機；俄羅斯Gazprom公司使用燃氣發電機或者柴油發電機，太陽能電池組不作為主要電源使用，可以作為補充電源使用。美國Trans Canada，Kinder Morgan公司在沒有市政電網可供使用時，會使用太陽能對設備間進行供電，但也需要設置備用發電機。Boradwalk管道公司、Sunoco石油公司考慮電力供應的持續性，不使用太陽能對設備間進行供電。EPP，Alliance，Conoco Phillips供電方式采用密閉循環法蒸汽發電機CCVT（closed cycle vapor turbogenerator），也稱奧密特能源轉換器，可使用管道內天然氣為燃料進行加熱。在阿拉斯加偏遠地區，BP石油公司閥室供電使用的是電池和變流器設備，或者使用天然氣發電，然后給監控閥室進行供電。對于太陽能供電，則需要使用備用電源，主要考慮監控閥室電源供應保證足夠的閥門全開或全關的操作時間，必要時增加30%～50%的操作時間余量［10］。Shell公司設計文件 DEP 32.71.00.31—1997《微波系統》規定：根據功率需求確定閥室供電方式，閥室供電功率需求在500 W以下，優先使用太陽能電源供電；供電功率需求在500～1 000 W，考慮使用太陽能電源及風能組合的供電方式；供電功率需求在1 000 W以上，應進行經濟比選后（以3年期效益為基準）考慮使用柴油發電機進行供電，并必須設置備用電源。

國內外針對閥室的供電方式基本一致，國內優先采用外電，其次為太陽能光伏電源系統，若仍無法滿足供電需求會使用燃氣發電裝置（TEG）。對于重要負荷，設置后備電源，通常為蓄電池組、不間斷電源、應急電源。Petrofac石油公司使用來自輸電線路的補充輸電線路；俄羅斯Gazprom公司使用燃氣發電機或者柴油發電機；BP石油公司針對閥室供電使用的是電池和變流器設備，或者使用天然氣發電。Shell公司標準根據供電功率不同，分別采用太陽能、太陽能電源及風能組合以及使用柴油發電機進行供電，并設置備用電源。建議國內標準借鑒Shell公司根據閥室供電功率的需求范圍確定供電方式。

9 閥室敷設方式

國內外管道均傾向于閥室的設備間在地面以上，以便于操作和維護。Q/SY 1445—2011規定：“閥室應獨立設置設備間，分地上和地下兩種形式，最低月平均地表面溫度低于0℃，設備間宜地下設置，否則設備間地上設置，覆土厚度不宜小于0.6 m”。國內標準主要考慮蓄電池正常使用溫度不應低于0，使用采暖設備的維護工作量較大。調研表明：國內更多考慮的是管道更好的保溫效果，大部分采用閥室設備間地下設計方式，蓄電池也埋于地下，特別是溫差較大以及地下水位較低的地區，除非在南方潮濕多雨地區，才采用閥室設備間地上設計方式。

國外管道行業認為即使在寒冷地區閥室設備間也應該放在地上，地下設備間會受到滲水影響。美國Kinder Morgan管道公司認為閥室的設備組多為露天設置，考慮到防爆以及方便員工操作等因素，僅僅會對計量站里面的色譜儀等計量裝置設置實體建筑物；API協會專家認為將閥室的設備組放置在實體建筑物內，并且多為地面設置。在外電供應充足的地區，優先使用空調進行采暖；外電供應不足時，也會使用暖風機或者電暖器的方式進行采暖。北美的Alliance公司對于寒冷地區RTU閥室的設備間是使用配有溫控開關的暖風機進行供暖，將加熱的啟動條件設置為0，當設備間內溫度低于0時會自動開啟暖風機對設備間進行加熱，暖風機運行功率根據建筑面積進行計算。

生產實踐證明：國內閥室設備間地下設計方式極易受到地下水滲透影響，特別是近年來國內特殊氣象條件多發，北方地區夏季也容易發生暴雨洪水災害，近年來閥室水淹問題較普遍［11］。建議國內標準修訂閥室應采用地上敷設方式，并根據供電條件配備空調、暖風機或電暖氣等加熱設備。

10 結論和建議

綜上所述，美國、俄羅斯、加拿大等國外管道閥室設計標準的先進理念主要包括以下方面，建議國內標準借鑒參考：

1）美國管道閥室選址原則：首先考慮閥室間油品泄漏風險和經濟損失最小，其次再考慮建設成本，閥室選址重視管道失效后果和危害性對社會公眾及環境的影響。

2）在山區、穿越河流，以及穿越工商業、第三方施工頻繁區域和人口密集區等特殊情形下，原油、成品油管道和天然氣管道的閥室間距允許在10%和25%規定范圍內調整。

3）建議RTU閥室設置原則：除在穿跨越、人口稠密區、環境敏感點、大型河流兩端等關鍵點設置RTU閥室，與最近的有人職守站場的線路距離超過100 km以上或車程超過1.0 h以上的線路截斷閥室設為RTU閥室。

4）在河流大型穿越的下游以及管道的上坡段使用RTU閥室來代替單向閥室。

5）閥室設計標準中統一規范輸油管道在河流大型穿跨越兩端設置閥室涉及的河流寬度、閥室距離、閥室類型等重要參數。

6）借鑒Shell公司根據閥室供電功率的需求范圍確定供電方式。

7）閥室應采用地上敷設方式，并根據供電條件配備空調、暖風機或電暖氣等加熱設備。