韓忠晨

中石油北京天然氣管道有限公司

1 概述

中國陸上在役天然氣長(cháng)輸管道約4萬(wàn)余公里，在設計中按照《輸氣管道工程設計規范》（GB50251）要求，長(cháng)輸天然氣管道按照地區等級不同，需要在規定間距之內設置干線(xiàn)截斷閥室，目前國內天然氣長(cháng)輸管道干線(xiàn)截斷閥室數量超過(guò)1300座。

天然氣管道閥室主要功能包括：（1）承擔在干線(xiàn)事故狀態(tài)下切斷干線(xiàn)，實(shí)施能源隔離的功能；（2）承擔干線(xiàn)天然氣手動(dòng)放空、平衡干線(xiàn)截斷閥兩側壓力的功能；（3）承擔檢測干線(xiàn)管道運行壓力、數據傳輸、遠程操作的功能。閥室干線(xiàn)截斷閥的自動(dòng)控制操作一般通過(guò)給閥門(mén)增加氣動(dòng)（撥叉式）、氣液聯(lián)動(dòng)執行機構（旋轉葉片式）實(shí)現，根據運行壓力的變化計算當時(shí)壓降速率（ROD） ,當壓降速率高于管道最高允許壓降速率或壓力低于最低允許運行壓力時(shí)，自動(dòng)發(fā)出關(guān)閥命令。

管道除遵循基本設計標準外，從天然氣管道有其易燃、易爆特殊性考慮，閥室的截斷功能尤為重要。經(jīng)過(guò)多年的建設、運營(yíng)期間事故、事件教訓看，閥室可靠性是管道本質(zhì)安全的重要要素之一，也是管道運行的主要風(fēng)險之一。所以閥室的優(yōu)化設計、施工質(zhì)量、運行維護全生命周期的管理提升已迫在眉睫，在役管道的“優(yōu)生、優(yōu)育”是擺在我們管理者面前永恒的主題。

2 閥室設計缺陷

近年來(lái)，管道閥室本身存在的高風(fēng)險問(wèn)題十分突出，2010-13年期間，國內天然氣長(cháng)輸管道發(fā)生了數百起天然氣泄漏事件，其中3起引發(fā)了著(zhù)火、爆炸事故。這些事故的發(fā)生暴露了天然氣長(cháng)輸干線(xiàn)截斷閥室在設計中存在的問(wèn)題，主要包括以下幾個(gè)方面：

1. 閥室工藝設計方面

（1）線(xiàn)路截斷閥執行機構引壓管開(kāi)口位置的影響。在2010年陜京三線(xiàn)投產(chǎn)之前，閥室線(xiàn)路截斷閥執行機構動(dòng)力源及壓力檢測氣源引壓管一般設計為從線(xiàn)路截斷閥兩側的干線(xiàn)開(kāi)口直接焊接引壓管線(xiàn)，引壓管線(xiàn)采用埋地設計，早期引壓管埋地部分還有水平管線(xiàn)，之后埋地部分取消了水平段而采用垂直出地。但小口徑管線(xiàn)埋地時(shí)很容易受到土壤擾動(dòng)影響，存在極大的管線(xiàn)斷裂風(fēng)險。后期管道引壓管線(xiàn)即使加裝了隔斷焊接球閥，也沒(méi)有從根本上解決閥門(mén)維護和管道受土壤沉降引起產(chǎn)生受力的影響。

（2）干線(xiàn)開(kāi)口直接焊接引壓管線(xiàn)的影響。2003年澀寧蘭管道的引壓管線(xiàn)直接焊接在干線(xiàn)管道上，沒(méi)有任何閥門(mén)截斷，由于投產(chǎn)初期土壤沉降發(fā)生兩次引壓管線(xiàn)崩開(kāi)泄漏事件，之后組織對全線(xiàn)112根引壓管線(xiàn)帶壓封堵加裝了截斷球閥。

（3）管道受土壤沉降產(chǎn)生受力的影響。2010年永唐秦管道15#閥室、10#閥室曾因閥室工藝區 地面沉降導致天然氣泄漏事件，其中15#閥室還導致了閥室著(zhù)火、爆炸事故，之后對36個(gè)同批引壓管線(xiàn)根部管道凸臺進(jìn)行帶壓焊接加固。

（4）受?chē)�外設計思想、選型的影響。在早期天然氣管道設計中，線(xiàn)路截斷閥、 TEG等設備的引源管線(xiàn)在根部閥門(mén)的設計存在一定安全隱患。如陜京一線(xiàn)采用了旋塞閥作為根部閥；陜京二線(xiàn)、西氣東輸管道根部閥采用了法蘭連接閥門(mén)或非全焊接閥體的閥門(mén)。與干線(xiàn)相連的非焊接方式密封，很容易發(fā)生天然氣泄漏事件，但由于這些位置與管道干線(xiàn)直接相連，泄漏處置的技術(shù)難度和成本將大大增加。

（5）線(xiàn)路截斷閥選型受技術(shù)條件的影響。技術(shù)文件容易忽略對閥門(mén)配套的排污、放空、注脂等附屬部件的技術(shù)要求，由于線(xiàn)路截斷閥與干線(xiàn)管道直接相連，當這些部位發(fā)生問(wèn)題后的處置難度很大，往往需要進(jìn)行干線(xiàn)停輸、放空進(jìn)行處理。在西氣東輸二線(xiàn)冬季投產(chǎn)過(guò)程中， 55#閥室線(xiàn)路截斷閥排污管線(xiàn)曾發(fā)生排污閥閥體螺紋脫開(kāi)，導致天然氣泄漏事件，其主要原因是排污閥閥體采用了非全焊接形式（兩段螺紋連接），管道內水進(jìn)入線(xiàn)路截斷閥排污管后凍脹致使排污閥閥體螺紋損壞。

2. 閥室自動(dòng)控制及電氣設計方面

（1）在近20年來(lái)，國內天然氣長(cháng)輸管道閥室線(xiàn)路截斷閥的執行機構一般都采用美國艾默生集團SHAFER氣液聯(lián)動(dòng)（旋轉葉片式）執行機構，該執行機構具有輸出扭矩恒定、安裝空間小、密封部件少運行可靠的優(yōu)點(diǎn)。其爆管保護自動(dòng)控制功能由執行機構電子控制單元實(shí)現，目前在國內使用的有LG2000、 LG2100、 LG2200及LG2300。在SHAFER公司的電子控制單元設計上，將壓力變送器安裝在了電子控制單元控制箱內，在控制箱內還存在天然氣螺紋密封點(diǎn)。 2013年西氣東輸二線(xiàn)76#閥室爆炸事故專(zhuān)家組分析認為，執行機構電子控制單元沒(méi)有實(shí)現氣、電分離是第一起火點(diǎn)發(fā)生的原因。隨后中石油天然氣與管道分公司組織各地區公司按照氣、電分離的原則對所有閥室執行機構進(jìn)行了改造。

（2）在早期長(cháng)輸天然氣管道設計中，對于閥室內電子設備的接地設計缺乏標準。在西氣東輸、陜京二線(xiàn)投產(chǎn)后，曾出現了“天上打雷、地下關(guān)閥”的普遍現象，后經(jīng)調查發(fā)現，線(xiàn)路截斷閥電子控制單元雖然設計了浪涌保護器，但閥室內沒(méi)有設計接地網(wǎng)，浪涌保護器無(wú)法實(shí)現排流功能，在完善了閥室接地網(wǎng)之后，由于雷電導致的線(xiàn)路截斷閥誤關(guān)斷現象大大減少。另外，近幾年來(lái)當管道受到強電流干擾，排流不及時(shí)，閥室引壓管絕緣接頭等非等電位連接部位和臨近不銹鋼管的放電打火現象突出，嚴重時(shí)會(huì )導致不銹鋼管被擊穿引發(fā)天然氣泄漏、著(zhù)火的事故發(fā)生。2013年忠武線(xiàn)19#閥室就發(fā)生了不銹鋼管被擊穿導致天然氣泄漏著(zhù)火事件。

3. 閥室建構筑物設計方面

從近年來(lái)國內幾起閥室事故分析結果看，閥室的公用設施設計缺陷和施工不規范的問(wèn)題，往往會(huì )引發(fā)閥室工藝系統損壞而引發(fā)事故，尤其是閥室沉降問(wèn)題是管道投產(chǎn)前幾年面臨的重要風(fēng)險。永唐秦管道15#閥室曾出現了干線(xiàn)管道和線(xiàn)路截斷閥同時(shí)沉降的問(wèn)題，最終導致了引壓管受力變形；永唐秦管道10#閥室周邊地下水涌入閥室內部，出現了閥室硬化地面下大面積的掏空現象。另外，由于目前閥室在建設期間一般采用大開(kāi)挖方式進(jìn)行施工，閥室回填土的處理往往達不到設 計要求，在運行初期閥室地面極易發(fā)生沉降，而壓力變送器、 TEG調壓箱等設備的基礎通常在回填土上制作，當閥室地面發(fā)生沉降時(shí)都會(huì )引起這些設備的沉降，從而增加引壓管等承壓設備的運行風(fēng)險。

3 閥室系統優(yōu)化設計

1. 閥室工藝設計

（1）在設計中要關(guān)注引壓管、TEG等小管線(xiàn)、儀表管線(xiàn)設計。從幾起閥室著(zhù)火、爆炸事故分析來(lái)看，造成閥室起火的第一泄漏點(diǎn)都是在引壓管、儀表管等小管線(xiàn)上。因此在設計施工圖階段應特別重視這些小口徑管線(xiàn)的設計審查，審查時(shí)要注意以下要點(diǎn)：（a）閥室內小口徑管線(xiàn)應避免直接埋地，應采用架空或管溝形式鋪設；（b）應考慮防砸、防撞措施；（c）盡量縮短小口徑管線(xiàn)的設計長(cháng)度。

（2）消除與干線(xiàn)直接相連的法蘭、螺紋等存在泄漏隱患的風(fēng)險點(diǎn)，與干線(xiàn)直接相連的閥門(mén)、儀表均采用焊接的方式安裝，閥門(mén)本體應采用全焊接的結構形式，閥室根部閥可采用成套的分配閥組形式，以提高取源根部閥及配管的整體穩定性。

（3）閥室內線(xiàn)路截斷閥執行機構、壓力變送器、 TEG等取源口避免在地下管道干線(xiàn)開(kāi)口，應設置在閥室旁通管線(xiàn)立管，并高于閥室內地坪。

北京天然氣管道公司從2011年陜京三線(xiàn)項目開(kāi)始，將取源口提高至了閥室地坪以上， 2013年北京管道公司的大唐煤制氣管道、唐山LNG外輸管道、港清三線(xiàn)均采用此辦法，并采用了根部閥組匯管形式，投產(chǎn)后風(fēng)險降低、效果明顯。

2. 閥室自動(dòng)控制設計

天然氣管道閥室除存在天然氣泄漏、著(zhù)火、爆炸等風(fēng)險外，同時(shí)還需要考慮線(xiàn)路截斷閥控制系統出現的誤操作對管道干線(xiàn)帶來(lái)輸氣中斷的風(fēng)險�；�于以上風(fēng)險分析，對于閥室控制系統的優(yōu)化設計可以從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮：

（1）優(yōu)化線(xiàn)路截斷閥爆管檢測控制功能設計。對于具有遠控功能的閥室，可利用閥室上下游壓力變送器，通過(guò)閥室RTU計算干線(xiàn)壓降速率。當兩個(gè)壓力變送器的其中一個(gè)出現壓力異常時(shí)產(chǎn)生報警，當兩個(gè)壓力變送器同時(shí)出現壓力異常時(shí)，自動(dòng)下達關(guān)閉線(xiàn)路截斷閥命令。對于非RTU閥室，可利用線(xiàn)路截斷閥自帶的電子控制單元實(shí)現自動(dòng)關(guān)閉線(xiàn)路截斷閥功能，但其電子控制單元應按照氣、電分離進(jìn)行設計，其控制箱設計應滿(mǎn)足電氣防爆要求。在設計閥室線(xiàn)路截斷閥的執行機構電氣部件時(shí)，應考慮與管道干線(xiàn)的絕緣問(wèn)題，要特別關(guān)注在高干擾電流作用下非等電位連接部位的放電問(wèn)題，因此對于周邊存在大型電氣化鐵路、電網(wǎng)存在向周邊土壤進(jìn)行排流的這些情況下，應對管道干線(xiàn)的排流進(jìn)行重點(diǎn)設計。

（2）第一時(shí)間發(fā)現閥室工藝系統天然氣泄漏，實(shí)施能源隔離，是閥室設計中應重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，對于可燃氣泄漏的檢測應作為閥室標準化設計的主要內容。因此對于閥室工藝區，應配置2個(gè)可燃氣檢測裝置，當同時(shí)報警時(shí)，自動(dòng)下達關(guān)閉線(xiàn)路截斷閥指令。另外閥室工藝系統出現的泄漏通常都與管道干線(xiàn)直接相連，因此當閥室由于可燃氣報警下達關(guān)閉線(xiàn)路截斷閥后，還應考慮通過(guò)SCADA系統下達關(guān)閉上下游閥室線(xiàn)路截斷閥的指令。

（3）隨著(zhù)社會(huì )人工成本的不斷增加，以往慣用的閥室采用看護工的管理方式正在向閥室無(wú)人看護轉變，這種管理方式的轉變應通過(guò)技防措施予以彌補。在閥室設計時(shí)應考慮增加閥室視頻監控裝置，由臨近分輸站或公司總部調度進(jìn)行監視，對于地處高風(fēng)險段的閥室還應考慮增加火焰檢測裝置。

北京管道公司于2013年對所轄所有閥室進(jìn)行了安全改造，閥室爆管保護功能由閥室RTU系統實(shí)現，實(shí)現閥室可燃氣泄漏檢測自動(dòng)保護，對部 分閥室增加視頻監測功能。

3. 閥室建構筑物設計

（1）根據數據分析，大多數情況下天然氣泄漏都是非開(kāi)放式的小型泄漏，在這種情況下應解決閥室內可燃氣聚集的問(wèn)題，因此閥室工藝區應采用敞開(kāi)式（所有工藝、設備露天放置）設計。北京管道公司大唐煤制氣管道、唐山LNG外輸管道均采用了敞開(kāi)式設計。為滿(mǎn)足安全防護的需要，在閥室工藝區設計為敞開(kāi)式后，閥室應設置實(shí)體圍墻（高3.2米）和非透視大門(mén)，在閥室四周?chē)鷫�標有醒目的警示標語(yǔ)。

（2）在施工圖設計階段，應避免在回填土上設置任何儀表、設備基礎，這些基礎在汛期極易發(fā)生沉降，導致壓力變送器等不銹鋼配管的變形，嚴重時(shí)卡套等承壓元件損害導致天然氣泄漏。對于存在沉降風(fēng)險的設備、管線(xiàn)，應避免采用卡箍式支撐，從而消除設備基礎沉降時(shí)帶動(dòng)設備、管線(xiàn)沉降。

（3）穿過(guò)閥室的干線(xiàn)管道應做好防水設計，尤其要對閥室周邊水文、地質(zhì)進(jìn)行充分的風(fēng)險分析，避免出現地下水沿管道干線(xiàn)灌入閥室掏空地下土壤的情況出現。

4.設計建議

（1）設計可以考慮閥室工藝旁通管道設置導氣接口，目的是有計劃檢修時(shí)，避免放空天然氣造成損失和污染。

（2）建議考慮閥室工藝旁通管線(xiàn)預留分輸接口，尤其是經(jīng)濟發(fā)達地區多數閥室將改造為分輸站，以降低管道投產(chǎn)后期改造動(dòng)火會(huì )帶來(lái)的作業(yè)風(fēng)險和工程改造綜合成本。

4 結束語(yǔ)

閥室作為長(cháng)輸天然氣管道在干線(xiàn)管道事故狀態(tài)下重要的保護設施，其本身也存在較大的運行風(fēng)險。解決好從本質(zhì)上消除風(fēng)險、監控風(fēng)險的問(wèn)題，可最大程度降低閥室在各種突發(fā)事件情況下的次生災害。從上世紀90年代開(kāi)始，中石油北京天然氣管道有限公司歷經(jīng)了陜京一線(xiàn)、二線(xiàn)、三線(xiàn)等各時(shí)期建設的管道，在管道運行期間不斷總結國內、外閥室運行的經(jīng)驗，形成了《陜京管道閥室工藝技術(shù)要求》等閥室設計企業(yè)標準，為發(fā)展國內長(cháng)輸天然氣管道完整性管理技術(shù)做出了有益探索。 ◢

（作者：韓忠晨 中石油北京天然氣管道有限公司副總經(jīng)理）

2014年第4期（總第17期）