阿布扎比管道投產(chǎn)事故分析

阿布扎比管道投產(chǎn)事故分析李曉平武浩陳偉陳樹仁萬捷摘要阿布扎比原油管道在投產(chǎn)時，出現(xiàn)了末站減壓閥門損壞的生產(chǎn)事故。針對該事故，可以采用分析推測并通過軟件模擬的方法對可能的原因進行驗證。通過對阿布扎比原油管道投產(chǎn)時末站反注水管道“上坡-下坡”段的含氣段長度及位置進行模擬的結(jié)果，推測阿布扎比原油管道在實際投產(chǎn)時末站閥門損壞的可能原因是泡群潰滅產(chǎn)生的水擊壓力造成的。關(guān)鍵詞：管道投產(chǎn)；含氣段長度；水擊；泡群潰滅；地形的激烈起伏往往會導(dǎo)致輸油管道在運行中產(chǎn)生翻越點，使管道中不斷產(chǎn)生氣泡并發(fā)生潰滅；甚至造成氣液分離，隨后撞擊產(chǎn)生水擊，導(dǎo)致事故。本文結(jié)合一個實際案例，利用國產(chǎn)的首套大落差輸油管道不滿流分析軟件，分析了大落差地區(qū)輸油管道可能出現(xiàn)的生產(chǎn)事故，供今后類似事故的分析參考。1．事故背景阿布扎比原油管道該管道始于Habshan，途經(jīng)中間站IPS（位于Swrihan），到位于阿聯(lián)酋東部港口Fujairah。全線共設(shè)置了10個閥室，管線的設(shè)計輸量是0.5-1.5百萬桶/天。整條管線長404公里。阿布扎比原油管道具有大管徑，高落差，地處沙漠及山地等特點。輸油干線管徑為48英寸，為目前管徑最大的輸油管道。其中管道前350km地勢比較平坦，在靠近末站的30km內(nèi)，管線起伏比較大，出現(xiàn)了多個上坡下坡段。阿布扎比原油管道投產(chǎn)時，采用“首站油頂水頂氣，末站反注水提供背壓”的投產(chǎn)方案。首站注入10km的水作為空氣和油的隔離介質(zhì)，以防止氣體和油氣混合，導(dǎo)致爆炸。在末站MOT與閥室BVS-08之間進行淡水充裝，目的是為首站來油提供背壓。其中兩段水頭將在閥室BVS-08會合（如圖1所示）。圖1原油管道投產(chǎn)方案示意圖當兩側(cè)水段都到達閥室BVS-08時，慢慢平衡閥室兩端壓力。壓力平衡以后全開閥室主閥門，關(guān)掉旁通閥，首站開始推動液柱往MOT流動。管道在實際投產(chǎn)時為了保證管道的完整性，管道高點沒有開孔排氣，只是通過閥室進行部分氣體的排放。由于末站設(shè)計壓力為7.3MPa，允許的壓力操作范圍有限。管道投產(chǎn)是由設(shè)備調(diào)試開始到管線穩(wěn)定輸油的一個過渡過程。投產(chǎn)時可能會面臨到清管器下沖，不滿流以及氣泡潰滅造成的水擊等影響。大落差管道投產(chǎn)時往往出現(xiàn)翻越高點后清管器下沖現(xiàn)象，導(dǎo)致清管器后壓力降低，小于液體的飽和蒸汽壓，液體氣化，出現(xiàn)不滿流現(xiàn)象[1,2]。盡管在投產(chǎn)時采用清管器隔離液頭與氣體的接觸，但是在實際注水過程不可避免的出現(xiàn)氣體進入。尤其是在大落差地段，管線經(jīng)過高點以后，管內(nèi)出現(xiàn)不滿流，使得管內(nèi)的氣體量增加。當管內(nèi)液體速度突然變化時，引起液體和氣體撞擊，可能會提高水擊壓力。氣泡的反復(fù)潰滅和產(chǎn)生可能會引起管道或者閥體的震動，造成設(shè)備的損壞；并且，氣體的存在可能會導(dǎo)致輸油管內(nèi)兩相流動，不利于設(shè)備的調(diào)試[3]。2．事故經(jīng)過從2012年5月30日開始至6月9日完成了原油管道的注水工作。2012年6月9日下午，首站啟泵向MOT站輸油2個多小時后突然發(fā)生減壓閥損壞，隨后切換到備用減壓閥繼續(xù)輸油。整個過程中并沒有產(chǎn)生誤操作，也沒有檢測到超壓的情況，而末站的減壓閥卻產(chǎn)生了損壞。3．事故原因推斷經(jīng)分析，導(dǎo)致減壓閥處超壓的可能原因有：（1）首站注油時產(chǎn)生了水擊導(dǎo)致閥門超壓損壞已知輸油管道中水擊波速約為1000m/s，管線長度為360km，因此水擊波傳到末站時只需要5分鐘左右，而此時末站未出現(xiàn)超壓狀況，由此排除由于首站注油造成末站超壓。（2）管道某處有氣泡潰滅現(xiàn)象產(chǎn)生水擊壓力導(dǎo)致閥門損壞管道某處產(chǎn)生氣泡屬于不滿流，對于該原因，我們可采用軟件模擬的方法進行驗證。關(guān)于反注水含氣量的計算軟件，我們可選用由中國石油大學（北京）多相流課題組編寫的管道不滿流分析及投產(chǎn)模擬計算軟件，該軟件包含兩套軟件：不滿流分析軟件[4]（SlackFlowAnalysis，以下簡稱SFA）和投產(chǎn)模擬軟件（CommissioningSimulation，以下簡稱CS）。SFA軟件可對管道達到穩(wěn)定時的不滿流存在情況及消除不滿流情況進行計算分析；CS軟件可對不同投產(chǎn)方式下的投產(chǎn)過程進行模擬分析，該軟件已經(jīng)在西部成品油管道和原油管道上得以應(yīng)用。由于阿布扎比原油管道的實際管段起伏變化較多，不利于模擬計算。因此模擬時需將管道進行簡化。在采用投產(chǎn)軟件計算在末站反注水時管道內(nèi)的存氣情況時，首先簡化BVS-08站到末站的高程—里程圖，簡化圖如圖2所示（圖中LP表示低點（LowPoint）,HP表示高點（HighPoint））：圖2BVS-08到MOT地形簡化圖經(jīng)模擬計算后結(jié)果如表1表示，表1MOT—BVS-08注水過程中各下坡段的主要參數(shù)Table3.1MainParametersofDownhillSectionsintheProcessofwaterInjectionfromMOTtoBVS-08高點見液時間（h）下坡段不滿流長度（km）氣泡破碎結(jié)束時間（h）氣泡破碎結(jié)束壓力（Mpa）HP-83.4350.21282.6240.025HP-711.884-18.51-HP-618.259-35.1-HP-534.013.97691.0690.08HP-442.94-77.88-HP-349.66-55.18-HP-252.52.6268.150.071HP-158.71.3499.750.047圖3為軟件模擬得到的管道含氣段示意圖，圖3BVS-08—MOT含氣段的示意圖Fig.2ThelengthofthegassectionsfromBVS-08toMOTschematic已知首站注油的時間為17:18，排量為1500m3/h，在同一天18:13時末站閥門被發(fā)現(xiàn)損壞。中間經(jīng)過時間為55分鐘。在這55分鐘內(nèi)可以計算出清管器運行的距離約為1.35km。清管器的位置位于閥室BVS-08到高點HP-1之間。高點HP-7到末站MOT含氣段示意圖如圖3所示：圖4HP-7到末站MOT含氣段示意圖Fig.3theGasSectionfromHP-7toMOTSchematic已知高點含氣段的長度為0.212km，破碎結(jié)束時的壓力為0.025MPa。在發(fā)生事故的55分鐘內(nèi)，HP-7上游的流量為1500m3/h，約為0.3744m/s。高點HP-8到MOT的里程為0.625km，在不考慮氣團壓縮及破碎消耗的時間的情況下，氣團30分鐘左右就能運行到末站MOT。此時靠近末站的靜壓力為6.7MPa，根據(jù)氣體狀態(tài)方程:（溫度恒定）式中：：狀態(tài)1下氣體的壓力，MPa：狀態(tài)1下氣體體積，m3：狀態(tài)2下氣體的壓力，MPa：狀態(tài)2下氣體體積，m3經(jīng)計算，氣泡在靠近管線末端時的長度為：0.00079km。則該氣體段的體積為1.11275976×0.0079×1000=0.88m3。氣泡開始時受外界高壓的影響，氣泡受內(nèi)外氣壓的影響，氣泡半徑逐漸減少，隨著氣泡壓縮，等溫情況下氣泡內(nèi)壓力逐漸升高，逐漸形成內(nèi)高外低的壓力梯度。根據(jù)聞仲卿研究的單泡潰滅數(shù)據(jù)，氣泡初始半徑為0.005m，置于邊長為0.1m立方體區(qū)域中心處，區(qū)域邊界為常高壓0.1MPa。初始時氣泡內(nèi)部及周圍流場抵壓0.01MPa。模擬結(jié)果為在0-0.30ms時間內(nèi)，邊界壓力較高，邊界壓力向氣泡內(nèi)傳播。氣泡在內(nèi)外負壓力梯度的影響下不斷壓縮，隨著氣泡的壓縮，不考慮溫度變化的情況下，氣泡內(nèi)的壓力不斷增大并且超過了外部壓力。氣泡內(nèi)外形成正壓力梯度。當正壓力梯度完全抑制了氣泡壓縮時，氣泡的體積達到最小，氣泡內(nèi)壓力達到峰值1.3MPa。為邊界壓力的13倍。如圖4所示圖5氣泡內(nèi)壓力隨時間的變化Fig.5Curvesofbubblepressurechangingwithtime其模擬了7個氣泡潰滅的運動過程，得出以下結(jié)論：與單個氣泡潰滅相比，周圍氣泡的存在，使得中心氣泡的潰滅延遲。潰滅過程中的壓力峰值增大，如圖5所示。圖6中心氣泡泡內(nèi)壓力隨時間的變化Fig.6Centralbubblepressurechangingwithtime圖7氣泡間距不同，中心氣泡內(nèi)壓力變化Fig.7Centralbubblepressurechangingwithtimeindifferentinterval其模擬125個氣泡潰滅過程，得出以下結(jié)論：1）氣泡排列方式不同，泡群的潰滅過程相似，外側(cè)氣泡先潰滅，隨著壓力的傳播，內(nèi)部氣泡開始潰滅。2）氣泡排列方式不同，潰滅過程中均受到泡間相互作用，氣泡變成凹形，形成射流。3）排列規(guī)則的泡群潰滅時間明顯比隨機排列的時間短。4）泡群潰滅過程中，氣泡密度越大，潰滅時間越長。5）氣泡間距越小，中心氣泡潰滅時間越長，潰滅過程中的壓力峰值越大，如圖6所示。4．結(jié)論在約30分鐘左右時，氣體段移動到末站位置，在壓力的作用下，流型開始向沖擊流或泡狀流轉(zhuǎn)變，氣團逐漸形成了氣泡群。氣泡在壓力下潰滅，產(chǎn)生巨大的潰滅壓力。從以上結(jié)果中可得，雖然現(xiàn)在沒有很好的方法來計算氣泡群對減壓閥的作用，但氣泡在壓力下潰滅，產(chǎn)生巨大的潰滅壓力。氣泡群的潰滅壓力比單個氣泡潰滅的峰值壓力還要高。閥門附近的靜壓力為6.5MPa，氣泡潰滅的壓力為其幾倍甚至十幾倍?？梢缘贸鰵馀萑旱臐绠a(chǎn)生的巨大壓力，是末站閥門造成損壞的主要原因。

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