輸油管道系統，即用於運送石油及石油產品的管道系統，主要由輸油管線、輸油站及其他輔助相關設備組成[1]，是石油儲運行業的主要設備之一，也是原油和石油產品最主要的輸送設備，與同屬於陸上運輸方式的鐵路和公路輸油相比，管道輸油具有運量大、密閉性好、成本低和安全係數高等特點[2]。
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輸油管道的管材一般為鋼管[3]，使用焊接和法蘭等連接裝置連接成長距離管道，並使用閥門進行開閉控制和流量調節[4][5]。輸油管道主要有等溫輸送、加熱輸送和順序輸送等輸送工藝。管道的腐蝕和如何防腐是管道養護的重要環節之一[6]。目前輸油管道已經成為石油的主要輸送工具之一，且在未來依舊具有相當的發展潛力[7]。
分類
輸油管道有數種不同的分類方法，可以按照管道設計壓力、管道側材質、管道的輸送距離、管道所輸送的物料等方式進行分類：
- 按設計壓力分類管道可以分為「真空管道」，即一般表壓低於0，如泵的進口管道；「低壓管道」，即一般表壓在0到1.6Mpa之間的管道，油庫的輸油管道一般較多採用此類；中、高壓和超高壓管道，中壓管道一般指表壓在1.6到10MPa之間的管道，高壓管道一般指表壓在10到100MPa之間的管道，超高壓管道則是表壓超過100MPa的管道，一般油田的油井出口大多為超高壓管道；[8]
- 按管道材質分類可以分為金屬管道和非金屬管道，金屬管道應用於大部分石油輸送工藝，非金屬管道多用於卸油碼頭和汽車供油設施（如：加油站）；[8]
- 此外，依據管道的使用情況還可以分為短距離管道和長距離管道以及原油管道和成品油管道等[2][9]。
組成
長距離的輸油管道由輸油站和管線兩個大部份組成。管道的起點是一個輸油站，通稱為「首站」，油品或原油在首站被收集後，經過計量後，再由首站提供動力向下游管線輸送。首站一般佈設有儲油罐、輸油泵和油品計量裝置，若所輸油品因粘度高需要加熱，則亦設有加熱系統。輸油泵提供動力使得油品可以沿管線向終點或下一級輸油站運動，一般情況下，由於距離長，油品在運輸過程中的能量損失明顯，需要多級輸油站提供動力，直至將油品輸送至終點。終點的輸油站通稱「末站」，主要是負責收集上游管線輸送而來的物料，因此也較多配有儲罐和計量系統。[2]
長距離的輸油管道系統的管線部份主要由以下設備組成：管道本身主體；沿線的閥門及其控制系統；通過河流、公路、山地的穿越設施；陰極保護裝置以及簡易道路、通訊系統、工作人員的住所等。長距離的輸油管線由鋼管焊接而成，管外包裹有絕緣層物質以防止土壤中的腐蝕性化學成份對管線本體造成侵蝕，管線本體內部還可內塗防腐材料以減少輸送的油品本身對管線的腐蝕和提高管線管線的光滑度以加大運輸量。每隔一定的距離或跨越大型障礙物時，管線都設有閥門，用以發生事故時阻斷物料，以防止事故的擴大及方便維修設備。通訊設備是用於輸油管道的輸轉調度的重要指揮工具，隨著通訊衛星和自動化技術的發展，相關技術已經大量運用於油品的管道輸送中。[10]
材質與規格
輸油管道所用的管材主要為碳素鋼管，按照其製造工藝又可分為無縫鋼管和焊接鋼管。無縫鋼管具有強度高，規格多等特點，因此適用於腐蝕性較強的油品或者高溫條件下的輸送。無縫鋼管又分為熱軋和冷拔兩種。由於冷拔加工會引起材料硬化，因此還需要依據管材的具體用途做相應的熱處理。焊接鋼管可分為對縫鋼管和螺旋焊接管兩種。由於碳素鋼管的工藝特性導致了此種鋼管在低溫時候容易變脆，因此主要適用於常溫管線，管材的使用溫度也不宜超過300攝氏度，一般而言普通碳素鋼管使用溫度介於0至300攝氏度之間。若採用優質碳素鋼管，則溫度應用範圍和放寬達—40至450攝氏度。鋼管的實驗壓力一般為公稱壓力的1.5倍。當所輸送物料的溫度不超過200攝氏度時，工作壓力就是公稱壓力。當溫度超過200度時工作壓力應相應低於公稱壓力。[8][3]
鋼管的外直徑一般用大寫字母D表示，其後面附加外徑的數值，如：外直徑為400mm的鋼管用D400表示；鋼管的內直徑用字母小寫d表示，其後附加內徑數值，如內直徑為300的鋼管表示為d300；鋼管的規格一般用「Φ外徑×壁厚」表示，如外徑為400mm，壁厚為6mm的管道表示為Φ400×6[8]。常用鋼管規格如下表所示[8][3]：
| 鋼管類型 | 鋼管標準 | 公稱直徑（DN，mm） | 適用溫度範圍（℃） |
|---|---|---|---|
| 無縫鋼管 | YB231—70 | 10 | -40—475 |
| 螺旋焊縫電焊鋼管 | SYB10004—63 | 200—700 | -40—450 |
| 鋼板卷管 | ≥500 | -40—470 | |
| 有縫鋼管 | YB234—63 | 10—65 | 0—140 |
- 公稱直徑：公稱直徑是為方便管道的設計、建設與檢修所規定的一個標準直徑。一般而言，公稱直徑與管道的實際內徑或外徑都不相等，而是一個與內徑較接近的整數值。公稱直徑用符號「DN」表徵，其後附加具體的數值，例如：公稱直徑為600mm的輸油管道表示為「DN600」。公稱直徑也常常使用「寸」作為單位，1寸=25.4mm，為方便轉換操作上一般取「1寸≈25mm」，DN600的輸油管道就可以稱為「24寸」。[8]
- 壓力參數：管道的壓力參數有「公稱壓力」、「試驗壓力」和「工作壓力」三項，公稱壓力如同公稱直徑是方便工程的名義壓力參數，表示為PN，如公稱壓力為1.6兆帕的管道，記：「PN1.6MPa」，公稱壓力還可用千帕（KPa）和帕（Pa）作為量綱，換算關係如下：1MPa=1000KPa=1000000Pa；試驗壓力是對管道的強度和抗壓性能進行測試所使用的壓力，永Ps標記，為了保證管道的使用安全，試驗壓力要求高於公稱壓力；工作壓力是指管道在實際應用中所承受的壓力。[8]
管道連接與控制
輸油管道須使用一定的鏈接方式才能構成一個完整的系統。管道的連接方式主要有絲扣、焊接和法蘭連接三類。壓力不高，管徑不大的管路可以採用絲扣的方法連接，此種連接方法較為方便，但由於多數主幹輸油管線管徑一般都較大，因此多採用其他兩種連接方法。DN≥50的管路基本採用焊接的方法連接，焊接具有施工方便、堅固、嚴密和節約鋼材等優點，一般直管或者彎路上不需要拆卸的部位都可採用。管道和閥門或者其他設備（如：泵）連接處以及管道需要拆卸的地方都採用法蘭連接，為保證法蘭連接處的嚴密性，也在法蘭兩側都需要使用相對質軟的法蘭墊圈進行輔助。法蘭依據製作工藝主要可分為平焊、螺紋、對焊、松套和盲板等幾種類型，除了盲板法蘭之外都是用於管路之間互相連接，若需要連接不同直徑的管路，也可採用兩頭直徑相對應的變徑法蘭。盲板法蘭用於管路頂頭一端的封閉，因此設計能承受較大的彎曲應力。[4]
閥門是用於開啟、關閉或者控制管道內介質流動的機械裝置。閥門的種類繁多，分類方法也有多種。若按用途劃分，可分為截斷閥、止回閥、分配閥等；若按壓力區分可分為真空閥（工作壓力小於標準大氣壓）、低壓閥（PN≤1.6MPa）、中壓閥（PN=2.5—6.4MPa）和高壓閥（PN=10—80MPa）。若按驅動方式可分為手動閥、動力驅動閥和自動閥，還有按溫度或者材料等等不同的分類方法[11]。閘閥是閥底座和閥板平等，閥板通過手輪隨閥杆垂直上下運動，以此切斷或開通管道，同時可調節管道的開通比例。由於閘板的特性，一般應用時，閘閥多為全開或全閉調節，較少用於流量調節，但閘閥具有密封性能好和維修方便的優點。截止閥的閥芯垂直落於底座上，閥座與管路中心線平行，流體在閥體內呈「S」形態流動，流體阻力較大，截止閥一般用於流量調節，且具有製造和維修方便的優點，但關閉時容易滲漏，密封性不如閘閥[5]。
在長距離輸送管道的鋪設中，沿線須安裝閥門，且間距不應超過32km，若管線途經人煙稀少地區則可以適當放寬。埋地輸油管道沿線在穿跨越大型河流、湖泊、水庫和城鎮等人口密集地區的管道兩端或根據地形條件認為需要，均須設置閥門。截斷閥的設置位置應不受地質災害及洪水影響，且要滿足交通便利、檢修方便的需要，並應設保護設施。[12]
工藝概述
長距離的輸油管道由輸油站和管路兩部分組成，長度可達數百公里甚至更長，沿線設有首站、若干個中間站和末站。同一種油品在管線內流動所消耗的能量由輸油站提供，因此需要了解不同情況下管道的工藝特性以確定具體的設備情況。輸送輕質油品（如汽油、航空煤油和柴油等）的管道，由於介質粘度小、流動性好，因此沿線不需要加熱，介質和管道的溫度與周圍土壤溫度相等，此種輸油管道被稱為「等溫輸油管道」，此種工藝無需考慮熱力學因素，僅僅需要從流體力學的角度評估與管道所需壓力平衡的泵站所提供的動力[13]。當所輸送的介質為易凝固、高粘度（如：蠟含量較高的中國大陸之大慶油田的產油[14]）時，若其凝點高於管道周圍的環境溫度或者環境溫度下粘度很高時，無法直接使用等溫法輸送，因為過高的粘度會使得管道的壓降大大增加，不僅會耗費大量動力且有安全隱患，因此須採用加熱輸送的方法以達到降低粘度、較少摩阻的效果。加熱系統伴隨在管道的外壁，保持管道的溫度達到輸送的需要[15]。為了使得加熱管道的能量能夠較少損失，一般加熱輸送的管道都需要包裹保溫設備，保溫設備包裹管道和加熱系統也稱為保溫層，保溫層的物質應具有較差導熱性，且必須具有耐高溫、抗腐蝕、耐振動和吸水性弱、化學穩定性好等特點，一般為柔軟的非金屬混合材料（如：玻璃棉氈等）。保溫層外還需要有保護裝置以保護，最常用的是鍍鋅鐵皮。[16]
順序輸送[17]是在一條管道內，按照一定批次和順序，連續地輸送不同種類的油品的輸送方法，亦稱為「交替輸送」或者「混油輸送」。[18]順序輸送可以最大限度地利用管道的運能，以此節約成本增加效益，並減低鐵路等其他運油方式的運輸壓力，因而在美國和俄羅斯等國家被廣泛應用[19]。中國目前也有部分管道尤其是軍用的輸油管道使用順序輸送工藝[20]。順序輸送主要的工藝難點在於不同種類油品依次輸送時所產生的混油的處理，以及如何儘量減少混油的產生，減少混油可以採用使油品在輸送過程中保持湍流流態和使用機械裝置或凝膠隔離的方法實現，其中使用凝膠隔離是目前更具發展潛力的有效方法[18][21]。
油庫內設有油品進出油庫的管道系統。一般而言，油庫內管道採用地上鋪設為主，在特殊地段（如穿越鐵路、道路和障礙等）需要採用高架鋪設或者管溝鋪設，其中，管溝鋪設容易聚集油氣，提高火災和爆炸的安全風險，因此管溝在進入油庫泵房、油罐區的防火堤和作業區處必須設置隔斷牆。由於鋼製閥門較鑄鐵閥門而言，價格差距不大，但更能避免閥門被凍裂、拉裂，以及作業時遭到水擊和外來機械損傷，因此，油庫油管的閥門採用一般鋼製閥門。[22]
管道腐蝕與防腐
由於輸送的油品中含有硫元素和酸性物質，外加管道裸露在露天遭受風吹雨淋，導致管道易被腐蝕。管道腐蝕主要有以下幾種：由原電池原理而導致的鋼鐵吸氧腐蝕；由於酸雨導致管道表面積聚酸性的硫化物（二氧化硫和硫化氫）而導致的析氫腐蝕；大氣降水導致的二氧化碳酸性腐蝕；管道表面能夠代謝硫酸鹽的細菌導致的細菌腐蝕和管道內積水導致的腐蝕等，其中吸氧腐蝕是最多的腐蝕情況，原理如下[6]：
- 中性條件下：O2 + 2H+ + 4e → 2OH−
- 鹼性條件下：O2 + 2H2O + 4e → 4OH−
- 酸性條件下：O2 + 4H+ + 4e → 2H2O
由於管道腐蝕的成因與條件不盡相同，因此管道防腐依據不同的腐蝕情況也有以下幾種不同的方法：合理選材，依據不同的輸送介質和環境條件選擇不同種類的材料；陰極保護，就是外加直流電源，是原本為陽極的管道金屬本身變為陰極而得到保護，或者可以將化學活性相對更為活潑的一種金屬附加在管道上，使兩者構成原電池，此時更活潑的金屬被腐蝕而管道本身則得到保護；介質處理，包括除去介質中腐蝕性強的成分或調解其pH值；金屬表面添加防腐塗層（如：油漆）以此隔絕鋼材制管道和空氣中的氧氣接觸，以此達到保護效果；添加「緩蝕劑」，緩蝕劑是添加於金屬設備中用於減緩腐蝕的一種專用添加劑，由於用量小、投資省和效果明顯等優點，是目前管道及其他領域防腐技術的重點發展方向，緩蝕劑的防腐蝕原理可描述為反催化，即和化工生產中所使用的催化劑原理相反，緩蝕劑會提高化學反應所需的活化能，以此減慢腐蝕反應的發生速度。[6]
發展概述
現代的管道輸油開始於19世紀中葉，1865年美國賓夕法尼亞建成了世界上第一條輸油管道，管道直徑50mm，長約10km，之後輸油管道雖在世界範圍內有所發展但也較為緩慢，直到第二次世界大戰，當時的美國因戰爭需要開始大規模建設長距離輸油管道。二戰結束後，世界範圍內興建了多條大型跨國界輸油管道，且一批海洋輸油管道也得到建成，海底管道已經深達海底100多米。[10]美國目前擁有約30萬公里的輸油管道，中國的輸油管道起步於1950年代，目前已經擁有約3萬公里的輸油管道系統，俄羅斯和中東國家也擁有複雜的輸油管道系統[23][7]。
連接俄羅斯和東歐的「友誼」輸油管道是截至目前世界上最長的輸油管道，起自俄羅斯的阿爾麥季耶夫斯克至匈牙利、捷克、斯洛伐克、波蘭和德國。為雙線：一線長5500公里，管徑1.05米，年輸油能力5000萬噸；二線長4412公里，管徑1.22米，年輸油能力7000萬噸，該管道承擔東歐國家的重要能源供給[24][25][26]。美國的阿拉斯加原油管道是美國的一條重要輸油管道，長度為1287km，曾經在2011年因為泄漏事故關閉數日導致世界原油價格大幅上漲[27]。中緬油氣管道是2013年投入使用的一個由緬甸向中國輸送原油和天然氣的油氣管道，年設計輸送能力為2000萬噸，相當於約每日40萬桶，管道全長793公里，起於緬甸皎漂市，從雲南瑞麗進入中國境內，該條管道將有助於中國擺脫長期依賴馬六甲海峽進口石油的困局[28]。
美國能源信息署預測，到2020年之前，世界管道的長度將以每年7%的增長率增長，到2015年前後，全球將新建約3.6萬公里長度的輸油管道，其中中國從2014年至2020年每年將建設約8000公里的輸油管道[7][29]。
除了線路里程的成長外，未來輸油管道的發展更多在於技術革新。在原油管道技術方面，針對現役管道輸量逐年下降、稠油開採量的增加以及原油開採向深海發展的現狀，世界各國尤其是盛產含蠟高粘原油的大國，都在大力進行高粘、易凝原油長距離管道常溫輸送工藝及流動保障技術的試驗研究，以及如何使管線在更安全和自動化條件下也是今後研究發展的目標[7]。成品油管道技術發展方向是大流量、多油源、多品種、多分支，以及採用紊流密閉輸送及減阻工藝和採用遠程自動化控制泵和閥門的啟停，實現水擊的超前保護等[7][30]。此外在建造上，例如如何穿越碎石凍土之類複雜地質條件的技術難關目前也取得了一定突破，但也面臨例如長年使用的管線老化等問題[31][32]。
參考文獻
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