CN103742787A - 一种天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法，步骤为：收集输气管道基础参数；对影响阀室间距的相关因素进行分析；建立管道线路截断阀室间距计算数学模型，最终确定不同的地区等级阀室的最优间距。本发明首先收集管道管径、壁厚、埋深、所处地区的人口密度、地区等级和允许的天然气潜在排放量等基础参数；然后对不同地区等级下管道的第三方损坏失效频率、失效后果、管道阀室设计、建设成本、天然气潜在泄放量进行综合考虑，确定最优阀室间距计算公式，得到阀室间距值。本发明结果可靠，简单易行，为天然气长输管道合理阀室间距的确定提供了可靠的方法。

Description

一种天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法

技术领域

本发明属于天然气输送技术领域，尤其涉及一种天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法。 

背景技术

天然气是一种清洁、高效的能源。随着我国经济、社会发展，对天然气资源需求的也持续增加。管道输送是众多天然气运输方式中最为高效、经济的方式之一，我国已经建设了西气东输等总长超过8万公里的天然气长输管道。但是，天然气是可燃气体，其主要成分为甲烷，与空气的爆炸极限约为5％～15％，泄漏到空气中极易引起爆炸和火灾。因此，在天然气管线上设置截断阀室(线路截断阀及其配套设施的总称，当处于关闭位置时，可截断上游流体流向下游管道)是某部位发生气体泄漏、火灾等事故时迅速切断气源、减少火灾损失，缩小灾害影响范围和防止事故扩大的可靠措施。 

在阀室的修建过程中，并不是越多越好，一方面因为阀室越多，相应的管道建设投资将会增大；另一方面因为阀室本身就是管道的薄弱点，也容易成为外界损坏的对象，不如埋地管道安全性好。因此在修建阀室时，合理设置阀室间距和数量是一个很重要的问题。 

美国等发达国家在确定天然气长输管道线路截断阀室间距时采用ASME B31.8标准，通过查阅相关资料，并发现该标准中阀室取值的出处；我国采用GB50351计算阀室间距，该标准主要依据ASME B31.8，但也没有说明阀室间距确定方法的出处。在未明确阀室间距具体确定方法的情况下，直接采用美国标准是存在一定的局限性的。例如，地区等级是与阀室间距密切相关的因素，美国运输部(DOT)关于地区等级分类所规定的面积是沿管道两侧各宽200m 范围、任意划分成长度1.6km；而我国规定的是沿管道中心两侧各200m范围内，任意划分成长度2km。这就使得美国的阀室间距设置标准并不完全适合于我国的实际国情。另一方面，随着经济、社会的进一步发展，以及环保标准的提高，如何对阀室间距设置标准进行调整也将成为我国天然气管道设计、建设中所面临的问题。 

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法，旨在解决如何对阀室间距设置标准进行调整和设计的问题。 

本发明实施例是这样实现的，一种天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法，该天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法包括以下步骤： 

步骤一，根据输气管道踏勘和初步设计资料，收集管道的管径、壁厚、埋深、所处地区的人口密度、地区等级和允许的天然气潜在排放量等基础参数； 

步骤二，对影响阀室间距的相关因素进行计算； 

步骤三，计算得到的参数值代入到不同的地区等级的管道线路截断阀室间距计算公式中，最终确定阀室的最优间距。 

进一步，在步骤一中，管道基础参数收集，包括管道管径、壁厚、埋深、所处地区的人口密度、地区等级和允许的天然气潜在排放量。 

进一步，在步骤二中，计算影响阀室间距的相关因素的值包括： 

计算管道第三方损坏基础失效频率； 

确定失效频率与管道壁厚的关系； 

失效频率与地区等级的关系； 

失效频率与管道埋深的关系； 

失效频率与管道保护措施的关系； 

计算管道失效频率； 

确定管道第三方损坏发生后，与人员伤亡和天然气泄漏损失有关的系数， 分别取ω₃＝1.23、ω₄＝0.697×10^-4； 

确定与阀室设计及购置有关的系数，ξ₁＝0.9×10^-6，ξ₂在一、二、三、四类地区的取值分别为0.2×10^-7、0.3×10^-7、0.33×10^-70.4×10^-7、ξ₃＝0.1×10^-4、ξ₄＝0.4×10^-5； 

根据基础参数收集结构，确定人口密度； 

计算不同阀室间距下的天然气潜在放空量。 

进一步，计算管道因第三方破坏而导致事故的基础失效频率表达式为； 

p₁＝10^{(-000178D-0.44306)}

式中p_f——与管径有关的第三方损坏导致的失效频率，[1000km·年]-1； 

D——管道管径，mm。 

进一步，计算管失效频率表达式为：根据基础失效频率及修正系数，计算管道的总失效频率。 

p_f＝p₁×m₁×m₂×m₃×m₄

式中p_f——管道受第三方损坏失效频率，/km.年； 

p₁、p₂、p₃——与管径有关的第三方损坏导致的失效频率，/km.年； 

m₁——管道壁厚修正系数； 

m₂——管道位置修正系数； 

m₃——管道埋深修正系数； 

m₄——管道保护措施修正系数。 

进一步，计算不同阀室间距下的天然气潜在放空量，天然气主干线的气体潜在排放量必须控制在90000m³～300000m³，根据各级地区甲烷的限制排放量，计算阀室间距最大值； 

$l=\frac{4V}{{\mathrm{\πD}}^2}$

式中D——输气管道管径，m； 

l——阀室间距，m； 

V——各级地区甲烷限制排放量，m^３。 

进一步，在步骤三中，确定阀室的最优间距的计算公式： 

一级地区最优阀室间距计算公式： 

$l=\sqrt{\frac{2.3872\×{10}^{-3}}{p_{f1}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

二级地区最优阀室间距计算公式： 

$l=\sqrt{\frac{2.3888\×{10}^{-3}}{p_{f2}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

三级地区最优阀室间距计算公式： 

$l=\sqrt{\frac{2.3893\×{10}^{-3}}{p_{f3}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

四级地区最优阀室间距计算公式： 

$l=\sqrt{\frac{2.3904\×{10}^{-3}}{p_{f4}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

式中p_f——各地区等级管道受第三方损坏的失效频率，/km.年； 

ρ₃——人口密度，人/m²； 

l——阀室间距，km； 

将人口密度，管道失效频率代入到所选择的阀室间距计算公式，计算出最优阀室间距。 

本发明提供的天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法，通过综合考虑管道地区等级、人口密度、第三方损坏频率、事故损失、阀室建设成本、天然气潜在泄放量等因素，提出了计算天然气长输管道最优阀室间距的方法。本发明首先收集管道管径、壁厚、埋深、所处地区的人口密度、地区等级和允许的天然气潜在排放量等基础参数；然后对不同地区等级下管道的第三方损坏失效频率、失效后果、管道阀室设计、建设成本、天然气潜在泄放量进行综合考虑，确定最优阀室间距计算公式，得到阀室间距值。此外，本发明可以根据管道的管径、埋深、所处地区的人口密度、地理环境、环保要求，确定管道阀室的最佳间距，结果可靠，简单易行，为天然气长输管道合理阀室间距的确定提供了可靠的方法。 

附图说明

图1是本发明实施例提供的天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法的流程图。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

图1示出了本发明提供的天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法流程。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。 

本发明的天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法，该天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法包括以下步骤： 

步骤一，输气管道基础参数的收集； 

步骤二，对影响阀室间距的相关因素进行计算； 

步骤三，计算得到的参数值代入到不同的地区等级的管道线路截断阀室间 距计算公式中，最终确定阀室的最优间距。 

作为本发明实施例的一优化方案，在步骤一中，管道基础参数收集，包括管道管径、壁厚、埋深、所处地区的人口密度、地区等级和允许的天然气潜在排放量。 

作为本发明实施例的一优化方案，在步骤二中，计算影响阀室间距的相关因素的值包括： 

计算管道第三方损坏基础失效频率； 

确定失效频率与管道壁厚的关系； 

失效频率与地区等级的关系； 

失效频率与管道埋深的关系； 

失效频率与管道保护措施的关系； 

计算管道失效频率； 

确定管道第三方损坏发生后，与人员伤亡和天然气泄漏损失有关的系数，分别取ω₃＝1.23、ω₄＝0.697×10^-4； 

确定与阀室设计及购置有关的系数，ξ₁＝0.9×10^-6，ξ₂在一、二、三、四类地区的取值分别为0.2×10^-7、0.3×10^-7、0.33×10^-70.4×10^-7、ξ₃＝0.1×10^-4、ξ₄＝0.4×10^-5； 

根据基础参数收集结构，确定人口密度； 

计算不同阀室间距下的天然气潜在放空量。 

作为本发明实施例的一优化方案，计算管道因第三方破坏而导致事故的基础失效频率表达式为； 

p₁＝10^{(-000178D-0.４４３06)}

式中p_f——与管径有关的第三方损坏导致的失效频率，[1000km·年]-1； 

D——管道管径，mm。 

作为本发明实施例的一优化方案，计算管失效频率表达式为：根据基础失效频率及修正系数，计算管道的总失效频率。 

p_f＝p₁×m₁×m₂×m₃×m₄

式中p_f——管道受第三方损坏失效频率，/km.年； 

p₁、p₂、p₃——与管径有关的第三方损坏导致的失效频率，/km.年； 

m₁——管道壁厚修正系数； 

m₂——管道位置修正系数； 

m₃——管道埋深修正系数； 

m₄——管道保护措施修正系数。 

作为本发明实施例的一优化方案，计算不同阀室间距下的天然气潜在放空量，天然气主干线的气体潜在排放量必须控制在90000m³～300000m³，根据各级地区甲烷的限制排放量，计算阀室间距最大值； 

$l=\frac{4V}{{\mathrm{\πD}}^2}$

式中D——输气管道管径，m； 

l——阀室间距，m； 

V——各级地区甲烷限制排放量，m^３。 

作为本发明实施例的一优化方案，在步骤三中，确定阀室的最优间距的计算公式： 

一级地区最优阀室间距计算公式： 

$l=\sqrt{\frac{2.3872\×{10}^{-3}}{p_{f1}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

二级地区最优阀室间距计算公式： 

$l=\sqrt{\frac{2.3888\×{10}^{-3}}{p_{f2}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

三级地区最优阀室间距计算公式： 

$l=\sqrt{\frac{2.3893\×{10}^{-3}}{p_{f3}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

四级地区最优阀室间距计算公式： 

$l=\sqrt{\frac{2.3904\×{10}^{-3}}{p_{f4}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

式中p_f——各地区等级管道受第三方损坏的失效频率，/km.年； 

ρ₃——人口密度，人/m²； 

l——阀室间距，kn； 

将人口密度，管道失效频率代入到所选择的阀室间距计算公式，计算出最优阀室间距。 

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。 

如图1所示，本发明实施例的天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法包括以下步骤： 

S101：输气管道基础参数的收集； 

S102：对影响阀室间距的相关因素进行计算； 

S103：计算得到的参数值代入到不同的地区等级的管道线路截断阀室间距计算公式中，最终确定阀室的最优间距。 

本发明的具体步骤为： 

第一步：根据输气管道踏勘和初步设计资料，收集管道的管径、壁厚、埋深、所处地区的人口密度、地区等级和允许的天然气潜在排放量等基础参数； 第二步：计算影响阀室间距的相关因素的值 

(1)计算管道第三方损坏基础失效频率 

计算管道因第三方破坏而导致事故的基础失效频率； 

p₁＝10^{(-000178D-０.44306)}

式中p_f——与管径有关的第三方损坏导致的失效频率，[1000km·年]-1； 

D——管道管径，mm。 

(2)确定失效频率与管道壁厚的关系 

根据表1，确定不同壁厚和管径下管道的失效频率修正系数。 

表1管道失效频率与管径、壁厚的关系 

(3)失效频率与地区等级的关系 

根据表2，确定不同地区等级下和管道的失效频率修正系数。 

表2管道第三方损坏导致的失效频率与地区等级的关系 

地区等级	管道地区等级修正系数
		Rural(2级)	1
Suburban(3级)	3.9
		Town(4级)	23.1

[0122] (4)失效频率与管道埋深的关系 

根据表3，确定不同埋深下管道的失效频率修正系数。 

表3管道第三方损坏导致的失效频率与埋深的关系 

(5)失效频率与管道保护措施的关系 

根据表4，确定不同保护措施下管道的失效频率修正系数。 

表4管道第三方损坏导致的失效频率与管道采取保护措施的关系 

防范措施	管道保护措施修正系数
		所有措施	0.91
树立警示牌	1.03

(6)计算管道失效频率 

根据基础失效频率及修正系数，计算管道的总失效频率。 

p_f＝p₁×m₁×m₂×m₃×m₄

式中p_f——管道受第三方损坏失效频率，/km.年； 

p₁、p₂、p₃——与管径有关的第三方损坏导致的失效频率，/km.年； 

m₁——管道壁厚修正系数； 

m₂——管道位置修正系数； 

m₃——管道埋深修正系数； 

m₄——管道保护措施修正系数。 

(7)确定管道第三方损坏发生后，与人员伤亡和天然气泄漏损失有关的系数，分别取ω₃＝1.23、ω₄＝0.697×10^-4； 

(8)确定与阀室设计及购置有关的系数，ξ₁＝0.9×10^-6，ξ₂在一、二、三、四类地区的取值分别为0.2×10^-7、0.3×10^-7、0.33×10^-70.4×10^-7、ξ₃＝0.1×10^-4、ξ₄＝0.4×10^-5。 

(9)根据基础参数收集结构，确定人口密度； 

(10)计算不同阀室间距下的天然气潜在放空量 

天然气主干线的气体潜在排放量必须控制在90000m³～300000m³。根据各级地区甲烷的限制排放量，计算阀室间距最大值。 

$l=\frac{4V}{{\mathrm{\πD}}^2}$

式中D——输气管道管径，m； 

l——阀室间距，m； 

V——各级地区甲烷限制排放量，m^３。 

第三步：根据管道地区等级，选择相应的线路截断阀室间距计算公式。 

(1)一级地区最优阀室间距计算公式： 

$l=\sqrt{\frac{2.3872\×{10}^{-3}}{p_{f1}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

(2)二级地区最优阀室间距计算公式： 

$l=\sqrt{\frac{2.3888\×{10}^{-3}}{p_{f2}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

(3)三级地区最优阀室间距计算公式： 

$l=\sqrt{\frac{2.3893\×{10}^{-3}}{p_{f3}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

(4)四级地区最优阀室间距计算公式： 

$l=\sqrt{\frac{2.3904\×{10}^{-3}}{p_{f4}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

式中p_f——地区等级管道受第三方损坏的失效频率，/km.年； 

ρ₃——人口密度，人/m²； 

l——阀室间距，km。 

将人口密度，管道失效频率代入到所选择的阀室间距计算公式，计算出最优阀室间距。 

本发明的具体实施例： 

实施例1.根据美国地区等级划分标准，确定一、二、三、四级地区管道的线路截断阀室间距，通过与ASME B31.8标准进行对比，验证本发明的准确性。 

表5美国天然气长输管道失效频率 

表6美国不同等级地区的人口密度 

一级地区	1～10户
		二级地区	11～45户
三级地区	46～100户
		四级地区	＞＝101户

注：表6中每户人口取3人。 

表7美国不同等级地区阀室间距计算值与标准值比较(km) 

根据计算结果可知，根据美国地区等级划分标准计算的阀室间距与ASMEB31.8是一致的，说明本发明是可行的，准确的。因此，本发明中所述方法也可以对我国的阀室间距进行计算。 

实施例2.本例是根据我国地区等级划分标准确定一级和二级地区管道线路截断阀室间距。 

表8中国不同等级地区的人口密度 

一级地区	1～15户
		二级地区	16～99户

[0175] 

三级地区	100～200户
		四级地区	＞＝201户

注：表8中每户人口取3.1人 

表9天然气管道受第三方损坏失效频率及修正系数 

地区等级	1、2级地区
		与管径有关的第三方损坏导致的失效频率	0.135
壁厚修正系数	1

位置修正系数	1
		埋深修正系数	1
保护措施修正系数	1.03
		失效频率[1000km·年]-1	0.140

表10中国一、二级地区阀室间距计算值与标准值比较(km) 

表10表明，采用本发明所提出的天然气长输管道线路截断阀室计算的我国阀室间距值大于美国ASME B31.8标准。这也是我国和美国的实际国情的差异所导致的。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法，其特征在于，该天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法包括以下步骤：

步骤一，根据输气管道踏勘和初步设计资料，收集管道的管径、壁厚、埋深、所处地区的人口密度、地区等级和允许的天然气潜在排放量等基础参数；

步骤二，对影响阀室间距的相关因素进行计算；

步骤三，计算得到的参数值代入到不同的地区等级的管道线路截断阀室间距计算公式中，最终确定阀室的最优间距。

2.如权利要求1所述的天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法，其特征在于，在步骤一中，管道基础参数收集，包括管道管径、壁厚、埋深、所处地区的人口密度、地区等级和允许的天然气潜在排放量。

3.如权利要求1所述的天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法，其特征在于，在步骤二中，计算影响阀室间距的相关因素的值包括：

计算管道第三方损坏基础失效频率；

确定失效频率与管道壁厚的关系；

失效频率与地区等级的关系；

失效频率与管道埋深的关系；

失效频率与管道保护措施的关系；

计算管道失效频率；

确定管道第三方损坏发生后，与人员伤亡和天然气泄漏损失有关的系数，分别取ω₃＝1.23、ω₄＝0.697×10^-4；

确定与阀室设计及购置有关的系数，ξ₁＝0.9×10^-6，ξ₂在一、二、三、四类地区的取值分别为0.2×10^-7、0.3×10^-7、0.33×10^-70.4×10^-7、ξ₃＝0.1×10^-4、ξ₄＝0.4×10^-5；

根据基础参数收集结构，确定人口密度；

计算不同阀室间距下的天然气潜在放空量。

4.如权利要求3所述的天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法，其特征在于，计算管道因第三方破坏而导致事故的基础失效频率表达式为；

p₁＝10^{(-0.00178D-0.４４３０6)}

式中p_f——与管径有关的第三方损坏导致的失效频率，[1000km·年]-1；

D——管道管径，mm。

5.如权利要求3所述的天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法，其特征在于，计算管道失效频率表达式为：根据基础失效频率及修正系数，计算管道的总失效频率。

p_f＝p₁×m₁×m₂×m₃×m₄

式中p_f——管道受第三方损坏失效频率，/km.年；

p₁、p₂、p₃——与管径有关的第三方损坏导致的失效频率，/km.年；

m₁——管道壁厚修正系数；

m₂——管道位置修正系数；

m₃——管道埋深修正系数；

m₄——管道保护措施修正系数。

6.如权利要求3所述的天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法，其特征在于，计算不同阀室间距下的天然气潜在放空量，天然气主干线的气体潜在排放量必须控制在90000m³～300000m³，根据各级地区甲烷的限制排放量，计算阀室间距最大值；

$l=\frac{4V}{{\mathrm{\πD}}^2}$

式中D——输气管道管径，m；

l——阀室间距，m；

V——各级地区甲烷限制排放量，m³。

7.如权利要求1所述的天然气长输管道线路截断阀室间距的确定方法，其特征在于，在步骤三中，确定阀室的最优间距的计算公式：

一级地区最优阀室间距计算公式：

$l=\sqrt{\frac{2.3872\×{10}^{-3}}{p_{f1}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

二级地区最优阀室间距计算公式：

$l=\sqrt{\frac{2.3888\×{10}^{-3}}{p_{f2}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

三级地区最优阀室间距计算公式：

$l=\sqrt{\frac{2.3893\×{10}^{-3}}{p_{f3}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

四级地区最优阀室间距计算公式：

$l=\sqrt{\frac{2.3904\×{10}^{-3}}{p_{f4}(61.5{\mathrm{\ρ}}_3+0.00349)}}$

式中p_f——各地区等级管道受第三方损坏的失效频率，/km.年；

ρ₃——人口密度，人/m²；

l——阀室间距，km；

将人口密度，管道失效频率代入到所选择的阀室间距计算公式，计算出最优阀室间距。

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