油气储运高等教育70年回顾与思考

    期次:第28期    阅读:1239    作者:□ 严大凡

石油储运专业 1952 年在清华大学土木系初建,1953年划入石油系,当年秋天北京石油学院成立。初期使用的专业教材,是苏联莫斯科石油学院的两大权威著作:雅勃隆斯基所著《输油管设计与管理》及车尔尼金所著《油库设计与管理》。由于这两本教材的引领,油气储运学科一直按“储”与“运”两个系统组织教学,我一直在“运”的领域,今天的回忆也难免局限于“运”,实在抱歉!

《输油管设计与管理》分上、下册。下册主要是施工,包括强度计算。张英教授第一次主讲该课时,认为该书对于施工内容的阐述不如欧美杂志详细,就自己编写了补充讲义。后来考虑到工艺技术与施工涉及的基础理论差别较大,就将施工课独立了。20世纪80年代,力学教研室在热油管道强度计算方面获得国家科技进步奖后,又将施工课并入管道强度课,由高锡祺老师和力学教研室老师讲授,蔡强康、崔孝秉、吕英民老师都曾带过石油储运专业的研究生。石油大学在北京和华东两地办学后,石油大学(华东)还保留有施工课。至于《腐蚀与防护》,原是输油管课程的一部分,20世纪80年代也独立开课了。1998年俞蓉蓉还编写出版了高等学校教学用书《地下金属管道的腐蚀与防护》。翁永基调入我校后,腐蚀与防护就归入材料学科了。1964年我编写出版了中国高校第一本《输油管设计与管理》教材,按照苏联的框架写的。经过中国输油管道建设实践的锻炼,1986年我重新编写了输油管高校统编教材,内容就结合中国实际了,1987年获得石油部优秀教材奖。1996年由杨筱蘅、张国忠主编修订出版了该教材第二版。

石油储运专业创建初期,中国没有长输管道,实习除了去油田、炼厂和油库外,前两届同学还曾去上海杨树浦水厂学习大型离心泵,去上海卢家湾发电厂学习柴油机。储54级学生在玉门毕业实习时,获悉石油部要建设克拉玛依至独山子的中国第一条长距离输油管道且工程由玉门矿务局施工,师生积极要求去参加工程建设,学校就改变了教学计划。1958年2月,我按照学校安排先跟随玉门油建公司的队伍赴克拉玛依做准备,在玉门实习的同学及在北京的张英、范冶、姚光镇等老师相继赴疆。当时从玉门到克拉玛依要经过七天七夜的昼行夜宿公路旅程,工地更是一片戈壁荒滩,大家都住帐篷或土坯房,艰苦程度可见一斑。

该管道原定设计输量是40×104t/a,但克拉玛依矿务局提出要将输量提高至 100×104t/a。工程刚开始就要修改设计输量,最易行的办法是增敷一条并行管道,但当时钢材奇缺,单管设计所需钢材还大多是苏联进口的,唯一的办法是增建泵站。当时用的输油泵都是井队淘汰下来的钻井用的苏联制造泥浆泵和柴油机,只给泥浆泵换了个耐油缸套,对柴油机调速装置作了些更改。时间紧、任务重,领导层也有不同看法,由谁修改设计亟待确定。张英教授大胆请命组建设计小组,泵站的改扩建由配合施工的设计人员承担,管道的工艺计算、泵站布置等则由我来干,姚光镇、范冶负责组织学生实习。正值夏季,在烈日炙烤的戈壁滩上,学生和工人一起配管、焊接、熬沥青、涂防腐层,思想和业务上都得到了锻炼。1959年1月10日,修改设计后的克拉玛依至独山子管道顺利投运。在玉门矿务局1958年底大评比中,我被授予矿务局“技术革命红旗手”的奖励。

在中国油气储运学科创建过程中,最值得一提的是密切结合了中国原油特点,经过60余年不懈努力,实现了教学、科研与生产实际紧密结合,与现场技术人员一起开拓建立的易凝高黏原油安全经济输送的方法和理论。苏联、欧美、中东的原油大多是低黏的,凝点在0℃以下,而中国的原油接近90%都是易凝高黏的。如何安全经济地集输此类原油,国外可供借鉴的资料很少,中国从建设玉门油田开始,一直在与易凝高黏原油作“斗争”。

中国第一条石油管道是从玉门油田集输总站到炼油厂的原油外输管道,设计施工负责人是翁心源工程师,中国赴美学习油气储运技术第一人。这条热油管道长4.5km,管径120mm,现在看来微不足道,但它建于1944年物质极度匮乏、“一滴汽油一滴血”的抗战时期。美国1941年建设的科罗尼尔管道的首段,管径也只有210mm。更重要的是,这条管道输送的是凝点10℃左右的易凝原油,美国那时还没有开采这么高凝点的原油。为了给管道保温,除了外面铺上棉毡,还发动当地群众收购干马粪,铺在管沟内管子的上下方,这在当时沦为笑谈的事,其实是从实际出发、很有科学依据的做法。

1959年四川会战中,石油学院储运教研室曾与炼制系合作开展川油降凝的科研,做了半年多实验,未获效果。

1960年大庆会战中,原油凝点比已经建成的玉门、新疆油田所产原油凝点都要高10℃以上。在天寒地冻的东北,原油集输和外运屡遭困难。张英教授与任瑛教授从实际出发,提出实施水套加热炉油气混输流程,与现场技术人员一起攻关,该成果1964年获国家技术发明奖。从大庆回来后,张英教授在冯叔初协助下,编写出版了中国第一本油气集输教材。1963-1965年间,他指导我们在北京石油学院储运实验室建起了原油流变性测试装置及易凝原油管道停输再启动试验小环道。他还和王迺教授及研究生一起建设了两相流试验环道。这些装置当时在国内领先,可惜1966年文革和1969年迁校中,都被拆毁了,直至20世纪70年代中后期才逐渐在东营恢复。

张英教授还带领年轻教师与大庆、胜利油田结合建设工程试验装置,其中大庆萨尔图集输站和后来我指导建设的华东管道仪征输油站的试验环道都很可惜半途而废了。1973年5月,张英教授调任石油规划总院总工程师,后来又转入中海油任总工程师,1997年4月病逝。

东北管道建设(八三工程)1970年8月3日拉开帷幕,由沈阳军区领导,首先建设大庆至铁岭输油干线。1971年,姚光镇、李才、俞蓉蓉都去工程指挥部参加建设,获得现场好评。1972年中首次招收工农兵学员,他们回校后,我去东北参加抚鞍线和铁秦线的施工建设与投运。

在铁秦线投产准备工作中,我的任务是组织全线测温,分别在进出站口、某进出河流的穿越段两端及1个周围环境较好的中间阀室设立测温点。在管外壁的上下左右和距管壁0.5m及1m处设温度计,组织民兵根据试运情况,每隔2~4h去现场读取数据后,用电话报告调度室。我在调度室接电话,记录数据并标在图上。铁秦线9月中经热水预热,9月末输入原油7天后,中间的锦县泵站因误操作致加热炉断流,失火爆炸。这时各站进站油温只比原油凝点高2~3℃。为确保安全,指挥部领导原决定用热水将全线450km管道内逾20×104 m3热油都顶到末站去,待加热炉修复后再重新投产。对此我非常犹豫,经过10多天热水预热,管道周围土壤中蓄积的热量已经快接近正常输油的50%了,要是能在一周内修好加热炉,恢复输送,管内油流还不至于凝结;但当时正值辽宁雨季,要是下几场大雨怎么办。我向指挥部领导汇报了想法。肖全夫和罗坤山两位将军让我详细说明了该方案的依据和风险后,对我说:“我们同意你的建议,你不要有顾虑,所有后果我们领导负责。”一周后,管道恢复运行,年底我回校前指挥部还给学校写了感谢信。

热含蜡油管道的凝管和初凝事故,是管道投产初期和低输量运行阶段容易发生的事故。油田集输管道的凝管事故,在大庆、胜利等油田都曾发生过。初凝事故是指管道运行出现输量逐渐减小、出站压力却不断上升、油温逐渐下降的不稳定工作区,最终可能导致停输和凝管。我曾亲历并参与处理过的就有秦京线、湛茂线等初凝险情。

鉴于长输管道凝管事故的教训,20世纪七八十年代设计的热油管道大都设有反输流程,但不少管道却从没用过反输。车尔尼金在他50年代初的博士论文中曾依据原油黏温方程、管道摩阻方程及泵特性等建立的数学模型,指出热油管道在黏温指数特别高等特殊情况下可能出现不稳定工作区。可我们在实践中发现,黏温指数并不高的大庆原油却常发生进入不稳定工作区的险象,这是管壁结蜡和原油流变性恶化所致。鉴于中国原油的特点,我们必须针对含蜡原油的流变性及其结蜡规律开展深入研究。

从大庆会战起,储运教研室从事易凝高黏原油输送研究已有60年。前20多年受实验设备和人员数理基础限制,主要在仪器和试验环道上做实验,也在油田作了少量现场试验,还曾获国家科技进步三等奖。20世纪80年代,随着塔里木等西部油田的开发和中亚原油的进口,含蜡原油管道越建越长,工程实际要求我们必须从理论上有所突破,搞清楚原油主要组分及其微观结构与宏观流变性之间的关系。张劲军及其团队经过近10年努力,终于找到了以黏性流动熵产为核心的管流模拟放大准则,提出了基于可靠性的管道流动安全评价方法。该方法经西部管道10余年的工程实践验证,证明是可靠的。这项技术先后获中国石油科技进步一、二等奖3项,同时是2014年国家科技进步一等奖项目的主要内容之一。

长距离输油管道要进行全线自动控制和集中调度,必须采用密闭输送工艺。20世纪70年代初庆铁线建成时,还采用旁接油罐的开式流程,能耗大又不便于自动控制。在我的游说下,东北管道局组织了由总工程师张昭明领导的试验小组,我和4名技术员参加。那时泄压阀和调节器等都是自己设计委托外厂加工,再反复模拟试验。这些“土”设备一直用到20世纪 80 年代才被“洋”仪器取代。1973年,我们选择庆铁线包含3个泵站的中间管段开展了连续三个月的试验,证明密闭输送可行。后来又在铁秦线等其他管道多次试验,1979年由东北管道局验收,允许投产运行。20世纪 80年代中期,原油管道开始大范围推广全线密闭输送自动控制,1985年与国外公司合作对铁大线进行改造,实现了全线数据自动传输与调控。中国第一条引进SCADA技术建设的全线自动控制原油管道应该是东黄复线,1986年投产。该技术1990年获中国石油科技进步一等奖。

新中国第一条长距离成品油输送管道是解放军总后油料部设计建造的格尔木至拉萨管道。为掌握顺序输送技术、培训技术人员,总后油料部在房山建了两圈长34km、管径159mm的试验环道。所用机泵设备、钢管与工程现场拟采用的规格完全相同。冯叔初参加了一年半试验的全过程,我曾参加多次该工程的技术讨论会。管道1977年投产,2003年改为全线自动控制。

大落差段的控制是输油管道顺序输送技术中的难题。1997年投产的库鄯线是中国第一条自动控制的设置减压站的大落差原油管道。该管道建设除了原油加剂常温输送技术的突破外,还对大落差控制进行研究,成果获中国石油科技进步一等奖。2002年建成的兰成渝成品油管道大落差段在线路中间,要经过秦岭,最大高差达2268m。为控制管流压力,中间要设3个减压站,这对于顺序输送油品交替和输量调节控制的难度较大。自2002年投产以来,该管道已顺利运行近20年,我的第一位博士生宫敬和她的团队,一直参加该管道的调控工作。

油气混输的多相流技术一直是困扰油气开采和地面集输的难题。石油学院的多相流混输研究由张英教授在大庆会战中开始,20世纪80年代在东营和北京建设了一定规模的试验环道。在此基础上,冯叔初与中海油的郭揆常总工程师合作编写了《油气集输与矿场加工》第二版高校统编教材。20世纪80年代,结合胜利油田单家寺高黏稠油开发,我和杨筱蘅、张劲军等还曾多年致力于油水混输技术研究。

新中国第一条长距离输气管道应该是1961年开工的巴渝输气管道,从石油沟至重庆,长54km,管径426mm,由当时石油部基建局总工程师翁心源带领建设。施工过程中已经下到水下的干管被湍急的水流冲出水面而断裂,他们想了很多办法,通过改变压在干管上的石笼的尺寸、质量、下压时间,终于成功。1963年又接着建设威远至成都输气管道,张英教授带领冯叔初、李才等参加了工程建设。在输气管道的教学与科研方面,西南石油学院和中国石油四川设计院作了较多贡献。北京石油学院从创建开始就设有输气管课程,最初两届由采油专业的老师讲,后来姚光镇、陈祖泽、冯叔初都讲过此课,姚光镇还于1992年编写出版了《输气管道设计与管理》教材。热工教研室杨延昕老师也讲过此课,并带了输气管道方面的研究生。1994年中国石油天然气集团公司要求石油大学为陕京输气管道办培训班,吴长春从此专注于输气管道的教研,他在输气管道规划和调度优化方面有贡献。华东的李玉星也做了不少工作,2009年出版了《输气管道设计与管理》高校统编教材。21 世纪起 ,在总计近 2×104km的西气东输一、二、三、四线工程中,北京、华东两地油气储运学科教师都参加了有关科研工作。

我是 2008 年退休的。20 世纪90年代中期以来,除带博士生外,我参加了陕京线、西气东输、漠大线等多个工程的咨询,深感保障安全是当前油气管道的重中之重。我还出版了一本油气管道风险评价的书。

近年来,建设智慧管道的呼声很高,但什么是智慧管道却众说纷纭,我同意吴长春教授的解释,智慧管道应该是实体管道本身及其赋予管道智慧特征的技术支撑系统。它应该有自动感知、分析、诊断、评价、预测、展示、控制、调节实体管网的功能。我认为在经济、环保的条件下,智能化运营的核心是确保安全。

综上所述,我认为油气储运学科70年来的建设过程,尽管有种种失误,但还是执行了理工科专业教学的基本任务,从工程需要出发,经过教学、科研及理论探索,使学生掌握学科必须的专业知识和技能。

目前中国的能源转型过程绝不是尽快压减油气用量,相反还要努力提高油气自给率。油气储运学科不仅要开拓新领域、新技术,“老行当”的技术创新也依然艰巨。任重道远,同志们,努力奋斗吧!

n