油气管道设备国产化的意义、现状和前景展望

       目前，我国陆上油气管道总里程超过12×104km，覆盖31个省区市和特别行政区，近10×108人受益，标志着我国油气骨干管网保障格局基本形成，在保障国家能源安全方面发挥了重要作用。

       2014年，中国石油持续推进资源、市场、国际化三大战略的实施，大力推进油气能源战略通道建设，建成投产中亚天然气管道C线、西气东输三线西段和呼包鄂成品油管道等33个重大管道建设项目。

       截至2014年末，中国石油运营国内油气管道总长度76795km，其中天然气管道48602km，原油管道18107km，成品油管道10086km。目前，中国石油已基本建成西北、东北、西南和海上四大能源战略通道、骨干管网及配套设施，构架起横跨东西、纵贯南北、连通海外、覆盖全国的管道网络。

       随着中国石油管道建设的快速发展，对油气管道设备的需求急剧增加，目前，有多种关键设备由国外企业垄断，一旦遇到战争、外交困境或其他不可抗拒的紧急情况，可能面临油气管道运营陷入瘫痪的危险。为此，急需开展关键设备国产化工作，以降低政治风险，提高保障能力。

       1、油气管道设备国产化意义及思路

       1.1       重要意义

       近年来，国家为推动装备制造业发展出台了一系列规划纲要和措施性文件，并在油气管道建设项目批复文件中明确提出逐步实现管道钢管、输油泵机组、压缩机组、大口径阀门等设备国产化的要求。

       1983年，国务院做出了《关于抓紧研制重大技术装备的决定》〔国发（1983）110号文件〕，提出加速实现我国能源、交通、原材料等重点建设工程所需重大成套装备的国产化。

       2006年，国务院发布《关于加快振兴装备制造业的若干意见》〔国发（2006）8号〕，提出以重点工程为依托，推进重大技术装备自主制造，以装备制造业振兴为契机，带动相关产业协调发展；2011年，国家能源局发布《国家能源科技“十二五规划”》，明确要求“加强攻关，增强科技自主创新能力，提高能源装备自主化发展水平”。

       在正常的贸易往来中，可以比较容易地获取保障管道平稳运行的技术装备、售后服务、备品备件等；但若出现非常情况，管道技术装备、售后服务、备品备件等保障难度就会增大。因此，推进油气管道装备国产化具有保障国家能源安全的重要战略意义。

       此外，由于历史和国际政治原因，中国的海外投资地理分布表现出特殊性：海外油气项目很多集中在中亚和南美等区域，该区域很多国家经常受到欧美的经济制裁，在相关区域只能依靠国产装备保障油气管道的建设，因此，开展管道设备国产化也是中国石油企业走向世界的需要。

       推进管道设备国产化，对于油气管道行业降本增效具有重要意义，主要体现在以下几个方面：

       （1）显著降低建设成本，国产设备投资相比进口设备可降低1/3~1/2；

       （2）显著缩短供货周期，供货周期可缩短1/2~2/3；

       （3）售后服务响应及时，可及时解决出现的问题；

       （4）备品备件价格优势明显，显著降低运行成本。

       油气管道设备国产化是系统工程，涉及多个行业。随着国内管道建设的快速发展，依托重点工程，实施国产化工作，可以带动国内机械、电子、冶金、建材等相关产业的发展，并带动相关产品升级换代，从而促进民族装备制造业的发展。

       1.2       工作思路

       管道设备国产化的工作思路为：采用“政产学研用”1+N模式。近年来的国产化工作实践表明：该模式是确保中国石油装备国产化工作顺利推进和取得实效的重要组织保障，也是全面深入推进国产化进程应该坚持的组织模式。

       所谓“政”，就是政府主导国产化工作。由国家能源局负责总策划、总指挥、总协调，集合中国石油和国内重点装备制造企业整体优势，从国家层面给予相应的政策扶持，形成国产化工作的重要推动力量。

       所谓“用”，是指用户引导国产化方向。中国石油作为油气长输管道关键设备的最终用户，积累了丰富的设备运行及管理经验，对设备技术指标、技术条件等最为了解，在国产化工作发挥技术标准起草、技术把关等引导作用。

       所谓“产学研”，是指包括相关装备制造企业在内的生产及研究单位，是国产化研制工作的具体承担者和实施者，瞄准国际同类产品先进标准，发挥自身科技创新驱动能力，努力提升国内产品的装备制造水平。

       所谓1+N模式，是指以中国石油业务需求为主导，联合产学研等相关行业共同进行科技攻关，以核心技术突破为重点，以工程应用为目标，确保研制工作取得实效（图1）。

       2、油气管道设备国产化研制进展

       中国石油在油气管道设备国产化方面开展了大量卓有成效的工作，以“重大项目”的形式陆续组织相关单位开展了设备国产化的研制和应用工作。高强度管线钢管及天然气管道3大件取得重大突破，并已得到规模应用。输油泵、关键阀门、执行机构、流量计等设备研制与应用正在开展，已经取得阶段性成果。

       2.1       高强度管线钢管新产品

       在国内全面实现了X80高强度管线钢管新产品的国产化，基于自主创新的高强度管线钢断裂控制、材料分析和高效焊接成型制管技术，开发出直径1219mm螺旋焊管、直缝焊管、热煨弯管、热拔三通管件、焊丝焊剂等5类新产品，为国家节约投资上百亿元。

       配套研发了国产自动焊、半自动焊、超声波相控阵检测等规模化施工装备与施工技术，大幅提高了管道焊接敷设施工能力、建设效率和工程质量。

       2.2       大型天然气管道三大件关键设备

       首台（套）国产20MW级电驱压缩机组研制成功，通过国家能源局组织的鉴定，技术性能指标达到设计要求。目前，首批2台（套）电驱压缩机组已运抵西二线高陵站和黄陂站，实施工业性应用试验。

       2012年11月15日，首台套国产20MW级电驱压缩机组在高陵站投产，并成功通过4000h工业性运行考核。按照要求完成国产20MW级电驱压缩机组工业性试验，并于2014年12月8日通过国家能源局组织的20MW级高速直联变频电驱压缩机组新产品工业应用鉴定。

       目前，国产化电驱压缩机组已在西气东输二线、西气东输三线西段规模应用20余台，并将在西气东输三线东段和中段进一步扩大应用范围。

       首台（套）30MW级燃驱压缩机组研制取得重大突破。燃驱机组研制分为产品一和产品二两个阶段，其中产品一为进口燃气轮机+国产压缩机+国产辅助配套及电控系统，产品二为国产燃气轮机+国产压缩机+国产辅助配套及电控系统。产品一和产品二分别于2011年10月和2014年9月通过国家能源局组织的新产品专家鉴定，并将安装在西气东输二线南昌―上海支干线衢州压气站。

       另外，3台燃驱机组（2台产品一、1台产品二）将在西气东输三线烟墩站推广应用。首批30台高压大口径全焊接球阀研制成功。按照制定的新产品技术标准，研制的首批15台40英寸600磅级、12台48英寸600磅级和3台48英寸900磅级，共计30台高压大口径全焊接球阀新产品通过出厂鉴定（1英寸=25.4毫米，1磅=0.45千克）。

       目前，国产40/48英寸高压大口径全焊接球阀在西气东输三线等管道得到推广应用，累计应用数量达176台。

       2.3       输油泵、关键阀门、执行机构、流量计等设备

       中国石油天然气股份公司2013年设立重大科技专项“油气管道关键设备国产化”，开展了输油泵、关键阀门、执行机构、流量计等5大类16种管道设备国产化研发工作。

       2.3.1国产化管道输油泵

       结构特点：国产化管道输油泵为卧式单级双吸水平中开结构（API610BB1），配径向导叶，能够通过更换叶轮和导叶实现同一壳体两个额定工况功能，采用滚动轴承支撑和集装式机械密封。

       设计参数：设计压力10MPa，功率等级2500kW，额定流量3100m3/h，额定扬程210m、220m和230m。主要创新点：研发了高效水力新模型，采用了3D打印、精密铸造、整体铣制等新工艺，利用了CFD计算软件、逆向工程新方法，使用了自润滑硬度梯度新材料，提出了分开制造、统一测试的新思路。

       2014年6月13―19日，将3家企业的国产化输油泵在沈鼓同一测试平台进行性能测试，由国家工业泵监督检验中心实施第三方见证，额定点效率达到90%（水效）。

       2014年7月7日，中国机械工业联合会和中国石油集团公司在北京组织2500kW级国产化输油泵机组出厂鉴定，国产化输油泵顺利通过鉴定。

       2014年9月，庆铁四线林源站、新庙站、农安站、梨树站的6台国产化输油泵投产一次成功，至今运行稳定，各项指标正常。

       2.3.2国产化关键阀门       

       国产化阀门包括56″球阀、调压装置关键阀门、强制密封球阀、压力平衡式旋塞阀、轴流式止回阀、调节阀、氮气式泄压阀。

       主要创新点：

       （1）输气管道调压装置安全切断阀采用旋启式自对中密封翻板机构，实现自对中密封功能，在0.1～12MPa工作压力区间达到零泄漏。采用集成超压、欠压、手动、远程控制于一体的安全阀指挥器；监控调压阀采用承压能力强的钢制活塞代替易损的橡胶膜片结构；研制了耐冰堵型指挥器；工作调压阀采用45°斜齿齿条啮合型的阀杆、推杆传动机构，提高机械传动效率和阀门调节精度；中腔阀杆采用双密封结构。

       （2）输气管道压力平衡式旋塞阀优化旋塞密封结构，减少开启扭矩；旋塞表面采用专有的处理工艺，提高其耐磨性、耐冲刷性和自润滑性；采用自主设计的旋塞内部压力平衡泄压阀，可避免介质中的颗粒杂质进入阀体上腔及超压。

       （3）输气管道轴流式止回阀采用可提高密封性及缓冲作用的活塞式复合密封结构；阀杆衬套采用特殊处理工艺，阀瓣采用防转、防脱离、双导向支撑技术。

       （4）输气管道轨道式强制密封阀采用金属硬密封阀座，具有在线检漏功能；优化阀杆导向结构，提高了阀杆强度和刚性；阀杆与阀体间设置定位套，定位套与阀杆表面采用不同的硬化处理，提高抗表面挤压力。

       （5）输油管道氮气式泄压阀采用窄密封面带保护环阀座，并采用组合式缓冲减震结构；活塞体采用防划伤密封机构及耐蚀、低摩阻处理技术；控制系统采用双回路柜式一体化结构。

       （6）输油管道套筒式调节阀阀芯、阀座采用主副双密封结构，阀芯、阀杆采用双导向结构，阀内件采用防转结构，阀芯采用直压自动对中结构。

       2014年3月29-31日、7月11-14日、11月20-21日，中国机械工业联合会和中国石油集团公司分3批对国产化阀门相关产品（除56″球阀外）进行了鉴定。国产化调节阀和泄压阀在庆铁四线投入工业试运行，强制密封球阀、压力平衡式旋塞阀、轴流式止回阀在昌吉站阀门试验场进行工业性试验，调压装置关键阀门在西气东输二线洛阳分输站等站场进行工业性试验，相关国产化阀门各项指标均符合要求。

       2.3.3电动执行机构和气液执行机构

       结构特点：电动执行机构机械整机结构采用非侵入式双密封结构设计，达到最高IP68防护等级；具有增量和绝对编码器可选择的位置测量方式，具有自主研发的扭矩测量机构，能够进行精确的力矩检测；具有自诊断、自巡检、现场总线和多重保护等完善的自保护功能。

       气液执行机构以管道内的高压天然气作为动力推动拨叉机构实现开阀、关阀功能，实现了气电分离，电磁阀、压力传感器和电子单元分离，具有在线测试、数据记录、自诊断和输出状态可组态等功能。

       设计参数：电动执行机构输出最大力矩250kN·m，开关时间210~260s，机械传动效率≥35%，电动执行机构内部控制器精度≤1%，电动执行机构和阀门配套后的整体精度≤1.5%，使用寿命≥8000次。气液执行机构输出最大力矩260kN·m，全行程时间40~90s，全行程精度≤0.3%，电子单元功耗≤0.3W，储气罐容量满足2次全行程，工作温度范围为-40~80℃。

       主要创新点：电动执行机构基于有用功方式的力矩检测技术，具有非接触、不受环境温度和电网电压波动的影响等特点，力矩保护稳定可靠，同时检测电机运动过程中的电流作为执行机构力矩保护的补充；采用专用防雷设计，在电源和信号端口实现三重防雷保护，并通过国家级防雷检测中心的测试；研发了嵌入式实时多任务模块化控制系统软件，增强了产品的稳定性和可靠性。

       气液执行机构的电磁阀在工作压力区间0.7~10.0MPa实现零泄漏，防爆/防护等级ExdIICT6/IP65，安全完整性等级SIL2；气控阀组在工作压力区间0.7~10.0MPa实现零泄漏；电子控制单元采用可在-40℃低温环境下使用的OLED中文显示技术，具有低功耗、高测控精度等特点。

       2014年3月29-31日和7月11-14日，中国机械工业联合会和中国石油集团公司分两批对超声流量计和涡轮流量计相关产品进行了鉴定。随后，12台国产化电动执行机构和6台国产化气液执行机构分别在西气东输二线和西气东输三线等管道站场开展现场工业应用试验，至今各项指标均符合要求。

       2.3.4超声流量计和涡轮流量计

       结构特点：国产化天然气超声流量计为4通道插入式结构，具备诊断和核查功能，符合美国燃气协会标准AGA9《用多声道超声流量计测量天然气流量》。

       国产化天然气涡轮流量计带机械计数器，可用于精确测量气体流量，是一种速度式流量仪表，测量本体是涡轮流量传感器，主要由叶轮和磁电感应线圈组成，叶轮轴心与管道中心相同，可以自由转动，符合欧盟标准EN12261与OIMLR137-1。

       设计参数：超声流量计设计压力12MPa，口径DN80、DN200和DN400，准确度等级1.0级。涡轮流量计设计压力12MPa，口径DN50和DN80，准确度等级1.0级。

       主要创新点：超声流量计解决了小口径超声流量计准确度较难提高的问题，涡轮流量计将整流体与计量芯集成在一起，成为一个独立的可以拆卸的一体化计量机芯，两种12MPa产品取得型式批准证书和计量器具制造许可证。

       2014年3月29-31日和7月11-14日，中国机械工业联合会和中国石油集团公司分两批对电动执行机构和气液执行机构相关产品进行了鉴定。随后，14台套相关产品分别在西气东输镇江站、滁州站、青山站、甪直站、仙桃站等站场进行了工业试验，经过数月的试运行，流量计满足±1%误差的要求。

       3、油气管道设备国产化前景

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