張 偉，閻貴文

（中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京 100028）

基于PIPENET的管道系統(tǒng)水擊分析

張 偉，閻貴文

（中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京 100028）

水擊的危害性很大，為此在設(shè)計(jì)上考慮水擊作用的影響是很有必要的。文章對(duì)管道水擊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、危害及防止措施進(jìn)行了介紹，文章利用主流的管網(wǎng)流體計(jì)算與分析軟件PIPENET，針對(duì)某油品碼頭裝卸管道系統(tǒng)進(jìn)行水擊分析，研究消除水擊的設(shè)計(jì)方案、安全閥的安裝位置，并為其選擇最優(yōu)化的型號(hào)。

PIPENET軟件；管道；水擊；安全閥

0 引言

壓力管道中，由于閥門突然關(guān)閉、泵機(jī)組突然停車等外界原因，使得流體的流速發(fā)生突然變化，從而引起壓強(qiáng)急劇升高和降低的交替變化，這種水力現(xiàn)象稱為水擊，或水錘[1]。水擊引起的壓強(qiáng)升高，可達(dá)管道正常工作壓強(qiáng)的幾十倍甚至幾百倍，這種大幅度的壓強(qiáng)波動(dòng)，往往引起管道強(qiáng)烈振動(dòng)，閥門破壞，管道接頭斷開，甚至管道爆裂等重大事故。因此，在壓力管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須進(jìn)行水擊計(jì)算，確定可能出現(xiàn)的最大和最小水擊壓強(qiáng)，研究防止和消弱水擊作用的措施[2]。PIPENET是目前主流的管網(wǎng)流體計(jì)算與分析軟件，廣泛服務(wù)于石油、天然氣、造船、化工以及電力工業(yè)等領(lǐng)域，用以進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)計(jì)算和優(yōu)化。通過PIPENET軟件高效快捷地研究這一問題具有很大的實(shí)際價(jià)值。

1 水擊現(xiàn)象概述

1.1 水擊產(chǎn)生的原因

由于流體不是剛體，而是彈性體，因此在很強(qiáng)的水擊壓強(qiáng)的作用下產(chǎn)生形變，即流體的壓縮。而管道中流體速度又不是同時(shí)變化，而是形成一種水擊波 （或叫彈性波）進(jìn)行傳遞。引起管道流體速度突然變化是水擊發(fā)生的條件，流體具有慣性和壓縮性是發(fā)生水擊的內(nèi)在原因。

因此，了解水擊現(xiàn)象、預(yù)測(cè)水擊的壓力峰值以及有效地將其降低到最小，對(duì)管道工程尤為關(guān)鍵。以下為導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生水擊的幾個(gè)因素：

（1）系統(tǒng)選用了不合理的管徑，部分管道流速不合理。

（2）系統(tǒng)內(nèi)壓力過高沒有采用減壓閥。

（3）直管過長。

（4）未安裝適當(dāng)?shù)奈占げǖ难b置。

1.2 水擊的危害

在管道輸送流體時(shí)，當(dāng)水擊發(fā)生輕微時(shí)，會(huì)引起管道及其相關(guān)設(shè)備的振動(dòng)，產(chǎn)生噪音。嚴(yán)重時(shí)，水擊和流體動(dòng)態(tài)力可以發(fā)生瞬變壓力的同步和疊加，造成管道泄漏、管件接頭破損爆裂和斷開、閥門破壞、泵機(jī)組等設(shè)備被打壞以及中斷運(yùn)輸，甚至可能造成人身傷亡事故。管道內(nèi)水擊的破壞，嚴(yán)重影響了管道的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性[3]。

如果由于水擊現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，使得管道和設(shè)備一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)，雖然泄壓系統(tǒng)可以有效保護(hù)系統(tǒng)處于安全運(yùn)行狀態(tài)，但是壓力的頻繁變化引起管道和設(shè)備的疲勞程度增加，同時(shí)由于油田生產(chǎn)中的流體腐蝕性較強(qiáng)，管道和設(shè)備在長時(shí)間運(yùn)行后就容易引起破損[4]。

1.3 防止水擊的措施

通過合理設(shè)計(jì)管道的各部件，利用完善的管理制度和嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，及時(shí)維修排除管道運(yùn)行故障，一般可以將流體系統(tǒng)中的水擊的影響控制在滿意的限度。以下是防止管道水擊的一些措施：

（1） 降低波速。對(duì)給定的流量變化，壓力變化與波速的傳播成正比，所以降低波速對(duì)于控制瞬變總有好處。如適當(dāng)加大管徑，限制流速可減小水擊強(qiáng)度。

（2） 安裝水擊消除器。當(dāng)管路中壓力升高時(shí)彈簧受到壓縮，于是打開了水的通路，水被排出而泄壓，因此降低了水擊壓力。

（3）安裝溢流閥。當(dāng)管道內(nèi)流體壓力超過調(diào)定壓力時(shí)，溢流閥閥門打開。

（4） 設(shè)置止回閥。水擊危害的大小與閥門關(guān)閉時(shí)間的長短有關(guān)，閥門關(guān)閉越快，水擊的危害越大；關(guān)閉緩慢，危害越小，要合理增加管路閥門關(guān)閉時(shí)間，緩慢操作，要絕對(duì)禁止突然關(guān)閉閥門。

（5）設(shè)置調(diào)壓室。在較長的管道上設(shè)置調(diào)壓室，縮短管道長度，可以緩和水擊。

2 利用PIPENET軟件進(jìn)行管道系統(tǒng)水擊分析

PIPENET軟件的瞬態(tài)模塊，可模擬由于設(shè)備啟停、閥門操作等因素造成的管網(wǎng)內(nèi)流場瞬態(tài)變化，計(jì)算系統(tǒng)壓力和流量的波動(dòng)，預(yù)知水擊或汽錘，驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)工況的響應(yīng)性。并且，PIPENET瞬態(tài)模塊可以為安全閥、呼吸閥、壓力容器等在動(dòng)態(tài)工況下工作的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)備選型，使設(shè)備的型號(hào)更準(zhǔn)確、更安全、更經(jīng)濟(jì)。

2.1 油碼頭裝卸管道系統(tǒng)概況

本文以某潤滑油碼頭裝卸管道系統(tǒng)為例進(jìn)行水擊分析。該系統(tǒng)的主管為長6 km、直徑254 mm的鋼管，該系統(tǒng)的最高設(shè)計(jì)壓力為1.5MPa。油輪裝滿后關(guān)斷閥將關(guān)閉。位于棧橋末端有一個(gè)緊急切斷閥，在惡劣天氣時(shí)油輪在海面上下顛簸幅度較大，緊急切斷閥必須快速關(guān)停，并斷開與油輪的連接，以免造成事故。

關(guān)斷閥 （NSV閥）和緊急切斷閥 （ERC閥）的關(guān)停都應(yīng)被作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題來考慮。研究NSV閥的啟停主要因?yàn)樵撻y每天都要進(jìn)行多次的開關(guān)操作，即使動(dòng)態(tài)工況下產(chǎn)生的最大壓力系統(tǒng)可以承受，也會(huì)因?yàn)椴僮黝l繁而導(dǎo)致系統(tǒng)連接部分逐漸松動(dòng)，最終致使系統(tǒng)泄漏；而研究ERC閥的操作主要由于該閥的關(guān)閉速度過快，盡管該閥平時(shí)不會(huì)使用，但其關(guān)閉時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力驟增，其壓力峰值遠(yuǎn)大于NSV閥關(guān)閉時(shí)的壓力峰值。

2.2 油碼頭裝卸管道系統(tǒng)水擊分析

該系統(tǒng)的PIPENET基本模型見圖1，關(guān)斷閥前安裝安全閥的PIPENET模型見圖2，為比較安全閥安裝位置不同對(duì)系統(tǒng)水擊的影響，建立了管道入口前安裝安全閥的PIPENET模型，見圖3。

本系統(tǒng)研究的目標(biāo)是，首先確保閥門關(guān)閉時(shí)系統(tǒng)的最大壓力在設(shè)計(jì)壓力 （允許的壓力極限）以下；并且研究消除水擊的設(shè)計(jì)方案、安全閥的安裝位置，為其選擇最優(yōu)化的閥門型號(hào)。

在本工況中暫不考慮緊急切斷閥的工作，只考慮正常天氣下關(guān)斷閥25s關(guān)閉的工況。本次模擬了六種不同情況下管道內(nèi)的水擊分析，具體情況見表1和圖4～9。

表1 PIPENET軟件模擬工況表

從圖4分析可知，在工況1中，閥門入口的最大壓力2.087 MPa，該峰值超過了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最高壓力1.5 MPa。說明系統(tǒng)有水擊發(fā)生，需要安裝保護(hù)裝置。

模擬結(jié)果顯示安全閥在NSV閥前時(shí)，在工況2、3、4、5中，工況5的閥門入口壓力大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力，工況2、3、4均滿足壓力小于1.5 MPa的要求，但是考慮到工況4安全閥開度54%，閥門型號(hào)較小可以降低工程造價(jià)，所以選擇Cv50安全閥安裝于NSV閥前最優(yōu)，系統(tǒng)可以達(dá)到減小水擊，保持管道系統(tǒng)正常運(yùn)行的目的。在此基礎(chǔ)上，PIPENET軟件還可以模擬關(guān)斷閥不同的運(yùn)動(dòng)行程，水擊對(duì)管道系統(tǒng)的影響。這樣可以要求操作人員嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，將水擊發(fā)生的頻率和水擊造成的損失降至最低。

模擬結(jié)果顯示工況6把安全閥安裝在管道入口位置不對(duì)，只能將管道的入口壓力控制到1.41 MPa。當(dāng)閥門入口已達(dá)到壓力峰值時(shí)，安全閥還沒有做出任何反應(yīng)，這是因?yàn)樵摴艿赖拈L度為6 km，在壓力波傳遞到安全閥之前，閥門入口壓力已經(jīng)達(dá)到峰值。

3 結(jié)束語

壓力管道系統(tǒng)的水擊現(xiàn)象是難以避免的，水擊的危害性很大，為此在設(shè)計(jì)上考慮水擊作用的影響是很有必要的。PIPENET軟件已經(jīng)在該油品碼頭裝卸管道系統(tǒng)項(xiàng)目中成功得到應(yīng)用，并已用該軟件對(duì)該項(xiàng)目的安全閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)及優(yōu)化選型做了大量模擬，該項(xiàng)目最終選用型號(hào)為Cv50的安全閥，并將安裝位置定在操作閥的前面。

[1]王瑋，馬貴陽，孫志民.輸油管網(wǎng)水擊危害及其防治[J].油氣田地面工程，2010，（3）：45-46.

[2]華曄.壓力管道中水擊的介紹[J].中國科技財(cái)富，2008，（10）：113-117.

[3]范海峰，拜璐，樓凱，等.管道運(yùn)輸水擊問題研究及預(yù)防[J].科技傳播，2010，（24）：214-215.

[4]顧洪斌.油田生產(chǎn)系統(tǒng)的水擊成因及防護(hù)措施[J].勝利油田職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，23(4)：53-54.

Analytical Study on Water Hammer of Pipeline System Based on Software PIPENET

ZHANG Wei（Engineering Design Institute of China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100028， China）,YAN Gui-wen

It is necessary in pipeline design to consider the impact of water hammer on pipeline operation safety because of its great hazard.This article introduces the pipeline water hammer causes,hazards and preventive measures.Using the mainstream pipe flow calculation and analysis software PIPENET analyzes the water hammer in the loading pipeline system at an oil product dock and researches the installation location of safety valve and the selection of optimal valve type.

software PIPENET;pipeline;water hammer;safety valve

TE973.1

B

1001－2206（2011）增刊－0055－03

張 偉 （1983-），男，助理工程師，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué) （北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)主要從事海底管道的工藝設(shè)計(jì)工作。

2011-08-10