李立婉, 高永強, 萬宇飛

（1. 中國石油大學（北京）, 油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 102249； 2. 中石化石油工程設計有限公司, 山東 東營 257026）

水擊分析方法及保護措施

李立婉1, 高永強2, 萬宇飛1

（1. 中國石油大學（北京）, 油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 102249； 2. 中石化石油工程設計有限公司, 山東 東營 257026）

可靠的水擊安全保護措施對密閉輸送管道的安全性具有重要意義。對水擊分析方法以及國內外研究現(xiàn)狀進行概述，同時總結了管道輸送過程中的水擊保護措施。

密閉輸送；水擊；分析；保護措施

密閉輸油管道是一個整體的水力系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)下流量一致，運行狀態(tài)由全線各站泵的運行臺數(shù)、揚程及管道調節(jié)情況確定。管道沿線某一點的流動參數(shù)變化會在管內產生瞬變壓力脈動，從而引起水擊。造成水擊現(xiàn)象的原因有很多，如閥的開啟和關閉、泵機組停運與投運、管道充液排氣、混油界面通過離心泵等。密閉運行的輸油管道一旦發(fā)生突發(fā)的、具有嚴重破壞性的水擊事故，可能造成管道局部超壓破裂和設備損壞，導致跑油、火災并嚴重污染環(huán)境。因此，可靠的水擊安全保護措施，對于密閉輸油管道的安全輸送具有重要意義。

1 水擊分析方法

引起管道水流速度突然變化是水擊發(fā)生的條件,液體具有慣性和壓縮性是發(fā)生水擊的內在原因[1]。

水擊分析方法大致可歸為三類：

1.1 圖解法

圖解法以兩個波動積分方程作為理論依據，在H-V 圖上，按一定的線性規(guī)律畫出特征線，由此確定沿管道一定長度內各點的壓力升高值[2]。該方法概念明確，簡單易用，且具有一定計算精度，可直觀地顯示出水擊壓力的變化過程，具有一定的實用性。但管道系統(tǒng)的復雜性決定了圖解法的復雜程度，管道越復雜，摩阻損失所占比重越大，計算過程也越復雜，同時計算精度也越低，限制了對工程水擊問題的研究和解決。目前，已基本被數(shù)值方法所取代。

1.2 解析法

解析法是對描述管內不穩(wěn)流的兩個偏微分方程中的非線性摩擦項進行各種簡化，從而獲得它的解析解。此種方法在對于離心泵站、閥門等復雜邊界條件的求解過程中，既復雜而又難以理解，而且難以保證計算精度。因此，這類方法未獲得廣泛應用。

1.3 數(shù)值方法

1.3.1 特征線法

特征線法是把不穩(wěn)流的兩個偏微分方程進行線性組合，轉換成兩組常微分方程，即特征方程，簡化了管道瞬變流動的求解[3]。該方法容易滿足數(shù)值計算解的收斂條件，便于建立各類邊界條件方程，便于處理管道的摩阻損失，從而提高計算精度。

對于摩擦力項的近似處理，有許多方法，如顯式近似、線性隱式近似和非線性隱式近似，以及基于 Picard 定理的迭代方法等。對于顯式格式,當流體粘性大或管道很長時,累積誤差可能使計算結果遠遠偏離實際情況,造成計算不穩(wěn)定；非線性格式和基于 Picard 定理的算法雖然可以改變這一情況,但需要迭代,這將給程序編制和求解帶來不利；而采用線性隱式近似,一方面它具有二階精度,可以消除計算不穩(wěn)定；另一方面它不需要迭代,可以方便求解。

20 世紀 60 年代，美國密執(zhí)安大學 V.H.Stieeter[4]教授第一次使用特征線解法，開始了工程設計中把水擊計算作為正常設計程序的起點。1991 年，Sibetheros[5]等人發(fā)現(xiàn)在無摩擦水平管的水擊數(shù)值模擬中，通過使用多項式的插入方法，會大大提高特征線法的效果。2005 年，Don J.Wood[6]比較了特征線方法（MOC）和波浪特征線方法（WCM），結果顯示，在同樣的建模精度的前提下，WCM 方法減少了執(zhí)行時間。同時，他表明，當需要更高的精確性的時候，WCM不會提高每個時間步長的計算量，而 MOC 方法的每個時間步長的計算量和精度是成比例的。2006 年，Saikia 和 Sarma[7]使用特征線方法和巴爾顯式摩擦系數(shù)建立了分析水擊問題的數(shù)值模型，該模型用來檢測水庫上游管道的下游閥門的快速關閉，該方法的準確性和穩(wěn)定性是和松散擴散法的結果進行比較測試而得出的。2008 年，M.H.Afshar和 M.Rohani[8]提出了隱式特征線方法（IMOC），補救了傳統(tǒng)特征線方法的缺點和局限性。元素定義了三個設備,即閥門、水庫和泵，定義每個設備的方程最終組成了一個方程系統(tǒng)，用來解決為止節(jié)點的源頭和流動。這種方法允許在管道系統(tǒng)中任意設備的組合，他將這種方法應用于閥門關閉及泵系統(tǒng)失效案例中，并將結果與顯式特征線方法進行對比，結果表明該方法對水頭和流量參數(shù)的預測具有較高的精確性。

1.3.2 有限差分方法

水擊特征方程的摩阻項是非線性的，無法采用積分方法獲得解析解，由此產生了有限差分方法。有限差分法分為顯式和隱式 2 種格式。隨著差分方法的發(fā)展，產生了眾多不同精度的差分格式，但在收斂性、穩(wěn)定性等方面仍需提高。

Chaudhry 和 Hussaini[9]運用顯式有限差分（FD）方法分析水擊方程，發(fā)現(xiàn)應用二階顯式有限差分方法可以比一階特征線方法（MOC）得到更好的分析成果。Izquierdo 和 Iglesias[10[11]提出了一個水擊模擬的二層-五層渦流粘性模型。通過一個無量綱參數(shù) P,即剪切波徑向擴散時間尺度和波傳播時間尺度的比例，來預測在水擊現(xiàn)象中流體軸對稱定常假設的準確性。他證明了水擊流動的湍流模型對管道中心的渦流粘性的大小和分布不敏感，通過模擬結果與數(shù)據進行比較，證明了定常假定的準確性隨著無量綱參數(shù)P的增加而增加，同時，證明了定常假定在模擬時間低于擴散時間時高度準確，同時使得模擬結果與數(shù)據的差異隨時間推移而線性增加。

2 水擊控制及保護

以水擊理論為基礎，長輸管道的水擊控制方法體系已基本形成。以進、出站壓力為基本控制參數(shù)，從控制水擊波傳播速度和液流變化量[12]著手，以保證管道在安全輸油的前提下經濟效益最大,控制穩(wěn)定進行,過渡過程平穩(wěn)迅速結束為基本要求，形成了三種水擊保護措施：

2.1 自動保護裝置

2.1.1 泄壓閥

在輸油泵站中,自動保護裝置主要是指由高、低泄壓閥組成的高、低壓泄壓系統(tǒng)[13]。在管道的一定地點安裝泄放閥，當出現(xiàn)水擊高壓波時，通過閥門開啟，液體泄放，從而削弱高壓波，防止水擊造成危害。

2.1.2 氣體緩沖罐

氣體緩沖罐可用于防止管道超壓和減壓過程中產生液柱分離。設計合理的緩沖罐不僅適用于減輕管內的瞬變壓力，還可適用于管道周期性的壓力波動。

2.1.3 空氣閥

空氣閥用于防止瞬變過程減壓波使管內產生負壓。它通常安裝在管道正常運行時動水壓力較低，瞬變流動過程中有可能產生液柱分離的高點位置。

2.2 自動調節(jié)系統(tǒng)

泵站的自動調節(jié)系統(tǒng)是控制系統(tǒng)根據進出壓力設定值及控制算法,利用調節(jié)閥的開關、調速電機的變速和部分泵機組的停啟來調節(jié)泵站的進出站壓力。

2.2.1 調節(jié)閥

調節(jié)閥在長輸管道上與調節(jié)器構成一個調節(jié)系統(tǒng),進行壓力自動調節(jié)、水擊波控制和啟泵保護。調節(jié)閥是一種阻力可變的截流元件，通過改變閥門的開度，改變管道系統(tǒng)的工作特性[14]，實現(xiàn)調節(jié)流量、改變壓力的目的。

2.2.2 泵機組順序自動停運

泵機組順序自動停運是建立在泵站邏輯控制基礎上的一種保護措施[15]。該措施主要用于泵站吸入壓力超低，或出站壓力超高的保護，主要用于采用串聯(lián)泵機組的泵站口。

2.2.3 頻泵調節(jié)

改變泵機組轉速來適應管道內壓力變化，當進站壓力升高時，增加轉速，降低進站壓力，提高出站壓力．防止壓力波的堆積累加。

2.3 超前保護

瞬變過程的超前保護是建立在高度自動化基礎上的一項保護技術。擾動源通過通訊系統(tǒng)發(fā)出指令，使壓力波相反疊加，從而不至于對管道產生威脅性壓力。國外從 20 世紀 70 年代迅速發(fā)展起來的管道監(jiān)控和數(shù)據采集系統(tǒng)(SCADA)，為超前保護的應用提供了機會和可靠保證。

2.4 其他保護措施

除上述三種主要的保護措施之外，還包括管道增強保護、回流保護、增加飛輪轉矩保護、設置旁通調節(jié)閥、增加埋深、控制混油界面等保護措施。

3 結 論

國內外對瞬變流動過程理論研究起源較早，并已較為成熟，尤其是隨著計算機的迅速發(fā)展，形成了多種以傳統(tǒng)水擊理論為基礎而進行優(yōu)化的水擊求解方法和計算模型，進一步提高了計算精度，減少了計算量，為長輸管道工程的水擊模擬計算奠定了良好的基礎。

以水擊理論為基礎，長輸管道的水擊控制方法體系已基本形成。

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華盛頓特區(qū)禁用PS泡沫塑料盒

華盛頓市長 Vincent Gray 在 7 月 29 日簽署法案，禁用泡沫塑料食品和飲料包裝盒。

禁令將在 2016 年 1 月 1 日開始生效，比 Gray 最初起草的立法早兩年。包括餐館、外賣店、快餐車在內的食品和飲料銷售點都只能提供可降解或其他可循環(huán)利用的包裝盒，否則將被處罰。屠宰者和副食商店所使用的包裝生肉的泡沫塑料盤除外。

此前，美國西海岸不少城市已經禁用 PS，包括西雅圖、波特蘭、舊金山。華盛頓此舉只是環(huán)境清掃提案中的一部分。本月初，華盛頓特區(qū)議會在幾乎沒有爭議的情況下通過了華盛頓特區(qū) 2014 可持續(xù)綜合法案.

美國化學理事會稱，這樣的禁令對當?shù)厣虡I(yè)而言代價巨大，而且已經證實對改善環(huán)境效果甚微。

“但是我們出于善意指出，在餐飲行業(yè)禁用 PS 泡沫塑料并不會改善華盛頓特區(qū)的可持續(xù)發(fā)展程度，”在議會投票通過禁令后，美國化學理事會發(fā)布聲明指出這一點，“事實上，在這個城市缺乏堆肥機會的情況下推廣可堆肥產品，在很多社區(qū)都使用 PS泡沫塑料的情況下不去檢測回收利用的機會，議會這樣的做法可能會對環(huán)境更加不利?！?/p>

四年前，華盛頓特區(qū)開始就一次性塑料袋對當?shù)亓闶凵陶魇?5 美分的稅款，每年可集資 200 萬美元用于水域清理。禁令提倡者稱，塑料袋征稅以及現(xiàn)在的泡沫塑料禁令對清理附近水域大有幫助，尤其是阿納卡斯蒂亞河。

Analysis Methods and Protection Measures of Water Hammer

LI Li-wan1, GAO Yong-qiang2, WAN Yu-fei1
（1. National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, China University of Petroleum, Beijing 102249，China；2. Sinopec Petroleum Engineering Design Co., Ltd., Shandong Dongying 257026，China）

Reliable water hammer protection measures are of great significance to close-line transportation safety. In this paper, the water hammer analysis method and its research status at home and abroad were summarized; meanwhile the water hammer protection measures were listed.

Close-line transportation; Water hammer; Analysis; Protection measure

TQ 832

： A文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1367-03

2014-05-16

李立婉（1992-），女，研究方向：長輸管道水擊計算。E-mail：wan2832277@126.com。