孫 昭 洋

（遼河石油勘探局油田建設工程二公司 管道安裝二分公司， 遼寧 盤錦 124012）

輸油管道瞬變水擊研究

孫 昭 洋

（遼河石油勘探局油田建設工程二公司 管道安裝二分公司， 遼寧 盤錦 124012）

針對輸油管道瞬變水擊產(chǎn)生的原因，從所產(chǎn)生的增壓波和減壓波分別對上下游流動的影響兩方面分析了水擊對輸油管路帶來的危害，并結(jié)合調(diào)節(jié)閥保護、壓力保護系統(tǒng)與增強自動控制系統(tǒng)保護能力等簡述了減小水擊壓力對管道危害的幾種措施，得出采取有效的管路壓力保護系統(tǒng)對輸油管道安全運行具有重要意義。

瞬變流動；水擊壓力；水擊波；輸油管路

隨我國原油及成品油長距離管道的高速發(fā)展，瞬變流動對輸油管道的影響不僅局限于短距離的集輸管路，對于需常年處于穩(wěn)態(tài)運行工況的長輸管道影響更大。管道的瞬變流動會造成管路的壓力突變，從而在沿線產(chǎn)生瞬變壓力，影響管道的正常運行。研究輸油管道的瞬變水擊壓力變化的產(chǎn)生原因，水擊壓力對管路運行工藝設施的影響以及防止或減小水擊危害的方法，對輸油管道的穩(wěn)態(tài)運行有重要意義。

1 瞬變水擊產(chǎn)生的原因

壓力管路中的瞬變流動為非穩(wěn)態(tài)流動，即流動過程中因不同原因造成管路中的點流速和壓力不僅與在管路的位置有關(guān)，同時也與時間有關(guān)，引起管路瞬變流動的原因主要為兩類：計劃調(diào)節(jié)和事故引發(fā)的壓力突變[1]。計劃調(diào)節(jié)為人為的有計劃的調(diào)整流量（如泵站的啟停泵、泵機組的調(diào)整、改變中間站的運行參數(shù)等）和有計劃的改變輸油流程（如管道分支線路的啟停、管道首末站倒換油罐、中途分油和集油等），以及在順序輸送管道中，兩種不同油品的交替運行過程中也會產(chǎn)生瞬變流動。事故也會引起輸量變化，比如輸油管道泵站突然斷電造成泵的突然停止運行、泵機組因使用年限較長或其他原因造成輸油泵停機、輸油管線上各種閥門突然失靈造成的緊急關(guān)閉、管路的泄漏造成壓力和輸量的變化等，事故引起的瞬變流動一般具有隨機性較大、突發(fā)幾率較大的特點，需要更為快捷、有效的防控措施。

2 瞬變水擊對輸油管路工藝的危害

管路的瞬變流動以瞬變壓力的形式傳播，并以水擊波的形式同時從發(fā)生點向上、下游同時傳播，而上游傳播的為增壓波、下游傳播的為減壓波，不同的波的形式傳遞的能量形式不同，對管道產(chǎn)生的影響也不同，當疊加壓力超過管道可以承受的條件時，可能會對管道造成嚴重影響，甚至影響輸油的正常進行（圖1）。

圖1 水擊壓力波傳播圖Fig.1 Water hammer pressure wave propagation

2.1 增壓波對上游管線及設備的影響

管道的瞬間堵塞或者部分堵塞會向管道上游傳遞增壓波，同時與上游較高壓力疊加引起管輸流體壓力升高，同時增壓波的出現(xiàn)不會使管內(nèi)流體停滯，只會對流動起到一定阻滯作用，使流速在一定范圍內(nèi)減小。流體繼續(xù)向前流動，會造成管道的充裝，使臨近堵塞點處管道壓力上升，且離堵塞點越近處壓力越高，最高達到或者臨近上游泵站的出站壓力。由于高壓波所造成的壓力增加與充裝壓力、管道穩(wěn)態(tài)剩余壓力的疊加可能是管道的瞬時壓力大于允許壓力，造成管道脹破事故的發(fā)生[2]。壓力波在油中以1 000～1 200 m/s的速度傳播，在長輸管道中傳播過程不會瞬間完成。當壓力波到達上游泵站時[3]，使得泵的輸送能力下降，引起排量減小、揚程上升，使泵的進站壓力上升造成泵的出站壓力上升，會使泵站進一步向下游充裝，此時有可能會造成泵站出口管道壓力過高而產(chǎn)生破壞。

2.2 減壓波對下游管線及設備的影響

向下游管道傳遞的減壓波會使流過處壓力降低，壓差減小，流速降低[4]，在減壓波未到達的地方，流體仍以穩(wěn)態(tài)流動。當相互接觸時，所產(chǎn)生的速度差會使流體的流速降低。當管輸流體受到減壓波作用使管內(nèi)壓力低于溶解氣的飽和壓力時，液體內(nèi)的溶解氣就會因飽和而析出，當壓力進一步下降低于液體的飽和蒸汽壓時，管內(nèi)流體就會氣化，產(chǎn)生蒸汽。所產(chǎn)生的蒸汽與溶解氣泡結(jié)合，會形成較大的氣團在管內(nèi)流動，且在兩液柱相遇時可能產(chǎn)生高壓。當氣體越聚越多時，隨管道流動氣體會向高處推移，會形成液柱分離現(xiàn)象，使管內(nèi)流體流態(tài)發(fā)生較大變化，對管輸穩(wěn)態(tài)流動造成較大影響，甚至產(chǎn)生的低壓使管道壓力過低，引起管道的強度發(fā)生改變。

3 避免瞬變水擊的措施

瞬變流動所產(chǎn)生的水擊壓力不僅有可能會對管內(nèi)流體穩(wěn)態(tài)流動造成影響，也有可能使管道強度發(fā)生破壞，甚至造成較大管道事故的發(fā)生，故采取一定的措施避免或者降低水擊壓力顯得尤為重要。

3.1 采用調(diào)節(jié)閥保護

通過采用操控方法簡單、調(diào)節(jié)范圍廣的調(diào)節(jié)閥[5]，設置自動控制裝置來改變閥門的開度，充分考慮閥門的工作特性與管路工作特性的匹配情況，來達到改變開度來改變管道的摩阻損失從而改變管路特性，實現(xiàn)調(diào)節(jié)管路壓力和管輸流體運行速度的目的，防止由于進站壓力超低或者出站壓力超高造成的管道不正常運行工況的發(fā)生。

3.2 注重壓力保護系統(tǒng)

在長輸管道密閉輸送液體時，可采用壓力保護裝置來防止管道超壓[6]，從而保護管道的安全平穩(wěn)運行，具體為：在進、出站位置處設置高、低壓泄壓閥，管道系統(tǒng)壓力發(fā)生較大波動時使管輸流體自動泄壓至泄壓罐中，防止產(chǎn)生較大的水擊危害；對于泵站進站壓力變化范圍小、自動控制水平較低的管道，采用回流保護來調(diào)整進站壓力，維持離心泵的正常運行，但此法能量損失較大；當泵站吸入壓力超低或出站壓力超高時可采取泵機組順序自動停運的措施，通過人為干預降低本站提供的能量，減少本站通過能力，可使出站壓力下降，進站壓力上升。

3.3 增強自動控制系統(tǒng)保護能力

隨科技的快速發(fā)展，自動化控制在油田集輸及長輸中發(fā)揮的作用越來越大，利用管道監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）對現(xiàn)場各設置點的壓力、溫度、流量等參數(shù)進行實時監(jiān)控[7]，通過對數(shù)據(jù)的掌握充分了解管道的運行工況，并且將管道的各閥門開啟與泵工況的啟停與系統(tǒng)緊密聯(lián)系，從而形成整套監(jiān)測、調(diào)控系統(tǒng)。當某站突然停泵或干線閥門突然關(guān)閉時，調(diào)度中心可下達水擊保護命令，采取相應的保護措施，及時有效的以超前保護的形式最大限度的保護管路的安全。

4 結(jié)束語

由上分析可知，在密閉管路中，引起水擊的因素是多方面的，產(chǎn)生水擊時增壓波會對上游造成管道充裝，而減壓波會對下游帶來液柱分離，因此在盡量減少水擊產(chǎn)生幾率的同時必須采取有效的管路保護措施，如調(diào)節(jié)閥保護、壓力保護系統(tǒng)及自動控制保護等，以確保管道的穩(wěn)態(tài)安全運行。

［1］張青松,趙會軍,王樹立.長距離輸油管道水力瞬變特性分析[J].石油規(guī)劃設計,2006,17(6):39-41.

［2］A. Bergant, A.R. Simpson, A.S. Tijsseling. Water hammer with column separation: A historical review[J]. Journal of Fluids and Structures, 2006 (22): 135-171.

［3］楊筱蘅.輸油管道設計與管理[M].中國石油大學出版社,2011: 349-366.

［4］王金漢.淺談長輸管道密閉輸送的水擊保護與壓力調(diào)節(jié)[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量,2012,8:253.

［5］張國忠,元強.長距離輸油管道密閉輸送與壓力調(diào)節(jié)保護[J].油氣田地面工程,2002,21(2):34-36.

［6］連藝秀,尹明,周喜鋒.輸油管道的瞬變流動與控制措施[J].油氣田地面工程,2013,32(6):26-27.

［7］甄潔,張茂林,尚增輝,等.三塘湖輸油管道大落差地區(qū)的水擊保護[J].油氣儲運,2013,32(1): 101-104.

Research on Pipeline Water Hammer

SUN Zhao-yang
（Liaohe Petroleum Exploration Bureau No.2 Engineering & Construction Company, Liaoning Panjin 124012，China）

Based on the reasons of generating the water hammer in the pipeline running, effects of the water hammer on the upstream and downstream flow were respectively analyzed from the aspects of wave supercharging and wave decompressing. Several measures to reduce water hammer pressure hazards were outlined, such as regulating valve protection, pressure protection system and enhancing the ability of automatic control system protection. So it is very important to take effective line pressure protection system for the safe operation of the pipeline.

Transient flow; Water hammer pressure; Water hammer wave; Pipeline

TE 832

： A

1671-0460（2015）01-0067-02

2014-07-16

孫昭洋（1990-），男，遼寧盤錦人，2012年畢業(yè)于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：從事管道安裝。E-mail：1006144437@qq.com