崔 正，寇子建，張 彪

(中海石油(中國(guó))有限公司 天津300452)

某回流管道與閥體出現(xiàn)砂眼的理論分析與對(duì)策

崔 正，寇子建，張 彪

(中海石油(中國(guó))有限公司 天津300452)

中海石油(中國(guó))有限公司某平臺(tái)生產(chǎn)水前濾水罐通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)關(guān)控制回流污水流量，以穩(wěn)定罐內(nèi)液位。而由于管線布局設(shè)計(jì)缺陷，調(diào)節(jié)閥門(mén)頻繁動(dòng)作導(dǎo)致污水沖擊管道內(nèi)截留氣團(tuán)，造成閥門(mén)及管道多次出現(xiàn)砂眼刺漏，存在安全環(huán)保生產(chǎn)隱患。通過(guò)建立水流沖擊管道內(nèi)滯留氣團(tuán)模型并進(jìn)行水擊壓力計(jì)算，分析頻繁出現(xiàn)砂眼刺漏的原因，并通過(guò)針對(duì)性的自主改造設(shè)計(jì)成功解除了此處隱患。

自動(dòng)調(diào)節(jié)閥 水擊 滯留氣團(tuán) 瞬變流

1 概 況

中海石油(中國(guó))有限公司某平臺(tái)前濾水罐位于平臺(tái)下甲板，操作壓力為3,kPa，操作溫度為61,℃；通過(guò)下游生產(chǎn)水輸送泵(揚(yáng)程為40.8,m)出口位于中甲板的自動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)關(guān)，控制回流污水流量以穩(wěn)定罐內(nèi)液位(見(jiàn)圖1、2)。通過(guò)PCS系統(tǒng)控制自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，閥門(mén)動(dòng)作平均耗時(shí)3,s，動(dòng)作間隔3,min/次。

該平臺(tái)于2010年2月投產(chǎn)，但在2011年初前濾水罐回流調(diào)節(jié)閥下游管道就出現(xiàn)多處砂眼刺漏，補(bǔ)焊后仍刺漏頻繁。2013年1月該調(diào)節(jié)閥閥體刺漏，遂將該閥體及下游管件進(jìn)行更換。發(fā)現(xiàn)原管件上密密麻麻遍布著不同程度的孔洞(見(jiàn)圖3)。

但更換后投用僅7個(gè)月，新管線段又出現(xiàn)砂眼刺漏。之后兩年時(shí)間已經(jīng)補(bǔ)焊10余次。

圖1 前濾水罐流程圖Fig.1 Flowchart of front filtration tank

圖2 前濾水罐與回流調(diào)節(jié)閥布局示意圖Fig.2 Layout of front filtration tank and backflow adjustment valve

圖3 管線內(nèi)部分布密密麻麻的砂眼Fig.3 Sand holes within the pipeline

2 原因分析

前濾水罐位于平臺(tái)下甲板，而回流管段的液位調(diào)節(jié)閥LV-3031位于中甲板，液位調(diào)節(jié)閥LV-3031高出罐頂約3.5,m(見(jiàn)圖2)。由于調(diào)節(jié)閥后管道較短，在調(diào)節(jié)閥關(guān)閉動(dòng)作時(shí)，管道內(nèi)存在水擊現(xiàn)象。調(diào)節(jié)閥頻繁動(dòng)作，水擊反復(fù)作用于閥體，影響使用壽命，懷疑為閥門(mén)頻繁刺漏的原因之一。

而當(dāng)調(diào)節(jié)閥由關(guān)至開(kāi)的過(guò)程中，因管道無(wú)液體緩沖，生產(chǎn)水流將直接沖刷調(diào)節(jié)閥閥體及下游管道，且動(dòng)作速度較快，罐內(nèi)滯留氣體來(lái)不及排出，將出現(xiàn)水流沖擊滯留氣團(tuán)現(xiàn)象。在這種瞬變過(guò)程中，氣團(tuán)的壓縮變形使得水流積聚了較大的沖量，管道內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)大幅值的壓力波動(dòng)，可能導(dǎo)致管道出現(xiàn)砂眼。

本文將分別針對(duì)以上兩種情況，在流體力學(xué)理論基礎(chǔ)上進(jìn)行定量計(jì)算，直觀地表示出閥體與管道所受應(yīng)力沖擊。

3 閥體與管道出現(xiàn)砂眼的流體力學(xué)分析

3.1 調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)管道內(nèi)水擊壓力計(jì)算

現(xiàn)將液位調(diào)節(jié)閥關(guān)閉過(guò)程簡(jiǎn)化為流體力學(xué)中水擊波典型模型(見(jiàn)圖4)。其中L1是調(diào)節(jié)閥中心至上游管道彎頭處距離，管道內(nèi)生產(chǎn)水以速度v運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)閥突然完全關(guān)閉，管道內(nèi)液體質(zhì)點(diǎn)速度從閥門(mén)處開(kāi)始向上游以速度a逐步變化，緊靠閥門(mén)處液體質(zhì)點(diǎn)壓力突然上升Δp。引入水擊壓力計(jì)算公式，即儒可夫斯基公式：

式中：Δp——水擊壓力；a——水擊波傳播速度；ρ——管道內(nèi)液體密度。

圖4 水擊發(fā)生簡(jiǎn)化圖Fig.4 Schematic of water hammer

式中：E——液體體積彈性模量，2× 109Pa ；D——管道內(nèi)徑，150,mm；e——管壁厚度，4.5,mm；ρ——管道內(nèi)液體密度，1.025×103 kg/m3；K——管道彈性模量，19.6× 1010Pa。

將數(shù)值帶入公式(2)，得出水擊波傳播速度a≈1206 m/s。液體在管道內(nèi)流動(dòng)速度取較大值v＝3。

將計(jì)算結(jié)果帶入公式(1)，得出Δp=3,708,kPa＝3.708,MPa。

上述分析在液位調(diào)節(jié)閥瞬間關(guān)閉的假設(shè)條件下計(jì)算得出，而實(shí)際閥門(mén)關(guān)閉需要時(shí)間t，t越大，管中液體流速越不會(huì)很快變?yōu)榱?，水的壓縮性以及管壁的彈性將緩解水擊壓力。

水擊波傳播周期T＝0.001,7,s＜3s，因此按照間接水擊進(jìn)行計(jì)算，算出水擊壓力Δp=2.10,kPa。

因管道內(nèi)壓力約為P＝500,kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水擊壓力Δp，所以可以忽略水擊對(duì)調(diào)節(jié)閥的影響。

3.2 調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟時(shí)管道內(nèi)壓力水流沖擊滯留氣團(tuán)計(jì)算

針對(duì)液位調(diào)節(jié)閥打開(kāi)過(guò)程中管道內(nèi)出現(xiàn)壓力水流沖擊滯留氣團(tuán)現(xiàn)象這一過(guò)程，本文將計(jì)算閥門(mén)開(kāi)啟后氣團(tuán)瞬間絕對(duì)壓力(以水柱高度表示)，并在下列假設(shè)條件下建立數(shù)學(xué)模型：①剛性假定，即水體和管壁的彈性可忽略不計(jì)；②管道全線等斷面，且沿程摩阻系數(shù)不變；③氣、水交界面與管中心線垂直，管內(nèi)水、氣互不摻混；④在恒態(tài)和瞬態(tài)情況下，管內(nèi)水流阻力特性不變；⑤氣團(tuán)狀態(tài)變化可由理想氣體狀態(tài)方程描述，且多變指數(shù)m為常數(shù)。

根據(jù)上述基本假定，管道內(nèi)水流沖擊滯留氣團(tuán)的任一瞬變狀態(tài)始終由氣團(tuán)、氣-水交界面及水流3部分的瞬變狀態(tài)所組成。其中，描述氣團(tuán)瞬變狀態(tài)的控制方程即理想氣體狀態(tài)方程為：

式中：Ha、Va、La分別為閥門(mén)開(kāi)啟后t時(shí)刻氣團(tuán)的瞬態(tài)絕對(duì)壓力(以水柱高度表示)、體積和在管道內(nèi)的長(zhǎng)度；m是理想氣體的多變指數(shù)；Ha0、Va0、La0分別為Ha、Va、La在初始狀態(tài)的值。其中，La0=La+x。這里x為t時(shí)刻管道內(nèi)充水段增長(zhǎng)段的瞬態(tài)長(zhǎng)度(見(jiàn)圖5)。

圖5 含滯留氣團(tuán)的有壓管道系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic of pressure pipeline with air sacs

描述氣-水交界面瞬變狀態(tài)的控制方程，即交界面兩側(cè)的流量連續(xù)方程和壓力平衡方程為：

式中：Q、U分別為閥門(mén)開(kāi)啟后t時(shí)刻水流的瞬態(tài)流量和流速；t為時(shí)間變量；Hwc、Zc分別為氣-水交界面處的水壓力和管中心高程。上文已得出，水擊壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管道壓力，可忽略不計(jì)。因此，可忽略管壁和液體彈性，導(dǎo)出其“剛性數(shù)學(xué)模型”。

在計(jì)入局部水頭損失、閥門(mén)開(kāi)度和管道高程變化等因素的完整的水流瞬變狀態(tài)控制方程為：

式中：Hu——管道內(nèi)壓力表示的水柱高度，Hu=，其中P是管道內(nèi)壓力；D——管道直徑；f ——管道沿程摩阻系數(shù)；g——重力加速度；ΔHV——閥門(mén)水頭損失，，vε為水頭損失系數(shù)；Lx——閥門(mén)瞬間開(kāi)啟后t時(shí)刻充水段的瞬態(tài)長(zhǎng)度，Lx=，vε為水頭損失系數(shù)。

當(dāng)閥門(mén)過(guò)流特性和開(kāi)啟規(guī)律給定時(shí)，sv即為時(shí)間t的單調(diào)連續(xù)函數(shù)，可寫(xiě)成εv=εv(t)；Zc是氣-水交界面處的管中心高程，是關(guān)于Lx的連續(xù)函數(shù)，即Zc=Zc(Lx)；εj是管內(nèi)水流局部水頭損失系數(shù)總和，是關(guān)于Lx的階梯型函數(shù)，即εj=εj(Lx)。因此，式(7)可改寫(xiě)成如下形式：

L2為初始狀態(tài)充水段長(zhǎng)度，即液位調(diào)節(jié)閥LV-3031開(kāi)啟前管道水平段長(zhǎng)度(見(jiàn)圖7)；Lx= L2+x+L2+La0?La；將該式及式(4)代入式(8)，可整理成形式，這里Φ是未知量U、La的函數(shù)，然后將其與式(5)聯(lián)列，利用四階隆格庫(kù)塔法積分，即可求出任意t時(shí)刻的解。其初始條件是：t＝0，U=0、La=La0。

在本文中各項(xiàng)參數(shù)為：L2=1.05m，P＝500,kPa，ρ=1.025×103 kg/m3，g＝9.8,m/s2，f=0.02，m＝1.4，D＝0.15,m，閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間t＝3,s，線性開(kāi)啟，εj=0.5(U≥0)，1(U＜0) 。

代入各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果為：Ha=92.67 m即調(diào)節(jié)閥LV-3031開(kāi)啟后，氣團(tuán)的瞬態(tài)絕對(duì)壓力最大值為Pa=0.93,MPa。

3.3 結(jié)論分析

此調(diào)節(jié)閥關(guān)閉過(guò)程產(chǎn)生的水擊為間接水擊，計(jì)算水擊壓力遠(yuǎn)小于管道內(nèi)生產(chǎn)水壓力，可忽略不計(jì)，水擊現(xiàn)場(chǎng)不是造成閥體損壞的原因，且實(shí)際中頻繁出現(xiàn)砂眼在調(diào)節(jié)閥后，間接印證理論的正確性。

理想狀態(tài)下氣團(tuán)的瞬態(tài)絕對(duì)壓力計(jì)算值高達(dá)0.93,MPa。調(diào)節(jié)閥頻繁動(dòng)作，滯留氣團(tuán)將持續(xù)沖擊壓力管道與調(diào)節(jié)閥閥體。

閥體與管道內(nèi)徑不同，調(diào)節(jié)閥內(nèi)徑較大，閥門(mén)開(kāi)啟后水流沖擊將形成大量的空泡，空泡潰滅過(guò)程瞬間產(chǎn)生極高的壓力(可達(dá)幾千個(gè)大氣壓力)。若空泡潰滅發(fā)生在固體邊界，潰滅時(shí)的高壓作用對(duì)管壁與閥體將產(chǎn)生一定程度的破壞。

調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟時(shí)水流沖擊壓力管道內(nèi)滯留氣團(tuán)，以及水流沖擊不平順管道形成的空泡潰滅，是造成壓力管道與調(diào)節(jié)閥閥體砂眼刺漏的主要原因。

4 流程優(yōu)化改造

將前濾水罐回流調(diào)節(jié)閥管線布局進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，呈“倒U”型(見(jiàn)圖6)。調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后，閥后垂直管段將大部分充滿生產(chǎn)水，閥開(kāi)后不會(huì)形成水流沖擊滯留氣團(tuán)和空泡現(xiàn)象。這就從理論上解除了以上現(xiàn)象對(duì)管道的剝蝕作用。

圖6 改造后前濾水罐回流管線布局改示意圖Fig.6 Layout of transformed backflow pipeline of the front filtration tank

5 改造效果

自2015年10月改造后至2016年6月，管道及閥門(mén)未出現(xiàn)砂眼刺漏現(xiàn)象，使用周期高于投產(chǎn)初期。且結(jié)合2016年管道探傷結(jié)果可知，管道壁厚保持原值(見(jiàn)表1)。

表1 2016年超聲波管道測(cè)厚結(jié)果Tab.1 Results of ultrasonic thickness measuring in 2016

通過(guò)此次管線布局改造，每年可節(jié)省維修費(fèi)用15萬(wàn)，減少維修工作量100工時(shí)，并徹底解除了安全生產(chǎn)環(huán)保隱患。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)回流管道與調(diào)節(jié)閥閥體出現(xiàn)砂眼這一現(xiàn)象，建立流體力學(xué)模型進(jìn)行理論分析。定量分析設(shè)備損壞的原因，并據(jù)此提出合理的流程升級(jí)改造建議，以節(jié)省維護(hù)與更換費(fèi)用，保證安全生產(chǎn)?！?/p>

［1］ 李演科. 淺談板橋泵站出水管的水錘計(jì)算[J]. 陜西水利，2012(6)：128-129.

［2］ 劉德有，索麗生. 水流沖擊管道內(nèi)滯留氣團(tuán)的剛性數(shù)學(xué)模型[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2004(11)：717-722.

［3］ 王家楣，張志宏，馬乾初. 流體力學(xué)[M]. 大連：大連海事大學(xué)出版社，2002.

The Analysis and Solution of the Blister in the Backflow Pipeline and Regulator

CUI Zheng，KOU Zijian，ZHANG Biao
(China National Offshore Oil Corporation(CNOOC)，Tianjin 300452，China)

On one of the offshore platforms of CNOOC , the level of pre-filter water tank is controlled by automatic regulator to maintain its stability. However, due to design defect, frequent adjustments of valve will result in air sac(s) withheld in the pipeline impacted by sewage pressure, damaging the pipeline and the regulator, and causing sewage leak. It would be a serious environmental threat and safety risk. This paper establishes a mathematical model of water pressure impacted dash air sac(s) in the pipeline, and analyzes the reason of pipeline damages. Besides, the pipeline was redesigned based on the mathematical model for solution.

automatic regulator；water hammer；dash air sac；transient flow

TV131.3

：A

：1006-8945(2016)10-0011-04

2016-09-09