阮亦根，阮 哲

(1.中國(guó)石化浙江石油分公司，浙江杭州 3100002.中海油研究總院工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100000)

0 前言

一般，長(zhǎng)輸管道根據(jù)沿線的地形地貌采用埋地彈性敷設(shè)，地形起伏變化劇烈的地方，有時(shí)需要使用彎頭進(jìn)行變角處理。

管道建成投產(chǎn)前，通常管內(nèi)充滿空氣。管道水聯(lián)運(yùn)投產(chǎn)，水頭推動(dòng)置換管內(nèi)空氣，當(dāng)水頭到達(dá)管路中間某個(gè)高點(diǎn)，上游來(lái)水越過(guò)高點(diǎn)流向下游低點(diǎn)，并在低點(diǎn)聚集，高點(diǎn)下游管內(nèi)處于不滿流狀態(tài)[1-4]。隨著下游低點(diǎn)積聚的水量增加，如果低點(diǎn)處于相鄰兩高點(diǎn)之間，低點(diǎn)水位會(huì)不斷上升，低點(diǎn)和上游高點(diǎn)之間管內(nèi)空氣形成封閉空間。水頭到達(dá)下游高點(diǎn)之前，氣體空間受到壓縮體積變小，壓力上升，形成帶壓氣團(tuán),不斷向上游高點(diǎn)靠近。隨著低點(diǎn)水位上升，當(dāng)水頭越過(guò)下游高點(diǎn)，上游高點(diǎn)附近的帶壓氣團(tuán)才會(huì)在水流作用下向前流動(dòng)。

帶壓氣團(tuán)沿管道流動(dòng)過(guò)程中，受不滿流擾動(dòng)的影響，部分氣體會(huì)被水流帶走，氣團(tuán)體積減??；兩氣團(tuán)相遇，會(huì)聚集增大形成大氣團(tuán)；也會(huì)隨著所處位置管內(nèi)壓力不同，受到壓縮或產(chǎn)生體積膨脹。管內(nèi)帶壓氣團(tuán)的存在，會(huì)造成投產(chǎn)過(guò)程管內(nèi)流動(dòng)特性的不穩(wěn)定；帶壓氣團(tuán)到達(dá)下游泵站，會(huì)破壞泵的吸入特性；對(duì)某些特殊的地形，帶壓氣團(tuán)還會(huì)造成投產(chǎn)過(guò)程困難。

1 地形起伏管段管內(nèi)空氣的置換與被壓縮

1.1 線路中間某起伏點(diǎn)位置壓力計(jì)算

線路中間某起伏點(diǎn)如圖1所示。A點(diǎn)和C點(diǎn)為相鄰上下游2個(gè)高點(diǎn)，B點(diǎn)為中間低點(diǎn)。水頭到達(dá)A點(diǎn)前，AC點(diǎn)之間管內(nèi)充滿空氣，壓力為常壓，AB間的管內(nèi)容積為V0。水頭到達(dá)A點(diǎn)后，上游來(lái)水自由流向B點(diǎn)，并在B點(diǎn)聚集，A點(diǎn)下游管內(nèi)處于不滿流狀態(tài)。

隨著B點(diǎn)積聚的水量增加，B點(diǎn)水位會(huì)不斷上升，B點(diǎn)和A點(diǎn)之間管內(nèi)的氣體空間體積變小，空氣受到壓縮，氣體空間壓力上升。

圖1 管道線路起伏點(diǎn)示意

假設(shè)水流充滿AB空間之前，B點(diǎn)水位上升過(guò)程中，AB點(diǎn)之間的氣體只是向A點(diǎn)方向移動(dòng)。A點(diǎn)和B點(diǎn)液體表面之間的空氣氣體空間符合氣體狀態(tài)方程[5]：

PV=mZRaT

(1)

式中，P——帶壓氣體空間內(nèi)空氣的絕對(duì)壓力，Pa;

V——帶壓氣體空間內(nèi)空氣的容積，m3;

m——帶壓氣體空間內(nèi)空氣的質(zhì)量，kg;

Z——帶壓氣體空間內(nèi)空氣的壓縮系數(shù);

Ra——空氣的氣體常數(shù)，J/(kg·K);

T——帶壓氣體空間內(nèi)氣體的絕對(duì)溫度，K。

假設(shè)充水掃線過(guò)程，封閉空間的空氣氣體壓縮為等溫壓縮，忽略水流下降過(guò)程中水中溶解的少量氣體和蒸發(fā)的少量水蒸氣，忽略氣體空間壓力變化過(guò)程空氣壓縮系數(shù)的影響，由式(1)可知，AB間氣體的質(zhì)量為常量，氣體空間容積受壓變化過(guò)程中，氣體空間壓力和氣體空間容積的乘積等于常數(shù)。

管道充水前，AB間空氣容積為V0，管內(nèi)壓力等于大氣壓強(qiáng)P0。管道充水過(guò)程水頭到達(dá)并越過(guò)A點(diǎn)，假設(shè)T時(shí)刻，A點(diǎn)下游液位上升至D點(diǎn)，AD點(diǎn)管內(nèi)容積為V；BC間管內(nèi)液位上升至E點(diǎn)，此時(shí)，AD間氣體空間受到壓縮，氣體空間壓力P為：

PV=P0V0

(2)

P=P0V0/V

(3)

A點(diǎn)壓力等于P，B點(diǎn)壓力等于P加h高液位對(duì)應(yīng)的液柱壓力(忽略h1-h高程差的氣柱壓力)，B點(diǎn)壓力

由以上分析可知，AB間氣體空間的壓縮過(guò)程，使得帶壓氣體空間的位置明顯滯后于水頭位置。帶壓氣體空間的滯后時(shí)間差取決與A、B、C三點(diǎn)的相對(duì)位置和高程。

假設(shè)圖1中AB間管道高程差h1=500 m，AB間下降坡度為等角度下降，BC間管道高程差h2=800 m，當(dāng)D點(diǎn)液位上升至h=400 m位置時(shí)，由(3)式計(jì)算可知，AD間氣體空間容積壓縮了80%，氣體空間內(nèi)壓力為0.5 MPa(絕對(duì)壓力)，E點(diǎn)液位上升至440 m。當(dāng)D點(diǎn)液位上升至485 m時(shí)，AD間氣體空間壓縮了97%，氣體空間內(nèi)壓力上升至3.33 MPa(絕對(duì)壓力)，水流到達(dá)C點(diǎn)。

如果管內(nèi)充滿液體，AC間高程差等于300 m,只要A點(diǎn)壓力高于3.0 MPa(大氣壓),水流就可到達(dá)C點(diǎn)。投產(chǎn)充水掃線過(guò)程，由于帶壓氣體空間的存在，A點(diǎn)壓力需要增加0.23 MPa(大氣壓)，水頭才可能到達(dá)C點(diǎn)。

水聯(lián)運(yùn)過(guò)程中，帶壓氣團(tuán)滯留在AB期間，只要A點(diǎn)管內(nèi)壓力不低于3.33 MPa，水流就能夠流過(guò)A點(diǎn)，到達(dá)C點(diǎn)，繼續(xù)向下游流動(dòng)。

實(shí)際管道水聯(lián)運(yùn)充水排氣過(guò)程中，AB間的氣體，隨著氣體空間的縮小和氣體空間壓力的升高，當(dāng)水頭到達(dá)C點(diǎn)，A點(diǎn)附近的帶壓氣團(tuán)會(huì)在水流的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)。隨著帶壓氣團(tuán)向下移動(dòng)，受氣團(tuán)上游水柱作用，氣體空間壓力增加，氣團(tuán)受壓縮；當(dāng)帶壓氣團(tuán)到達(dá)B點(diǎn)，氣體空間會(huì)快速膨脹，B點(diǎn)上游壓力會(huì)快速下降，BC間水流會(huì)加速流動(dòng)，引起水聯(lián)運(yùn)過(guò)程管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的不穩(wěn)定，并導(dǎo)致帶壓氣體空間位置滯后水頭的時(shí)間延長(zhǎng)。

1.2 翻越點(diǎn)上游鄰近高點(diǎn)與翻越點(diǎn)之間管內(nèi)充水排氣過(guò)程

翻越點(diǎn)為管內(nèi)壓力需求最大的高點(diǎn)，也是沿線動(dòng)態(tài)壓力最低的點(diǎn)。翻越點(diǎn)位置不同，翻越點(diǎn)上游相鄰高點(diǎn)間距不同，水聯(lián)運(yùn)充水排氣過(guò)程也會(huì)不同。

1.2.1翻越點(diǎn)位于線路中間某個(gè)位置

如圖1所示，假設(shè)C點(diǎn)為翻越點(diǎn)，C點(diǎn)的設(shè)計(jì)剩余壓力有限。當(dāng)A點(diǎn)氣體壓力+DB間管內(nèi)液柱壓力≥CB間管內(nèi)液柱壓力，且A點(diǎn)壓力<上游管內(nèi)動(dòng)水壓力，在上游出站壓力作用下，A點(diǎn)壓力會(huì)不斷上升，水流就能夠流過(guò)A點(diǎn)，到達(dá)C點(diǎn)，繼續(xù)向下游流動(dòng)。

如果當(dāng)A點(diǎn)氣體壓力+DB間管內(nèi)液柱壓力≤CB間管內(nèi)液柱壓力，且A點(diǎn)壓力≥上游管內(nèi)最大允許動(dòng)水壓力，帶壓氣團(tuán)會(huì)在AD間形成氣阻，水流難以流過(guò)C點(diǎn)，水聯(lián)運(yùn)充水排氣過(guò)程會(huì)遇到困難。遇到這種情況，需在A點(diǎn)附近開(kāi)孔排氣。隨著A點(diǎn)的氣體被排空，B點(diǎn)壓力≥BC間液柱壓力，水聯(lián)運(yùn)過(guò)程可繼續(xù)進(jìn)行。

1.2.2翻越點(diǎn)位于第一站間距內(nèi)，且翻越點(diǎn)上游鄰近高點(diǎn)接近首站的情況

如圖2所示，假設(shè)C點(diǎn)位于第一站間內(nèi)，且C點(diǎn)為翻越點(diǎn)，A點(diǎn)接近首站出站，A點(diǎn)與出站壓力的壓差比較小。當(dāng)A點(diǎn)氣體壓力+DB間管內(nèi)液柱壓力≤CB間管內(nèi)液柱壓力時(shí)，A點(diǎn)壓力上升空間有限，水流難以流過(guò)C點(diǎn)，AD間氣體空間也會(huì)容易形成氣阻，使充水排氣過(guò)程遇到困難。遇到此種情況，也需要在A點(diǎn)附近開(kāi)孔排氣。

1.3 翻越點(diǎn)與下游鄰近高點(diǎn)之間管內(nèi)充水排氣過(guò)程

如圖2所示，假設(shè)A點(diǎn)為翻越點(diǎn)，B點(diǎn)位于AC之間，C點(diǎn)高程低于A點(diǎn)。水頭到達(dá)A點(diǎn)并通過(guò)A點(diǎn)后，翻越點(diǎn)后水流處于不滿流狀態(tài)。當(dāng)水流到達(dá)B點(diǎn)后，在B點(diǎn)處聚集，B點(diǎn)水位上升，AB之間的封閉氣體空間受到壓縮。當(dāng)B點(diǎn)上游水位到達(dá)D點(diǎn)，受D點(diǎn)氣體空間壓力的作用，B點(diǎn)下游水位到達(dá)E點(diǎn)。BC間高程差不同，AD氣體空間的氣體壓力不同。如果A點(diǎn)氣體壓力大于翻越點(diǎn)設(shè)計(jì)富裕壓力，投產(chǎn)充水掃線就會(huì)遇到困難。遇到此種情況，也需要在A點(diǎn)附近開(kāi)孔排氣。

圖2 翻越點(diǎn)下游地形起伏示意

2 甬臺(tái)溫管道第一階段水聯(lián)運(yùn)充水排氣過(guò)程分析

甬臺(tái)溫管道全長(zhǎng)405 km，沿線設(shè)3座泵站，1座清管站，其管道縱斷面見(jiàn)圖3。全線高程差不大，最大高程位于179.43 km處,高程為469.64 m；但沿線地形起伏比較劇烈。管道于2018年8月29日按計(jì)劃進(jìn)行投產(chǎn)前的充水掃線。

2.1 第一階段充水掃線過(guò)程

甬臺(tái)溫管道8月29日22:00，首站啟泵開(kāi)始充水。30日22：50時(shí)，水頭到達(dá)2#站，31日12:00時(shí)，大量氣體進(jìn)入2#站，導(dǎo)致2#站進(jìn)站泄壓閥開(kāi)啟泄壓，對(duì)泄壓罐造成沖擊，第一階段充水掃線工作結(jié)束。充水掃線過(guò)程，水頭到達(dá)2#站后，泵參數(shù)、操作過(guò)程見(jiàn)表1。

表1 甬臺(tái)溫管道第一階段充水掃線過(guò)程泵參數(shù)

2.2 2#站低壓泄壓閥開(kāi)啟泄壓，泄壓罐受到?jīng)_擊原因分析

a)分析圖3縱斷面數(shù)據(jù)可知，水聯(lián)運(yùn)充水掃線過(guò)程，第一個(gè)站間距內(nèi)，會(huì)形成30余個(gè)帶壓氣團(tuán)，其中距首站出站25 km處的最大氣團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)體積可大于980 m3。在該氣團(tuán)被壓縮過(guò)程中，上游帶壓氣團(tuán)會(huì)陸續(xù)到達(dá)25 km處，多個(gè)氣團(tuán)相遇聚集，形成更大的氣團(tuán)，其標(biāo)準(zhǔn)容積可大于1 470 m3。

由圖4可知，管道投產(chǎn)4.9小時(shí)，管內(nèi)注水約3 900 m3，管道注水平均流量約為800 m3/h，水流到達(dá)25 km處；水流越過(guò)25 km高點(diǎn)流向下游低點(diǎn)并在低點(diǎn)積聚，低點(diǎn)上游帶壓氣團(tuán)不斷受到壓縮；當(dāng)水頭到達(dá)下游高點(diǎn)時(shí)，帶壓氣團(tuán)要滯后于水頭3.9小時(shí)左右。當(dāng)帶壓氣團(tuán)離開(kāi)25 km處高點(diǎn)后，帶壓氣團(tuán)受前方水柱作用，壓力不斷上升，帶壓氣團(tuán)繼續(xù)受到壓縮。

圖3 甬臺(tái)溫管道線路縱斷面圖

帶壓氣團(tuán)在水流作用下向前移動(dòng)，當(dāng)與其它氣團(tuán)相遇，還會(huì)相互聚集，氣團(tuán)體積還會(huì)不斷增大，帶壓氣團(tuán)滯后水頭的時(shí)間會(huì)不斷延長(zhǎng)。以甬臺(tái)溫第一站間距水聯(lián)運(yùn)過(guò)程為例，由第一階段充水過(guò)程可知，由于水頭到達(dá)2#站后，2#站進(jìn)站壓力偏低，帶壓氣團(tuán)在管內(nèi)的移動(dòng)速度遠(yuǎn)低于水頭的平均流速。分析甬臺(tái)溫第一階段投產(chǎn)注水過(guò)程可知，產(chǎn)生于25 km處的帶壓氣團(tuán)到達(dá)2#站的時(shí)間要滯后13小時(shí)左右。

圖4 甬臺(tái)溫管道投產(chǎn)充水首站注水流量、時(shí)間變化

b)假設(shè)31日12：00時(shí)到達(dá)2#站的帶壓氣團(tuán)的標(biāo)準(zhǔn)體積等于1 470 m3，在4.8 MPa進(jìn)站壓力作用下，該氣團(tuán)體積被壓縮為30 m3，接近200 m進(jìn)站管道內(nèi)充滿高壓空氣。

此時(shí)，由于2#站出站壓力高于進(jìn)站壓力，2#站斷流，相當(dāng)于2#站出站閥門關(guān)閉。2#站斷流后，上游管內(nèi)流體在首站泵壓作用下，會(huì)繼續(xù)向著2#站流動(dòng)，形成對(duì)第一站間距管道的充裝[6]，致使2#站進(jìn)站壓力快速上升至5.15 MPa，2#站低壓泄壓閥開(kāi)啟泄壓。2#站低壓泄壓閥開(kāi)啟泄壓后，假設(shè)泄壓罐內(nèi)氣體壓力為0.05 MPa，計(jì)算可知，瞬間流入泄壓罐內(nèi)的帶壓氣體體積約為980 m3,對(duì)500 m3泄壓罐造成了嚴(yán)重的沖擊。

c)分析甬臺(tái)溫管道充水掃線過(guò)程，當(dāng)水頭到達(dá)管道179.43 km處的最高點(diǎn)，忽略上游帶壓氣體空間的流動(dòng)阻力，假設(shè)首站出站壓力維持8.0 MPa，由計(jì)算可知，首站出站流量為580 m3/h，滿足首站泵的正常運(yùn)行。

由圖1可知，只要水頭越過(guò)179.43 km處的最高點(diǎn)，2#站可以滿足較長(zhǎng)時(shí)間的壓力越站運(yùn)行。2#站越站運(yùn)行，可以提高上游站間壓力，盡量縮短上游管內(nèi)帶壓氣團(tuán)的滯后時(shí)間；避免管內(nèi)帶壓氣團(tuán)破壞泵的吸入特性，造成中間泵站頻繁啟停泵。

如果中間泵站僅一臺(tái)泵運(yùn)行工況下的緊急停泵，由于出站壓力高于進(jìn)站壓力，會(huì)造成中間泵站斷流，上游管道憋壓，導(dǎo)致進(jìn)站壓力快速上升。

3 結(jié)語(yǔ)和建議

a)地形起伏劇烈地區(qū)管道水聯(lián)運(yùn)充水排氣過(guò)程，管內(nèi)會(huì)存在多個(gè)帶壓氣團(tuán)，帶壓氣團(tuán)的初始容積和氣團(tuán)個(gè)數(shù)取決于沿線地形起伏特性，帶壓氣團(tuán)沿管道移動(dòng)過(guò)程中，氣團(tuán)容積和氣團(tuán)壓力取決于氣團(tuán)所處管內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力；帶壓氣團(tuán)移動(dòng)速度明顯低于水頭的平均流速。

b)地形起伏地區(qū)管道水聯(lián)運(yùn)充水排氣過(guò)程，如果高點(diǎn)氣團(tuán)壓力低于管道允許的最大動(dòng)水壓力，水流可以連續(xù)流過(guò)該高點(diǎn)。

c)相鄰兩個(gè)高點(diǎn)，當(dāng)上游高點(diǎn)氣團(tuán)壓力+高點(diǎn)與下游鄰近低點(diǎn)間的液柱壓力，大于下游相鄰高點(diǎn)與該低點(diǎn)高程差的液柱壓力+兩高點(diǎn)間允許的最小動(dòng)水壓力差，水流可以流過(guò)下游相鄰高點(diǎn)；否則，上游高點(diǎn)需要開(kāi)孔排氣，消除上游高點(diǎn)帶壓氣團(tuán)，確保管道正常水聯(lián)運(yùn)。

d)地形起伏地區(qū)管道水聯(lián)運(yùn)充水排氣初期階段，建議關(guān)閉中間站內(nèi)低壓泄壓閥或調(diào)整泄壓壓力，防止高壓氣團(tuán)泄壓對(duì)泄壓罐造成沖擊。