艾鵬先，關(guān) 元，孟 琪，冉 東，劉玉雪

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

壓裂或注水過(guò)程中，管柱內(nèi)液體具有高壓、高速流動(dòng)的特點(diǎn)，一旦管內(nèi)液體流動(dòng)邊界發(fā)生短時(shí)間變化，將會(huì)產(chǎn)生管內(nèi)液體流速及壓力的變化，可能造成管柱振動(dòng)、密封失效甚至斷裂。通常這種短時(shí)間壓力變化現(xiàn)象稱作“水錘效應(yīng)”或“水擊效應(yīng)”，對(duì)于有介質(zhì)運(yùn)輸?shù)墓苈废到y(tǒng)十分常見(jiàn)，其破壞力也十分驚人[1]。

在石油化工等領(lǐng)域，水錘的計(jì)算主要集中于長(zhǎng)輸管線，氣井關(guān)井等工況。樊洪海等[2]人利用特征線離散方程后求解了天然氣瞬變流動(dòng)后對(duì)管柱振動(dòng)的影響，結(jié)果反映出關(guān)井導(dǎo)致的管內(nèi)壓力升高對(duì)管柱軸向振動(dòng)有很大的促進(jìn)作用。長(zhǎng)距離輸水線路距離長(zhǎng)，起伏大，地形復(fù)雜，當(dāng)閥門(mén)受到外界因素影響突然閉合時(shí)，由于慣性作用管體內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)較大的水力壓力，很容易造成爆管等水錘事故，提前進(jìn)行水錘效應(yīng)的數(shù)據(jù)分析將能大大降低水錘對(duì)管道帶來(lái)的危害，有效避免事故的發(fā)生[3]。楊春敏[4]對(duì)錘擊時(shí)柱塞組件的運(yùn)動(dòng)以及沖擊壓力波產(chǎn)生和傳播機(jī)理進(jìn)行了分析，分析表明了這種水錘裝置能夠產(chǎn)生的水錘壓力包括水錘靜壓力和沖擊壓力，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

氣井關(guān)井會(huì)產(chǎn)生管內(nèi)壓力升高是受氣體流動(dòng)邊界突變影響，那么同樣具有高壓力的注水過(guò)程會(huì)不會(huì)產(chǎn)生同樣的水錘效應(yīng)，相較于氣井水錘，壓裂或注水水錘具有以下特點(diǎn)：介質(zhì)基本不可壓縮，管內(nèi)高壓，邊界變化時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。其中不可壓縮使介質(zhì)壓縮過(guò)程不具有緩沖性，理論上增大壓力變化值；而管內(nèi)基礎(chǔ)壓力高，可能會(huì)放大壓力變化值；此外，邊界變化時(shí)間長(zhǎng)可能減緩壓力增高。因此，本文主要針對(duì)注水工況下，運(yùn)用管道振動(dòng)分析軟件AUTOPIPE對(duì)管柱注水過(guò)程進(jìn)行水錘模擬分析，重點(diǎn)對(duì)管內(nèi)液體流速、壓力、軸向振動(dòng)速度以及軸向附加應(yīng)力進(jìn)行分析，為現(xiàn)場(chǎng)管道施工安全提供參考。

1 水錘分析建模

在管道振動(dòng)分析軟件AUTOPIPE設(shè)置管柱的基本屬性：管柱的直徑為80mm，壁厚采用標(biāo)準(zhǔn)壁厚，材料選用為A106-B(20#鋼)，腐蝕余量設(shè)置為1.5mm。考慮管道內(nèi)為水，故介質(zhì)比重設(shè)置為1。該模型未考慮保溫層厚度，故保溫層厚度設(shè)置為0mm.。在管柱工況的設(shè)置時(shí)，其中溫度設(shè)置為25℃，壓力為1MPa。

圖1為所建管路模型，共包含15個(gè)點(diǎn)。其中A02，A10，A12為彎頭處，A13為閥門(mén)；A00點(diǎn)到A02點(diǎn)為1000mm，A02點(diǎn)A10點(diǎn)為6000mm，A10點(diǎn)到A12點(diǎn)為1500mm，A12點(diǎn)到A13點(diǎn)為2000mm，A14點(diǎn)到A15點(diǎn)為1000mm。

圖1 管柱模型

2 管柱的靜態(tài)分析

當(dāng)管路模型建好后，應(yīng)對(duì)管道的自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，看是否滿足管路的設(shè)計(jì)。圖2為管路的靜態(tài)結(jié)果，從圖2中可知其最大應(yīng)力比未超過(guò)0.75，故該模型滿足管路的設(shè)計(jì)。圖3為只考慮管路在重力、溫度和壓力下的靜態(tài)分析下的位移變化形式，由圖3可知，位移變化明顯部分發(fā)生在A02處及A09到A13點(diǎn)之間的管路上，其中位移總變化發(fā)生最大在A10處為0.59mm.圖4為管路在重力、溫度、壓力及瞬態(tài)沖擊下位移變化形式，其中最大位移也發(fā)生在A10處為47.39mm，并伴有角度偏轉(zhuǎn)。

圖2 管柱的靜態(tài)分析結(jié)果

圖3 管柱在重力、溫度、壓力下的管路位移

3 管柱的瞬態(tài)分析

在管柱進(jìn)行水錘分析前要對(duì)管柱進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置和加載，其中體積彈性模量設(shè)置為316000Pa，響應(yīng)時(shí)間，其中L為管系的特征長(zhǎng)度，C為聲音在水中的傳播速度，通過(guò)計(jì)算，響應(yīng)時(shí)間為0.0107s，因?yàn)楣苤薪橘|(zhì)為水，固介質(zhì)比重設(shè)置為1.對(duì)壓力為1MPa考慮流速為0.2m/s、0.4m/s、0.8m/s時(shí)的進(jìn)行分析。由分析結(jié)果可知，在流速為0.2m/s時(shí)，x軸方向的最大位移為A10點(diǎn)，為23mm；Y軸方向的最大位移A12點(diǎn)為13.31mm，總位移變化最大在A10處，為26.28mm。流速為0.4m/s時(shí)，x軸方向的最大位移為A09點(diǎn)，為45.82mm；Y軸方向的最大位移A12點(diǎn)為26.62mm，總位移變化最大在A10處，為52.76mm。流速為0.8m/s時(shí)，x軸方向的最大位移為A09點(diǎn)，為91.46mm；Y軸方向的最大位移A12點(diǎn)為52.24mm,總位移變化最大在A10處，為105.53mm。由分析結(jié)果可知，當(dāng)壓力不變時(shí)，隨著流速的變化，管柱振動(dòng)的最大位移與流速增加的比例近似，且都發(fā)生在彎頭A10處，水錘效應(yīng)在彎頭處的表現(xiàn)更明顯。

圖4 管柱在重力、溫度、壓力及瞬態(tài)沖擊下的管路位移變化

4 結(jié)論

1）考慮管柱重力、溫度、壓力及瞬態(tài)沖擊下的管路的位移比未考慮瞬態(tài)沖擊時(shí)管柱振動(dòng)位移明顯，因此壓裂或注水工況下，水錘影響不可忽略。

2）當(dāng)壓力不變時(shí)，隨著流速的變化，管柱振動(dòng)的最大位移與流速增加的比例近似，且都發(fā)生在彎頭處；水錘效應(yīng)在彎頭處的表現(xiàn)更明顯，因此在施工過(guò)程中，需盡量避免管路中彎頭數(shù)目。