程 為，李 明，叢延剛

1.中國石油工程項(xiàng)目管理公司天津設(shè)計(jì)院，天津 300457

2.中國寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012

3.中石油吉林油田公司天然氣部，吉林松原 138000

在壓力管道中，閥門關(guān)閉、泵機(jī)組停車等操作會導(dǎo)致流體的流速突然發(fā)生變化，會引起管內(nèi)壓強(qiáng)急劇升高和降低的交替變化，這種現(xiàn)象稱為水擊或水錘。水擊引起的壓強(qiáng)較大，可達(dá)管道正常工作壓強(qiáng)的數(shù)倍，這種大幅度的壓強(qiáng)波動，往往引起管道強(qiáng)烈振動、閥門破壞、管道接頭斷開、甚至管道爆裂等重大事故[1]。石油化工廠內(nèi)的液體管道多為水力短管，與長距離輸送管道發(fā)生的水擊不同，其液體流向變化較大，流過的彎頭等管件較多，水擊破壞的時間短，對管架的作用力較大。

PIPENET軟件可用于管道三維走向建模，并且能輸出水擊作用力，適用于水力短管的水擊分析。本文利用PIPENET軟件，針對某液態(tài)丙烯裝船管道系統(tǒng)進(jìn)行水擊模擬分析研究，為水力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安全分析提供數(shù)據(jù)支撐，也為配管安裝進(jìn)行水擊工況下的應(yīng)力分析提供水擊作用力等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 液態(tài)丙烯裝船系統(tǒng)工藝

液態(tài)丙烯裝船是將陸上儲罐內(nèi)的丙烯用裝船泵打入停靠在碼頭的液化品船內(nèi)，其水力系統(tǒng)主要包括丙烯儲罐、裝船泵、貿(mào)易計(jì)量設(shè)施、緊急關(guān)斷閥、裝船臂和管道等。馬來西亞PETRONAS公司P30丙烯罐區(qū)丙烯裝船水力系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 丙烯裝船水力系統(tǒng)示意

丙烯儲罐和裝船泵設(shè)置在陸上烯烴罐區(qū)，裝船臂設(shè)置在碼頭，丙烯裝船管道在出烯烴罐區(qū)之前設(shè)置有緊急切斷閥（UZV-2037），裝船管道在裝船壁上設(shè)置有事故關(guān)斷閥（PERC-Valve1），緊急關(guān)斷閥和事故關(guān)斷閥能實(shí)現(xiàn)在泄漏、火災(zāi)等事故條件下的自動緊急關(guān)斷。

2 工況分析

對于出現(xiàn)水擊的工況，不僅要考慮單個事故，也要考慮組合工況，水力系統(tǒng)中出現(xiàn)水擊現(xiàn)象的工況有[2]：突然關(guān)閥、突然停泵、突然關(guān)閥和突然停泵的組合工況。

基于以上分析，結(jié)合丙烯裝船水力系統(tǒng)實(shí)際情況，根據(jù)整個系統(tǒng)運(yùn)行工況范圍，確定了如表1所示的具體水擊模擬工況。

表1 丙烯水擊模擬工況

以馬來西亞PETRONAS公司P30丙烯罐區(qū)項(xiàng)目為例，設(shè)計(jì)液態(tài)丙烯裝船量為600 m3/h，裝船管道直徑DN200。在PIPENET軟件建模時輸入邊界點(diǎn)、設(shè)備閥門參數(shù)和幾何模型的條件如下[3-6]：

（1）邊界點(diǎn)條件。模型輸入節(jié)點(diǎn)入口為裝船泵入口，節(jié)點(diǎn)處設(shè)定為恒定壓力，裝船泵入口節(jié)點(diǎn)處壓力取儲罐操作壓力和液位自然高差壓力之和，為16.8 bar（1bar=0.1 MPa）。模型輸出節(jié)點(diǎn)壓力為丙烯進(jìn)船背壓，取23.0 bar。

（2）泵輸入條件。在PIPENET軟件中，泵使用 Inertial pumps模塊，泵流量 600 m3/h，揚(yáng)程242.3 m，泵流量特性曲線、轉(zhuǎn)動慣量等數(shù)據(jù)依據(jù)廠家資料。

（3） 閥輸入條件。在PIPENET軟件中，PERC-Valve1閥門為6 in蝶閥（1in=25.4 mm），UZV-2037閥門為8 in球閥，閥門Cv曲線及關(guān)斷時間依據(jù)廠家資料。

（4）裝船管道材質(zhì)為低溫碳鋼，壁厚8 mm，罐區(qū)與碼頭之間管道長度約6.6 km，全程采用管架方式敷設(shè)，裝船系統(tǒng)整體按照管道三維安裝尺寸進(jìn)行建模。

3 結(jié)果與分析

3.1 關(guān)閥或停泵單一工況下的水擊分析

工況一，圖2為裝船臂上的PERC-Valve1閥門突然關(guān)閉后，閥前壓力、流量的瞬變情況。

圖2 工況一PERC-Valve1閥前壓力、流量瞬變曲線

閥門關(guān)閉時，閥前壓力升高，在閥門即將全關(guān)閉時，壓力迅速增大，并在閥門全關(guān)后壓力達(dá)到最大值，維持在裝船泵零流量下的最大壓力，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生小幅振蕩波動。本例中最長的直管段位于裝船臂附近，長度為360 m，定義為pipe-360，圖3為該管道受到的水擊作用力瞬變情況。

圖3 工況一pipe-360受到水擊作用力瞬變曲線

隨著水擊的發(fā)生，管道上的水擊作用力剛開始時在正方向上逐步增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值時，又陡然下降，并且作用力改變方向，在負(fù)方向上逐步增大，直到達(dá)到負(fù)峰值后又改變方向，如此循環(huán)往復(fù)。

工況二，裝船時儲罐界區(qū)UZV-2037閥門關(guān)閉工況的模擬曲線與工況一模擬曲線基本相同，工況一和工況二條件下水力系統(tǒng)中產(chǎn)生的最大水擊壓力和最大水擊作用力具體見表2。

表2 丙烯水擊模擬工況結(jié)果

工況三，圖4為裝船泵停泵情況下，水力系統(tǒng)中壓力、流量的瞬變情況。當(dāng)裝船泵停泵后，系統(tǒng)中流量逐漸降低，壓力也逐漸降低。但流量并非降至0后維持不變，而是在0流量線上下小幅波動，壓力線也并非逐漸降低后不再變化，而是隨流量一起小幅波動，但產(chǎn)生的水擊壓力比停泵前壓力稍有增大。圖5為裝船泵停泵后，360 m長直管段管道受到的水擊作用力瞬變情況，與圖2曲線趨勢走向基本相同。

圖4 工況三pipe-360壓力、流量的瞬變曲線

圖5 工況三pipe-360受到水擊作用力瞬變曲線

3.2 關(guān)閥和停泵組合工況下的水擊分析

工況四，圖6展示了裝船臂上的事故關(guān)斷閥關(guān)閉和停泵組合情況下的水擊瞬變情況，可以看出壓力和流量的瞬變情況與單純關(guān)閥時的趨勢基本相同，但壓力曲線波動的周期比單純關(guān)閥時的周期長，水力系統(tǒng)中360 m長直管段管道所受到的水擊作用力也比單純關(guān)閥時的波動周期長（見圖7）。

圖6 工況四PERC-Valve1閥前壓力、流量的瞬變曲線

圖7 工況四pipe-360受到水擊作用力瞬變曲線

工況五，裝船時罐界區(qū)UZV-2037閥門關(guān)閉和停泵組合情況下的模擬曲線與工況四基本相同，系統(tǒng)中產(chǎn)生的最大水擊壓力和最大水擊作用力具體數(shù)據(jù)見表2。

3.3 綜合對比分析

表2綜合比較了丙烯裝船水力系統(tǒng)中各水擊工況的模擬結(jié)果。從表2可以看出，工況一的水擊壓力最大，水擊作用力也最大，為所有工況中最惡劣工況。對比停泵或關(guān)閥單一工況的結(jié)果，突然停泵較突然關(guān)閥的水擊影響小很多。

對比突然關(guān)閥的單一工況和突然關(guān)閥+突然停泵的組合工況，在突然關(guān)閥的情況下停泵，可以減弱水擊的破壞和影響，但由于水力短管水擊過快，停泵來不急減弱這種水擊影響，因此組合工況下的最大水擊壓力和最大水擊作用力降低現(xiàn)象并不明顯。

從表中也可以看出，丙烯裝船系統(tǒng)的最大水擊壓力達(dá)45.6 bar，此壓力值為正常工作條件下泵出口壓力的1.62倍。為保證本質(zhì)安全，管道的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)比最大水擊壓力高并且留有一定的余量。水擊工況下流體對管道的水擊作用力達(dá)到31.4 N/m，由于最大水擊作用力出現(xiàn)在最長的直管段上，本例中最長的直管段位于裝船臂附近，因此選取裝船臂之前約1.5 km的管段，標(biāo)注計(jì)算得到的水擊作用力F，具體見圖8。直管段上所受的水擊作用力為兩個方向，一個與流體方向相同，一個與流體方向相反，應(yīng)按圖8標(biāo)注的水擊力情況進(jìn)行管道應(yīng)力分析，確定管道穩(wěn)固措施。

圖8 管網(wǎng)中局部管道所受的水擊作用力示意

4 結(jié)論

基于本文選定工程實(shí)例和計(jì)算方法，對丙烯裝船系統(tǒng)進(jìn)行水擊分析研究得到以下結(jié)論：

（1）突然關(guān)閥，閥前壓力急劇升高，在閥門即將全關(guān)閉時壓力達(dá)到最大值，維持在裝船泵零流量下的最大壓力，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生小幅振蕩波動，伴隨著的水擊作用力也在正、負(fù)最大峰值之間循環(huán)波動；突然停泵，流量并非降至0后維持不變，而是在0流量線上下小幅波動，壓力線隨流量一起小幅波動，產(chǎn)生的水擊壓力比停泵前壓力稍有增大。

（2）裝船臂上的事故關(guān)斷閥突然關(guān)閉是所有水擊工況中最為惡劣的工況，其最大水擊壓力為正常工作條件下泵出口壓力的1.62倍，流體對管道的水擊作用力達(dá)到31.4 N/m。

（3）突然停泵較突然關(guān)閥的水擊影響小很多；在突然關(guān)閥的情況下停泵，可以減弱水擊的破壞和影響，但水力短管的減弱作用不明顯。