張歡,周波,劉海冬
(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)
生活水管網(wǎng)系統(tǒng)的鋪排受限于船艙空間,使得管路彎曲多,輸水距離長,加之閥門啟閉頻繁或事故停泵工況,極易造成管道壓力劇烈交替變化,形成管道水錘。由水錘引起的壓力異常,會(huì)直接造成管線破裂、設(shè)備損壞等不良后果,嚴(yán)重影響管網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1],考慮以某FPSO生活水管網(wǎng)系統(tǒng)為例,運(yùn)用動(dòng)態(tài)流體分析軟件AFT-Impulse,對(duì)其管網(wǎng)系統(tǒng)的承壓能力和抗水錘能力進(jìn)行模擬計(jì)算,分析水錘現(xiàn)象的影響因子,明確水錘現(xiàn)象的主控因素,并基于該主控因素,對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵管路提出最優(yōu)水錘防護(hù)措施。
1.1 AFT-Impulse軟件
利用AFT-Impulse軟件可對(duì)不可壓縮流體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)分析,計(jì)算管網(wǎng)系統(tǒng)中由水錘引起的瞬態(tài)壓力及水錘大小[2]。本文采用AFT-Impulse軟件對(duì)影響水錘壓力的相關(guān)因素(如管道直徑、流體波速、管道長度、管道粗糙度,以及關(guān)閥時(shí)間),實(shí)現(xiàn)多工況多場景的穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析,確定水錘的主控因素。
水錘是一種典型的非恒定流,其基本微分方程由運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程組成,用于水錘計(jì)算的方法主要有圖解法、解析法,以及特征線法。其中,特征線法是常用的水錘數(shù)值計(jì)算方法,結(jié)合初始條件和邊界條件求解非恒定流基本微分方程[3]。本文采用的AFT-Impulse軟件就是一款基于特征線法的流體動(dòng)態(tài)分析軟件。
在壓力管道系統(tǒng)中,管內(nèi)流體在慣性、可壓縮性、管壁彈性,以及系統(tǒng)阻力作用下,其壓力和密度不斷交替變化,直至穩(wěn)定,該過程中,管內(nèi)流體流速的劇烈變化引起動(dòng)量交換,致使流體沖量改變,對(duì)管壁、水泵,以及閥門等附件產(chǎn)生巨大的沖擊力,該現(xiàn)象即為水錘現(xiàn)象[4]。管道水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生,使得管線壓力增大,管線及設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)較大提升。為有效消減水錘風(fēng)險(xiǎn),從管道壓力上升的根源出發(fā),尋求規(guī)避水錘危害的方法[5]?;诮?jīng)典水錘理論,假定管道的剛性足夠,不考慮管道的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)流場的影響[6],從管道直徑、流體波速、管道長度、管道粗糙度,以及關(guān)閥時(shí)間幾個(gè)方面著手,考察上述因素對(duì)水錘現(xiàn)象的影響程度。
關(guān)于水錘研究的技術(shù)問題中,預(yù)測(cè)管道的最大壓力和最小壓力至關(guān)重要,可以有效避免因管道壓力過大而導(dǎo)致的管道破裂,以及因內(nèi)部真空條件下壓碎大直徑管道。所以,采用AFT-Impulse軟件創(chuàng)建水力學(xué)模型,見圖1。
圖1 水錘模型
模型中流體介質(zhì)為淡水,溫度為38 ℃,管道為碳鋼管,流體波速的計(jì)算公式[7]如下。
(1)
式中:K為流體體積模量;ρ為流體密度;E為管材彈性模量;e為管壁厚度;C1為管線膨脹系數(shù);D為管材內(nèi)徑。
由式(1)可知,同一系統(tǒng)內(nèi),管徑尺寸與流體波速成對(duì)應(yīng),所以在考慮水錘影響因素時(shí),只需在管徑尺寸和流體波速中選擇一種進(jìn)行考察。故選擇管徑尺寸為考察因素。通過調(diào)整管道直徑、管道長度、管道粗糙度以及關(guān)閥時(shí)間的參數(shù),實(shí)現(xiàn)多工況模擬,獲得各影響因素對(duì)管道最大壓力的影響程度。工況設(shè)置及對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見表1。
表1 工況設(shè)置
將表1中,工況1~5為關(guān)閥時(shí)間對(duì)最大壓力的影響情況,工況4和工況6~9為管道粗糙度對(duì)最大壓力的影響情況;工況4和工況10~13為管道長度對(duì)最大壓力的影響情況;工況4和工況14~17為管材內(nèi)徑對(duì)最大壓力的影響情況。對(duì)比結(jié)果見圖2。
圖2 各因素對(duì)管道最大壓力的影響程度
由圖2可知,上述4種因素中關(guān)閥時(shí)間對(duì)于管道最大壓力的影響最大,管道長度第二,管道直徑次之,管道粗糙度對(duì)最大壓力影響最小。
FPSO生活水系統(tǒng)中的生活水主要由淡水和蒸餾水組成,以某FPSO生活水系統(tǒng)中的淡水供應(yīng)系統(tǒng)為例,進(jìn)行基于水錘影響因素分析的防護(hù)設(shè)計(jì)。該淡水供應(yīng)系統(tǒng)包含2臺(tái)淡水泵、各類閥件和元件及輸送管線等。其中,淡水泵的額定流量為15 m3/h,揚(yáng)程為0.88 MPa;輸送管路的材質(zhì)為碳鋼,其最大設(shè)計(jì)壓力為1.96 MPa。根據(jù)ASME壓力管道規(guī)范B31.3工藝管道,管道最大超壓值不能超過該管道設(shè)計(jì)壓力的33%,所以,本系統(tǒng)中輸送管線最大允許水錘壓力為2.606 8 MPa。
由AFT-Impulse軟件創(chuàng)建的FPSO生活水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析模型,淡水由淡水艙引出,經(jīng)淡水泵抽吸,進(jìn)入輸送管道,經(jīng)過各類閥件的控制,實(shí)現(xiàn)不同工況。
考慮到生活水系統(tǒng)中淡水泵為一運(yùn)一備,故選擇開啟一臺(tái)淡水泵,且為避免其他關(guān)閉支路對(duì)水錘分析的影響,采用簡化模型,見圖3。
圖3 FPSO淡水供應(yīng)系統(tǒng)簡化模型
在管網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,閥門的快速關(guān)閉,導(dǎo)致靠近閥門處的流體受到阻礙且被壓縮,使得流體流速快速降低,壓力急劇升高,管道出現(xiàn)膨脹,后面的流體由于慣性繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),出現(xiàn)與靠近閥門處流體同樣的現(xiàn)象,流速降低、壓力升高,水體壓縮和管道膨脹。上述過程依次向管道起點(diǎn)處傳播,當(dāng)這種升壓過程傳播到管道起點(diǎn)處時(shí),管道中水的流速變?yōu)榱悖艿乐兴w的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)為為使水壓縮和管道變形的彈性勢(shì)能,這種水錘稱為關(guān)閥水錘[3]。關(guān)閥時(shí)間的確定對(duì)有效規(guī)避關(guān)閥水錘至關(guān)重要,結(jié)合FPSO生活水淡水供應(yīng)系統(tǒng)特點(diǎn),設(shè)置關(guān)閥方案見表2。
根據(jù)上述關(guān)閥方案,采用AFT-Impulse軟件進(jìn)行多工況穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析,管網(wǎng)系統(tǒng)沿程穩(wěn)態(tài)壓力、最大壓力和最小壓力見圖4。
表2 關(guān)閥方案
圖4 沿程壓力
從圖4可見,F(xiàn)PSO生活水系統(tǒng)管到最大壓力出現(xiàn)在閥門入口處,即6號(hào)管道出口處。各工況下6號(hào)管道出口壓力變化見圖5。
由圖5可知,工況1中,管道最大壓力為3.677 MPa,大于輸送管線最大允許水錘壓力,不符合要求;工況2中,管道最大壓力2.547 MPa,小于輸送管線最大允許水錘壓力,符合要求;工況3中,管道最大壓力為2.493 MPa,小于輸送管線最大允許水錘壓力,符合要求;工況4中,管道最大壓力為1.923 MPa,小于輸送管線最大允許水錘壓力,符合要求;在工況5中,管道的最大壓力1.392 MPa,小于輸送管線最大允許水錘壓力,符合要求;工況6中,管道最大壓力2.354 MPa,小于輸送管線最大允許水錘壓力,符合要求。
圖5 6號(hào)管道出口壓力的變化
上述結(jié)果中,工況5中管道最大壓力最小,依據(jù)管道水錘防護(hù)原則,管道最大壓力越小越不容易產(chǎn)生水錘,故而本文選擇工況5為最優(yōu)工況,即采用2階段關(guān)閥,控制閥件開度,減小管道壓力,從而有效規(guī)避水錘的產(chǎn)生,為FPSO生活水系統(tǒng)的正常、安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供了有力保障。
1)運(yùn)用動(dòng)態(tài)流體分析軟件AFT-Impulse,基于水錘影響因素進(jìn)行多工況對(duì)比分析,獲得各因素對(duì)管道最大壓力的影響程度排序:關(guān)閥時(shí)間>管道長度>管道直徑(流體波速)>管道粗糙度,明確水錘現(xiàn)象的主控因素為關(guān)閥時(shí)間。
2)基于關(guān)閥時(shí)間因素,結(jié)合FPSO生活水管網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn),提出生活水管網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)閥設(shè)計(jì)方案,以直線關(guān)閥和兩階段關(guān)閥兩種形式。
3)結(jié)合動(dòng)態(tài)流體分析軟件,對(duì)比分析各方案管道最大承壓能力,明確生活水管網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)的關(guān)閥方案為1.5 s快速關(guān)閉80%,5.5 s關(guān)閉20%,總關(guān)閥時(shí)間7 s,可以有效規(guī)避生活水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中因水錘事件造成的不良后果,為FPSO生活水系統(tǒng)的正常、安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供有力保障。