張健康，鄧育軒

（蘭州城市學(xué)院培黎石油工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

1 研究目的及意義

石油的地位越來越重要，被叫做工業(yè)血液，在運(yùn)輸石油方面主要是水運(yùn)以及陸運(yùn)[1]，二者比較來看，水運(yùn)更為經(jīng)濟(jì)，有條件的優(yōu)先選用水運(yùn)，公路運(yùn)輸考慮到罐車裝載量小，綜合費(fèi)用較高，而且油氣損耗也高，所以，油品輸送方式主要有鐵路和管道，其中管道輸送有著不可替代的作用，它的特點(diǎn)有運(yùn)輸損耗少，并且輸送量大，相比之下也比較經(jīng)濟(jì)，適于大量、定向、定點(diǎn)運(yùn)輸石油流體等[2]。

當(dāng)在管道運(yùn)輸過程中，如果出現(xiàn)閥門的緊急關(guān)閉或開啟、停泵等事故，會(huì)出現(xiàn)水擊現(xiàn)象造成管道中流速的突然變化，繼而引起壓力波，管道內(nèi)壓力發(fā)生急劇變化[3]，如果超過正常的壓力值會(huì)造成閥門破壞、管件接頭破裂、斷開，甚至管道炸裂等重大事故。Flowmaster 是一款有名的流體系統(tǒng)仿真軟件，它可以很好的模擬出管道輸送原油時(shí)出現(xiàn)水擊現(xiàn)象的情況，然后根據(jù)模擬結(jié)果分析原因，采取保護(hù)措施，盡可能的消除水擊現(xiàn)象來保護(hù)運(yùn)輸管道。

2 水擊現(xiàn)象

2.1 水擊的定義、產(chǎn)生原因及危害

原油在管線輸送的過程中，液流斷面上的各個(gè)流速和壓強(qiáng)不隨時(shí)間變化的叫做穩(wěn)定流，反之則稱為不穩(wěn)定流。而原油在實(shí)際管線流動(dòng)的過程中，壓力不隨著時(shí)間變化的情況是很少的，但是變化的幅度很小，因此被當(dāng)作是穩(wěn)定流[4]。但當(dāng)這種穩(wěn)定被破壞時(shí)，在壓力管道中，由于液體的流速發(fā)生了急劇的變化，管線中會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)壓力明顯、反復(fù)和迅速變化的現(xiàn)象，此現(xiàn)象被稱為水擊，也叫做水錘[5]。

導(dǎo)致管道中形成水擊現(xiàn)象的因素有很多。例如當(dāng)管道閥門突然開啟停止時(shí)，或者當(dāng)泵突然開啟停止時(shí)，由于管道中液體流速突然發(fā)生了急劇的變化，導(dǎo)致管道中液體的流動(dòng)量一瞬間發(fā)生變化，從而引起管道中的壓力發(fā)生顯著的變化，進(jìn)而發(fā)生水擊現(xiàn)象，管道上的止回閥失靈或者運(yùn)輸管道過長且地形的變化大也會(huì)引起水擊現(xiàn)象。水擊發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的高壓可能會(huì)達(dá)到正常壓力的幾十倍到上百倍[6]，并且壓力波動(dòng)大，引起管道和調(diào)壓設(shè)備等附加元件的損壞，甚至引起整個(gè)泵站系統(tǒng)災(zāi)難性的事故，可能會(huì)造成設(shè)備發(fā)生強(qiáng)烈震動(dòng)產(chǎn)生噪音，還可能會(huì)發(fā)生管道變形、閥門損壞、關(guān)鍵接頭破裂，甚至爆炸，這不僅對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，嚴(yán)重的情況下還會(huì)傷害到人生安全和財(cái)產(chǎn)安全。

本研究主要模擬的是因管道地形引起的水擊和在操作過程中閥門緊急關(guān)閉引起的水擊。

2.2 水擊保護(hù)措施

水擊保護(hù)就是預(yù)先采取措施使水擊的壓力波動(dòng)不會(huì)超過管道設(shè)備的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，在管道內(nèi)不會(huì)發(fā)生液體斷流和負(fù)壓，可根據(jù)管道條件選擇保護(hù)方法，設(shè)施可根據(jù)水擊分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。

水擊保護(hù)措施有3 種:（1） 泄壓保護(hù)，顧名思義就是一種泄放保護(hù)，在管道的某一點(diǎn)安裝泄放閥，當(dāng)發(fā)生水擊時(shí)，可通過泄放閥排出一定量的氣體或液體，從而減弱高壓波，防止造成危害。（2） 管道增強(qiáng)保護(hù)，當(dāng)管道的強(qiáng)度可以承受水擊的高壓時(shí)，可以不用采取別的保護(hù)措施，小口直徑的管道通常具有相當(dāng)余量，可承受水擊產(chǎn)生的高壓。（3） 超前保護(hù)，就是在水擊發(fā)生時(shí)采取的保護(hù)措施，由管道控制中心統(tǒng)一發(fā)出指令，上、下泵站發(fā)出一種與水擊壓力波相反的擾動(dòng)，從而抵消水擊壓力波，這就要求管道在高度自動(dòng)化基礎(chǔ)上，才能完成保護(hù)措施。本研究中采取的是泄放保護(hù)。

3 模擬軟件及數(shù)學(xué)模型

3.1 Flowmaster 軟件介紹

Flowmaster 軟件是一種一維的流體仿真計(jì)算模擬工具，在全球比較領(lǐng)先，是面向工程的完備的流體系統(tǒng)仿真軟件包。利用Flowmsater 軟件可以有效、快速、精準(zhǔn)的解決各類復(fù)雜流體系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，并且進(jìn)行完備的解析[7]。Flowmaster 軟件注重的是系統(tǒng)尺度上所發(fā)生的事情，每個(gè)流體系統(tǒng)都是有多個(gè)元器件組成，如閥門、泵、管道等，還可以檢測整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，如果當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，閥門的開啟或者關(guān)閉，F(xiàn)lowmaster 軟件可以檢測到各個(gè)支路或節(jié)點(diǎn)的流量、壓力等變化，能夠快速的幫助工程師完成設(shè)計(jì)[8]。

3.2 模擬鋪設(shè)管道的地形引起的水擊

3.2.1 參數(shù)的設(shè)置

（1） 輕質(zhì)原油儲(chǔ)罐：（容量：15 Wm3）。（2） 閘閥：（全開狀態(tài)）。（3） 輸油泵：類型：螺桿泵；軸功率：100 KW；轉(zhuǎn)速：750 r/min；流量：1 000 m3/h;效率：85 %；揚(yáng)程：120 m；設(shè)計(jì)壓力：10 Mpa；最低油溫：36 ℃。（4） 閘閥：（全開狀態(tài)）閥門控制器（開度均為全開）。（5） 輸油管道：碳鋼無縫鋼管。（6） 材質(zhì)：L360QB（抗硫碳鋼無縫鋼管）；管線規(guī)格：720×8 mm。管壁粗糙度：0.08 mm。管線布置根據(jù)模擬器模擬現(xiàn)實(shí)需要設(shè)置，具體數(shù)據(jù)見表1。（7）閘閥：（開關(guān)狀態(tài)由閥門控制器10 控制）。（8） 閥門控制器：（時(shí)長：0～10 s ；ratio 為1：全開；ratio 為0：全關(guān)）；8～10 s(ratio 為1：全開)。（9） 閥門控制器：0～2 s(ratio 為1：全開)；3～10 s（ratio 為0：全關(guān)）。（10）仿 真 步 長：TimeStep:0.1 s；SimulationStartTime:1 s；SimulationEndTime:10 s。

表1 管線布置

3.2.2 模型的建立

圖1 為模擬鋪設(shè)管道的地形引起的水擊流程，模型示意圖代號(hào)描述：其中元件共有11 個(gè)。元件1、11 為給水水箱；元件2 為止回閥；元件3 為泵；元件4、9 為閥門，由元件5、11 閥門控制元件控制其關(guān)閉狀態(tài)；元件6、7、8 選用的是彈性管道。節(jié)點(diǎn)序號(hào)共有8 個(gè)。

圖1 模擬鋪設(shè)管道的地形引起的水擊流程

3.2.3 對(duì)水擊現(xiàn)象的分析

由圖2 可知，該輸油系統(tǒng)流程運(yùn)行中，當(dāng)終點(diǎn)進(jìn)罐閥門發(fā)生故障關(guān)閉或者出現(xiàn)緊急情況人為關(guān)閉閥門時(shí)，終點(diǎn)油品的流動(dòng)突然停止，使泵出口管線末端油品的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能，對(duì)閥門閥板造成沖擊，形成沖擊波，此時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波稱為勢涌水擊，并且管線中油品的流速越快，產(chǎn)生的勢涌水擊壓力越高。但在沖擊波壓力返回到上游的過程中，輸送泵仍在運(yùn)行中，泵出口管線末端因壓力急劇升高發(fā)生彈性膨脹，繼續(xù)容納泵輸送來的油品，管壁繼續(xù)膨脹，管線中油品也被不斷壓縮，由于這種繼續(xù)充裝產(chǎn)生的壓力稱為充裝式壓力。泵出口管線排布高低起伏落差越大、管線越長，產(chǎn)生的這種充裝壓力越高。而泵出口管線終點(diǎn)閥門閥板的水擊壓力為充裝式壓力和勢涌式壓力的總和，部分管段因?yàn)榱髁客蛔兯鸬膲毫ι档念l率較高，可能會(huì)超過管線的正常壓力，該壓力的變化幅值可以達(dá)到管道正常壓力的幾倍、幾十倍甚至百倍。而且會(huì)使管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，壓強(qiáng)大幅度波動(dòng)，導(dǎo)致管道內(nèi)出現(xiàn)噪音、造成管道的強(qiáng)烈振動(dòng)，會(huì)造成閥門毀壞、管件接口、焊縫等承壓能力較低的部位斷裂，甚至造成管道炸裂等重大事故，危及員工生命，而且會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成破壞。

圖2 產(chǎn)生水擊時(shí)閥門9 閥板所受壓力波動(dòng)

由圖3 可知，該輸油系統(tǒng)流程運(yùn)行中，當(dāng)終點(diǎn)進(jìn)罐閥門發(fā)生故障關(guān)閉或者出現(xiàn)緊急情況人為關(guān)閉閥門時(shí)，泵出口管線高程最大處管段的壓力波動(dòng)主要由3 部分構(gòu)成：短線末端造成水擊后返回的沖擊波壓力；泵運(yùn)行中提供流量帶來的壓力；管線中油品由于高程差具有的重力勢能。當(dāng)由末端返來的沖擊波壓力繼續(xù)返回時(shí)，會(huì)帶動(dòng)高程管段中的油品迅速轉(zhuǎn)換為動(dòng)能沖向管線末端，從而造成高程管線出現(xiàn)負(fù)壓環(huán)境，如此反復(fù)，隨著管線末端充裝壓力逐漸接近飽和狀態(tài)，7 s 后高程管段中的壓力波動(dòng)急劇升高，逐漸接近管線設(shè)計(jì)壓力。

圖3 產(chǎn)生水擊時(shí)高程較大處管段所受壓力波動(dòng)圖

3.2.4 模型的修正對(duì)比

現(xiàn)采取加蓄壓腔的方式對(duì)水擊現(xiàn)象進(jìn)行修正，見圖4，在管路系統(tǒng)中加上蓄壓腔裝置。標(biāo)號(hào)為12、13、14 的裝置均為蓄壓腔。由圖5 所示，修正前高程較大處管段的壓力波動(dòng)的最大幅值約為修正后該管段壓力波動(dòng)最大幅值的1 000 倍。將未采取避免水擊措施修正時(shí)高程較大處管段的壓力波動(dòng)圖和采取了避免水擊措施修正時(shí)高程較大處管段的壓力波動(dòng)圖放到同一個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行對(duì)比分析。如圖6 所示，可以直觀的看到，修正前該管段的壓力波動(dòng)很大，壓力波動(dòng)最大幅值超過100 bar,而修正后該管段的壓力波動(dòng)較于修正前趨近于一條直線，基本沒有壓力波動(dòng)。所以采取避免水擊措施修正后該管段基本不發(fā)生水擊作用。

圖4 修正流程

圖5 高程較大處管道修正后得到的壓力

圖6 高程較大處管道產(chǎn)生水擊修正前后對(duì)比

3.3 采取避免水擊措施的必要性

通過以上模擬分析，可以清楚的看出，采取了避免水擊的措施后，增加了管道、閥門以及輸油泵的使用安全，很大程度上減少了危險(xiǎn)事故的發(fā)生，保護(hù)環(huán)境不遭到破壞。延長了管道、閥門以及輸油泵的使用壽命，減少了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，使輸油系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)論

本研究首先探究了原油管道在現(xiàn)實(shí)生活中占據(jù)無可替代的地位并且迅速發(fā)展的現(xiàn)狀，然后分水擊產(chǎn)生的原因可知，只要是原油管道輸送系統(tǒng)，在運(yùn)輸原油的過程中，必然少不了閥門的快速關(guān)閉又啟動(dòng)、管道通過翻閱點(diǎn)以及偶爾停電等環(huán)節(jié)，然而這些環(huán)節(jié)造成的水擊現(xiàn)象是非常嚴(yán)重的。本研究用Flowmaster 軟件對(duì)水擊現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬、計(jì)算分析，F(xiàn)lowmaster 具備對(duì)復(fù)雜及普通管路系統(tǒng)的計(jì)算分析能力，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)將需要處理的問題轉(zhuǎn)化成軟件所能夠識(shí)別的模型，通過軟件計(jì)算處理，最終給出人們所關(guān)心的結(jié)果，減輕了設(shè)計(jì)者的工作量，提高了工作效率。

通過模擬出來的水擊現(xiàn)象可以看出，水擊壓力通常會(huì)增加到原來運(yùn)輸壓力的十幾倍甚至幾十倍，當(dāng)水擊壓力超過管道的耐壓強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生管道的破裂，引發(fā)重大安全事故并造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)帶來環(huán)境污染。所以對(duì)原油輸送系統(tǒng)必須采用水擊防護(hù)措施。本研究主要采用泄壓的方式來防護(hù)水擊現(xiàn)象，在容易發(fā)生水擊現(xiàn)象的管段處安裝蓄壓腔來釋放管道中的水擊壓力。通過對(duì)比分析模擬結(jié)果可以明顯的看出，在此方式下，管路內(nèi)的壓力波動(dòng)得到了較好的抑制，波動(dòng)減緩，得到了幾乎穩(wěn)定的壓力圖，該防護(hù)措施有效的消除了水擊現(xiàn)象，從而有效地保護(hù)了原油輸送系統(tǒng)的安全性。