孔令海，楊豪杰，竇培林

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

為了使通用型FPSO適用于上部模塊及系泊系統(tǒng)解決方案[1-2]，在工作時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜多樣的工況組合，且易發(fā)生水錘破壞。在運(yùn)行時(shí)期關(guān)鍵管網(wǎng)系統(tǒng)若發(fā)生損壞，則會(huì)影響整個(gè)海上油田生產(chǎn)流程，嚴(yán)重的會(huì)對(duì)船上人員的安全產(chǎn)生威脅，乃至對(duì)人們的生活、生產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。因此，水錘作為FPSO管網(wǎng)系統(tǒng)中比較常見(jiàn)、潛在危害性和破壞程度又相對(duì)較大的流體沖擊和振動(dòng)現(xiàn)象，是FPSO管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須解決的技術(shù)難題[3]。

水錘發(fā)生的物理原因主要是液體本身具有慣性和壓縮性的性質(zhì)，進(jìn)而產(chǎn)生一系列急驟的壓力變化和密度變化[4]，其中關(guān)閥水錘是管路系統(tǒng)中較為常見(jiàn)的水錘現(xiàn)象。

本文針對(duì)通用型FPSO貨油管路系統(tǒng)，采用動(dòng)態(tài)流體分析軟件AFT Impulse進(jìn)行相應(yīng)的關(guān)閥水錘分析[5]，并對(duì)發(fā)生水錘效應(yīng)[6]的工況進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化及防護(hù)以提高系統(tǒng)安全性。

AFT Impulse是一個(gè)復(fù)雜的水錘建模程序，具有穩(wěn)態(tài)求解法和瞬態(tài)求解法2種求解方式：穩(wěn)態(tài)求解法基于行業(yè)中多年的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)[6]，采用Newton-Raphson的解法以控制質(zhì)量和動(dòng)量平衡的管道流量的基本方程；瞬態(tài)求解法通過(guò)迭代的方法來(lái)獲得解。在實(shí)際工程中，常采用瞬態(tài)求解法觀測(cè)危險(xiǎn)工況。

1 水錘計(jì)算基本理論

水錘是通過(guò)非恒定流的形式體現(xiàn)的，運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程組成了水錘的基本微分方程。

根據(jù)彈性理論可以用2個(gè)方程式代表其基本微分方程：

運(yùn)動(dòng)方程

(1)

連續(xù)方程

(2)

式(1)和式(2)中：H為水頭；x為位置坐標(biāo)；g為重力加速度；V為流體流速；t為瞬態(tài)歷時(shí)；f為管道摩阻系數(shù)；D為管道管徑；α為水平面與管道間夾角；a為水錘波波速。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特征線法已發(fā)展成最主要的水錘計(jì)算方法，特征線方程可根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程進(jìn)行推導(dǎo)：

(3)

(4)

管路內(nèi)液體流動(dòng)的瞬態(tài)特征線方程由式(3)和式(4)即可表示。

2 貨油系統(tǒng)模型構(gòu)建

根據(jù)系統(tǒng)的使用環(huán)境，主要設(shè)計(jì)假設(shè)是根據(jù)貨油系統(tǒng)的預(yù)期最壞工況選擇管路，在貨油管網(wǎng)系統(tǒng)分析時(shí)選取左舷1艙至卸載站的貨油管路，建立AFT Impulse模型。貨油系統(tǒng)中選取的管路系統(tǒng)如圖1所示。

注：P1～P17為管路；J1～J17為連接件(如閥門、泵等)圖1 所選貨油系統(tǒng)管段

3 貨油系統(tǒng)模型分析

根據(jù)目前行業(yè)參考的標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3:2012[7-9]，有關(guān)水錘壓力設(shè)計(jì)的校核需要滿足如下要求：

管路中的最大壓力不能超過(guò)管系設(shè)計(jì)承載壓力的1.33倍。在深水通用型FPSO工程中，貨油管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力為1.600 MPa，因此管路系統(tǒng)中最大允許水錘壓力為2.128 MPa。

3.1 穩(wěn)態(tài)分析

在對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，AFT Impulse采用Newton-Raphson法基本方程的求解法[3]。

如圖2所示，在穩(wěn)態(tài)工況下，對(duì)各管路進(jìn)行流體分析，發(fā)現(xiàn)最大靜態(tài)壓力為0.573 MPa，小于最大水錘許用壓力2.128 MPa。滿足FPSO壓載水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。

圖2 穩(wěn)態(tài)水錘分析

3.2 瞬態(tài)分析

瞬態(tài)分析通過(guò)特征線法更能準(zhǔn)確地計(jì)算每個(gè)時(shí)間步下發(fā)生的水錘壓力。對(duì)于關(guān)閥水錘，選擇合理的關(guān)閥時(shí)間極為重要[9]。

根據(jù)實(shí)際工程情況，閥門開(kāi)/關(guān)的時(shí)間會(huì)隨著閥門尺寸的增大而延長(zhǎng)，在瞬態(tài)模擬情況下需根據(jù)閥門開(kāi)/關(guān)規(guī)定時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)劃分各工況，因此需知閥門尺寸大小與閥門開(kāi)/關(guān)時(shí)間的關(guān)系，具體如表1所示[3]。

表1 閥門尺寸與閥門開(kāi)/關(guān)時(shí)間

在所選貨油管路系統(tǒng)中使用的閥門分別為1個(gè)35.36 cm和5個(gè)76.2 cm閥門，因此在選取管路中閥門的關(guān)閥時(shí)間可根據(jù)表1進(jìn)行選取。

所選取的貨油管路系統(tǒng)的關(guān)閥工況如表2所示。

表2 選取管路關(guān)閥水錘工況

對(duì)貨油系統(tǒng)管路中工況1進(jìn)行分析：對(duì)于35.36 cm 的閥門，關(guān)閥時(shí)間根據(jù)表1取14～42 s，設(shè)置其初關(guān)閥時(shí)間為14 s對(duì)其進(jìn)行分析，具體如表3所示。

表3 貨油系統(tǒng)35.36 cm閥門關(guān)閉水錘分析

所選貨油系統(tǒng)管段(左舷1艙至卸載站)的這段管路，全部管路水錘壓力如表3所示。由管網(wǎng)流體分析可知：在14 s直線關(guān)閥情況下，35.36 cm閥門最大水錘壓力在管路2上出現(xiàn)，約1.965 MPa，小于最大允許水錘壓力2.128 MPa，滿足FPSO壓載水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。

對(duì)貨油系統(tǒng)管路中工況2進(jìn)行分析：對(duì)于76.20 cm 的閥門，關(guān)閥時(shí)間根據(jù)表1取30～90 s，設(shè)置其初關(guān)閥時(shí)間為30 s對(duì)其進(jìn)行分析，需對(duì)76.20 cm 的閥門分情況進(jìn)行分析[3]，具體如表4所示。

表4 76.20 cm閥門對(duì)應(yīng)的水錘壓力(初關(guān)閥時(shí)間30 s)

經(jīng)過(guò)多次模擬，在76.20 cm閥門關(guān)閉時(shí)，隨著管路中關(guān)閉的閥門增多，其最大水錘壓力與之呈現(xiàn)相應(yīng)的反比趨勢(shì)，且均大于管路系統(tǒng)中最大允許水錘壓力2.128 MPa，管路中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的水錘效應(yīng)，對(duì)后續(xù)工程的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理。

對(duì)貨油系統(tǒng)管路中工況3進(jìn)行分析：對(duì)于35.36 cm 與76.20 cm的閥門一起關(guān)閉，在此工況下設(shè)置初步關(guān)閥時(shí)間以76.20 cm的閥門為主，即30 s ，此工況需要根據(jù)76.20 cm的閥門的情況進(jìn)行分析，具體如表5[3]所示。

表5 35.36 cm+76.20 cm閥門關(guān)閉水錘壓力情況

根據(jù)對(duì)模型的多次模擬分析，在初步關(guān)閥時(shí)間為30 s時(shí)，管路中的水錘壓力均小于管路系統(tǒng)中最大允許水錘壓力2.128 MPa，一般不會(huì)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象破壞管路，滿足FPSO壓載水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。

4 貨油系統(tǒng)水錘效應(yīng)優(yōu)化及防護(hù)

根據(jù)貨油管路系統(tǒng)的分析，在直線關(guān)閉情況下只有工況2的水錘最大壓力大于管路系統(tǒng)中最大允許水錘壓力2.128 MPa，需進(jìn)行優(yōu)化處理[3]。

4.1 延長(zhǎng)閥門關(guān)閉時(shí)間

在工況2中，從延長(zhǎng)閥門初關(guān)閥時(shí)間入手，將76.20 cm的閥門關(guān)閥時(shí)間從30 s延長(zhǎng)至60 s對(duì)其進(jìn)行分析，如圖3和表6所示。

圖3 貨油系統(tǒng)閥門30 s關(guān)閉與60 s關(guān)閉

表6 2種關(guān)閥時(shí)間下76.20 cm閥門對(duì)應(yīng)的水錘壓力

多次分析結(jié)果表明，當(dāng)76.20 cm的閥門延長(zhǎng)至60 s關(guān)閉時(shí)，其最大水錘壓力相對(duì)于30 s關(guān)閉有明顯的降低，但只有管路中所有76.20 cm的閥門全部關(guān)閉時(shí)最大水錘壓力才能達(dá)2.075 MPa，小于貨油管路系統(tǒng)的最大允許水錘壓力2.128 MPa，在其余關(guān)閥情況下依舊大于允許的水錘壓力。

在規(guī)定關(guān)閥時(shí)間內(nèi)繼續(xù)延長(zhǎng)管路系統(tǒng)的閥門關(guān)閉時(shí)間，將閥門關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)至90 s，如圖4和表7 所示。

圖4 90 s關(guān)閥曲線

表7 3種關(guān)閥時(shí)間下76.20 cm閥門對(duì)應(yīng)的水錘壓力

由分析所知，當(dāng)76.20 cm的閥門關(guān)閉時(shí)間為30 s時(shí)，最大水錘壓力均大于貨油管路系統(tǒng)的最大允許水錘壓力。當(dāng)關(guān)閉時(shí)間從30 s延長(zhǎng)至90 s時(shí)，管網(wǎng)分析發(fā)現(xiàn)最大水錘壓力比60 s關(guān)閥有了較好的改善，在只剩關(guān)閉1個(gè)閥門的工況下，管路最大水錘壓力依舊超過(guò)管路中的許用水錘壓力，其余工況均已滿足設(shè)計(jì)要求，得到了明顯的優(yōu)化及防護(hù)。

4.2 兩階段關(guān)閉優(yōu)化

在進(jìn)行模型瞬態(tài)分析時(shí)，需計(jì)算閥門所需的流量系數(shù)Cv，設(shè)置隨時(shí)間變化閥門控制的開(kāi)度。

(5)

式中：dL為閥門流道直徑；K為阻力系數(shù)。

根據(jù)式(5)計(jì)算所需閥門Cv值，如表8所示。

表8 貨油系統(tǒng)閥門對(duì)應(yīng)Cv值

在工況2中，不改變76.20 cm閥門的初關(guān)閥時(shí)間，仍為30 s關(guān)閉，對(duì)其進(jìn)行兩階段關(guān)閥[10]，即快速關(guān)閉80°、緩慢關(guān)閉20°，在此關(guān)閉工況下兩階段對(duì)應(yīng)的使用時(shí)間和Cv值如表9和圖5所示。

表9 76.20 cm閥門兩階段關(guān)閥時(shí)間和Cv值

圖5 貨油系統(tǒng)76.20 cm閥門兩階段關(guān)閉曲線

兩階段關(guān)閥對(duì)應(yīng)的水錘壓力如表10所示。

表10 76.20 cm閥門對(duì)應(yīng)的水錘壓力(兩階段關(guān)閥)

由分析可知，當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)間不變，關(guān)閉曲線改為兩階段關(guān)閥時(shí)，管路中水錘壓力從均大于貨油管路系統(tǒng)的最大允許水錘壓力變?yōu)榫∮谧畲笤试S水錘壓力，已滿足貨油管路的設(shè)計(jì)要求。

4.3 調(diào)壓塔優(yōu)化及防護(hù)

在對(duì)工況2進(jìn)行分析時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)模型的多次模擬仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管路中76.20 cm的閥門關(guān)閉時(shí)，在泵后安裝調(diào)壓塔可對(duì)管路中水錘壓力起到優(yōu)化及防護(hù)的作用。調(diào)壓塔安裝位置如圖6所示。

圖6 貨油系統(tǒng)管路調(diào)壓塔安裝處

管路中最大水錘壓力分析結(jié)果如表11所示。

表11 76.20 cm閥門對(duì)應(yīng)的水錘壓力(增加調(diào)壓塔)

由模型分析可知，當(dāng)管路通過(guò)調(diào)壓塔進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，管路中水錘壓力均小于貨油管路系統(tǒng)中最大允許水錘壓力2.128 MPa，已滿足貨油管路的設(shè)計(jì)要求，使用調(diào)壓塔對(duì)管路系統(tǒng)水錘效應(yīng)有較好的優(yōu)化及防護(hù)作用。

5 結(jié) 論

采用動(dòng)態(tài)流體分析軟件AFT Impulse，根據(jù)貨油系統(tǒng)的預(yù)期最壞工況，選取左舷1艙至卸載站的貨油管路，進(jìn)行關(guān)閥工況設(shè)置，并提出相應(yīng)防護(hù)措施。

經(jīng)過(guò)對(duì)貨油管路系統(tǒng)的分析，對(duì)其產(chǎn)生水錘的工況分別進(jìn)行延長(zhǎng)關(guān)閥時(shí)間、兩階段關(guān)閥和增加調(diào)壓塔優(yōu)化及防護(hù)措施，這3種優(yōu)化及防護(hù)措施對(duì)抑制管路中水錘壓力都有較好的效果。

與延長(zhǎng)時(shí)間直線關(guān)閥相比，使用兩階段關(guān)閥和增加調(diào)壓塔的優(yōu)化及防護(hù)措施能在總關(guān)閥時(shí)間相同的情況下，大幅降低管路中最大水錘壓力，進(jìn)一步縮短閥門總關(guān)閥時(shí)間、提高工程效率[3]。

增加調(diào)壓塔的優(yōu)化及防護(hù)措施，與其他措施相比對(duì)于降低管路水錘壓力有更明顯和直觀的效果。