原油碼頭管道輸送水擊問(wèn)題的研究與分析

趙振智，王為民，李衛(wèi)衛(wèi)，鄭翔文，王有龍

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

管道在輸送油品過(guò)程中，常常因?yàn)楦鞣N原因引起管內(nèi)流速發(fā)生突然的變化，如調(diào)節(jié)輸量、管道泄漏以及停泵、啟泵等都會(huì)引起流速變化，從而使管內(nèi)壓力急劇的變大或變小。這種現(xiàn)象叫做水擊（水錘）。水錘產(chǎn)生的高壓是正常工作情況下的幾十倍，甚至百倍。另外還會(huì)產(chǎn)生超高的負(fù)壓。幾十倍的高壓可導(dǎo)致管道系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)、噪聲；閥門破壞，管件接頭破損、斷裂等后果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起管道爆裂。因此為確保管道安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，需要對(duì)管道輸送時(shí)的水利工況進(jìn)行分析[1,2]。

大連長(zhǎng)興島30萬(wàn)t原油碼頭卸船、原油庫(kù)區(qū)裝船時(shí)，由于管線最高點(diǎn)高于油罐的最高液位（管線高點(diǎn)標(biāo)高為52 m，油罐底標(biāo)高最高30 m，儲(chǔ)存最高液位為19.2 m，最高液位僅達(dá)到49.2 m，也沒(méi)有超過(guò)高點(diǎn)管線標(biāo)高），因此高點(diǎn)處的油會(huì)流到泄壓罐中，并且考慮到管線如果充滿高凝點(diǎn)油，需要送入伴熱，因此管線的“死段”將造成管線憋壓。如果管線出現(xiàn)空管線或憋壓的情況，都會(huì)出現(xiàn)水利工況異常的現(xiàn)象，發(fā)生水擊，這將嚴(yán)重影響高凝點(diǎn)油的安全操作管理。發(fā)油結(jié)束后，關(guān)閉兩端的閥門，管內(nèi)會(huì)滯留一部分原油，隨著日光、氣溫的不斷變化，原油會(huì)隨著不斷的收縮或膨脹產(chǎn)生壓力。壓力的變化會(huì)使管道內(nèi)再一次的產(chǎn)生空洞，當(dāng)下一次輸送油品時(shí)便會(huì)產(chǎn)生水擊。因此有必要對(duì)大型原油儲(chǔ)庫(kù)管線系統(tǒng)水利工況進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，找到避免管線系統(tǒng)發(fā)生水擊現(xiàn)象的方法和措施，確保管線正常平穩(wěn)的運(yùn)行。

1 水擊產(chǎn)生的原因

水擊產(chǎn)生的原因很多，例如；閥門的動(dòng)作、空管道或含氣管道填、泵的動(dòng)力故障、管道的事故堵塞或泄漏、負(fù)壓波時(shí)產(chǎn)生的空泡潰滅等[3]。卸船作業(yè)是由船方啟泵，通過(guò)碼頭輸油臂、工藝閥門、輸油管線進(jìn)入到原油罐區(qū)，在這種作業(yè)模式下，可能出現(xiàn)高點(diǎn)管線局部空線，這樣很容易產(chǎn)生水擊[4]，因此原油庫(kù)產(chǎn)生水擊的原因主要有以下幾點(diǎn)：

(1)在開始到卸船作業(yè)前，船方及碼頭、庫(kù)區(qū)崗位需導(dǎo)通卸油流程，即從船艙裝卸口處至庫(kù)區(qū)流程全部暢通。此時(shí)，即使整條管線開始處于全滿狀態(tài)，在導(dǎo)通流程的過(guò)程中，管線高點(diǎn)處的油會(huì)流向庫(kù)區(qū)收油罐，造成高點(diǎn)處的管線空線。

(2)一條卸油船有時(shí)配載不同的油種，每票油種卸完后在換其他油種時(shí)，需要先停船泵，然后再切換船方和庫(kù)區(qū)收油罐的流程，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中也會(huì)造成高點(diǎn)出的管線空線的情況。

(3)每票油種收尾作業(yè)時(shí)，由于此時(shí)船泵排量很小，有時(shí)僅有幾倍立方米/小時(shí)，也有可能造成碼頭至收油罐之間的管線空線。

(4)卸船作業(yè)全部結(jié)束時(shí)，由于是先停船，然后再關(guān)閉相應(yīng)閥門，存在時(shí)間差，也會(huì)造成高點(diǎn)處流向收油罐加船方管線中（類似于第一種情況）。

(5)其他特殊情況。當(dāng)油船突然發(fā)生停泵等意外情況時(shí)，都會(huì)造成高點(diǎn)出油流向收油罐中，從而引起水擊。對(duì)于裝船也同樣會(huì)造成管線空線，原因類似于卸船的第1、3、4情況。

2 水擊的危害

管道內(nèi)產(chǎn)生不穩(wěn)定流造成的水擊現(xiàn)象通常會(huì)引起以下四種嚴(yán)重后果：

(1)管道充裝。由于穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)摩阻損失引起的壓力坡降的存在，在管道水力瞬變過(guò)程中，增壓波前鋒經(jīng)過(guò)后，管道容積和管內(nèi)壓力繼續(xù)增加的過(guò)程為管道充裝。管道充裝形成的超高壓對(duì)管道有很大的損害作用。

(2)液柱分離。水擊產(chǎn)生的超低壓波可使溶解在液體中的氣體釋放出來(lái)，當(dāng)超低壓降低到液相的飽和蒸汽壓時(shí)，管內(nèi)會(huì)逸出大量氣體，進(jìn)而形成很長(zhǎng)的氣穴。超低壓能使管道變癟，壓迫管道。

(3)振動(dòng)。水擊最嚴(yán)重時(shí)引起的是振動(dòng)，當(dāng)流體產(chǎn)生的壓力波與管道設(shè)備的固有頻率接近相等時(shí)或壓力波周期性的撞擊管道時(shí)，所引起的振動(dòng)非常劇烈，對(duì)管道的損傷極為嚴(yán)重。

(4)噪聲等。

3 水擊波的水擊壓力和速度計(jì)算

（1）水擊波的傳播速度。水擊所產(chǎn)生的壓力波的傳播速度取決于液體的壓縮性和管壁的彈性，關(guān)系式為[5]

式中：c — 壓力被傳播速度,m/s;

ρ —液體的密度,g/m3;

K —液體的體積模量,Pa;

E —管材彈性模量,Pa;

d —管道內(nèi)徑,m;

d —管壁厚度,m;

D —管道內(nèi)徑,m。

(2)水擊波的沖擊壓力。當(dāng)液體流速變化時(shí)（管線截?cái)嗵庨y門突然關(guān)閉），管道的壓力發(fā)生急劇的變化，這種壓力會(huì)發(fā)生在管道的低洼處和正常運(yùn)行時(shí)的高壓段。

根據(jù)茹科夫斯基H E公式，可計(jì)算出流速變化所引起的壓力變化值[6]：

式中 :r—油品密度, g/m3;

c—水擊波的傳播速度, m/s。

例如流體的流速為4 m/s，突然關(guān)閉閥門時(shí)產(chǎn)生的水擊為：

若管道內(nèi)油品為汽油時(shí)，短時(shí)間的壓力可達(dá)到3 MPa。此壓力就可以使管道爆裂。

(3)水擊膨脹壓的計(jì)算：發(fā)油結(jié)束后，兩端閥門關(guān)閉，油品被滯留在管內(nèi)，由于日照和氣溫的變化，油品將隨著膨脹或收縮。由于溫度所引起的壓力變化，管內(nèi)的壓力可由下式計(jì)算[7]:

式中：αT——液體溫度膨脹系數(shù)，石油類 aL=(1 000～750 )′ 10-6℃；

αp——管材三維溫度膨脹系數(shù)，鋼管 ap=36 ′10-6℃；

K——液體等溫壓縮系數(shù)，煤油 k = 7 1 ′ 1 0-6M P a-1；

Dq ——溫差；

D——管徑，cm；

d——壁厚，cm；

E——管材彈性模量，MPa。

由公式可以計(jì)算出，膨脹時(shí)，當(dāng)外界溫度升高1 ℃柴油的膨脹壓力為0.736～0.792 MPa油的膨脹壓力為0.603～0.649 MPa縮時(shí)，油品收縮形成的空洞的體積由下式計(jì)算[7]:

收縮時(shí)，溫度變化1 ℃時(shí)，油品的體積收縮約為 ，也就是說(shuō)1 000 m長(zhǎng)的管路，將有1 m長(zhǎng)的空洞發(fā)生?？斩幢惚皇驼羝腿芙鈿馑錆M，并形成液柱分離。這時(shí)若再輸原油便會(huì)形成水擊。

4 水擊的防護(hù)措施

由于水擊產(chǎn)生的主要原因是受泵的揚(yáng)程、管道的長(zhǎng)度、流速、閥門等相關(guān)因素的影響，所以在實(shí)際運(yùn)行時(shí)應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、管理三方面來(lái)預(yù)防水擊。

4.1 設(shè)計(jì)階段

(1)安裝飛輪。泵安裝飛輪的目的是增大泵的慣性，泵的回轉(zhuǎn)慣性和能量相應(yīng)就會(huì)增大，進(jìn)而泵的回轉(zhuǎn)速率、壓力和流量均減小。

(2)改變管路的形狀。將管道設(shè)計(jì)成均勻上升且略向下凹的平緩線路，就可避免出現(xiàn)負(fù)壓，確保水擊的安全。

(3)設(shè)置脹油管。于外界溫度變化管內(nèi)的油品會(huì)發(fā)生膨脹，油品便通過(guò)脹油管進(jìn)入罐內(nèi)，從而避免管內(nèi)壓力的上升；反之，油品從罐內(nèi)注入管內(nèi)就不會(huì)形成空洞。

(4)水擊波攔截。管道的中間站停泵，輸油管道的上游將會(huì)產(chǎn)生增壓，下游產(chǎn)生低壓。對(duì)此對(duì)上下游采取停泵的措施，這樣形成的新水擊波可以與中間站的水擊波相互疊加，達(dá)到相互取消進(jìn)而攔截了水擊波。

(5)自動(dòng)泄壓保護(hù)。油管道難免會(huì)產(chǎn)生超低壓波或超高壓波，這種現(xiàn)象對(duì)管道的破壞性及其嚴(yán)重。因此輸油管道的泵站均應(yīng)安裝自動(dòng)泄壓罐，當(dāng)泵入口壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，泵入口泄壓閥自動(dòng)開啟使一部分原油流入泄壓閥，從而使壓力降低至正常值；當(dāng)泵入口壓力小于設(shè)定值時(shí)，泵出口泄壓閥自動(dòng)開啟將部分原油流入泵入口，從而將壓力升高至正常值。當(dāng)進(jìn)出站壓力恢復(fù)到正常壓力時(shí)，泄壓閥自動(dòng)關(guān)閉，管道正行運(yùn)行。

(6)自動(dòng)調(diào)節(jié)保護(hù)。輸油管道遇到超低壓水擊時(shí)管道的運(yùn)行參數(shù)會(huì)接近設(shè)計(jì)值，調(diào)節(jié)閥會(huì)根據(jù)管道的壓力進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)，從而保證了管道的平穩(wěn)、安全運(yùn)行。

(7)順序停泵。管道或者泵站的運(yùn)行參數(shù)已經(jīng)嚴(yán)重超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，管道必須采取停泵的措施。針對(duì)輸油管道不同的運(yùn)行工況要求，建立起正確的停泵順序可以保證管道在不平穩(wěn)的順便過(guò)程中安全的運(yùn)行。

4.2 施工階段

施工的好壞對(duì)于設(shè)計(jì)的結(jié)果和工程的運(yùn)行有著很大的影響。施工過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)圖紙、施工方法和工藝的相關(guān)規(guī)定的要求進(jìn)行施工。在施工過(guò)程中，一定要杜絕為了節(jié)省施工成本而減少管壁厚度、更換不合格的閥門等相關(guān)的違規(guī)行為。另外，為了確保施工過(guò)程的安全性，監(jiān)督和建設(shè)單位要嚴(yán)格的依照相關(guān)規(guī)定處理問(wèn)題，切實(shí)履行責(zé)任，把技術(shù)質(zhì)量放到第一位。

4.3 管理階段

在實(shí)際的運(yùn)行管理中，水擊的發(fā)生主要是由于員工的操作不當(dāng)、管道系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行所引起的，因此在管道運(yùn)行中很有必要對(duì)管道進(jìn)行加強(qiáng)管理，避免水擊的發(fā)生。

(1)工作前，要對(duì)員工進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)培訓(xùn)、教育指導(dǎo)，使員工能夠嚴(yán)格的按照規(guī)定進(jìn)行運(yùn)行操作。

(2)定期的為運(yùn)行管道進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)、清理和檢修以及除去管道內(nèi)的雜質(zhì)，從而減小雜質(zhì)對(duì)管道運(yùn)行帶來(lái)的影響。

(3)啟泵時(shí)應(yīng)該將管內(nèi)的空氣除去，打開泵出口處的所有閥門，然后在啟動(dòng)泵。 若在空管線啟動(dòng)泵，程序操作如下：首先泵的出口閥門應(yīng)打開 15%～30%，然后啟動(dòng)泵，待管道充滿油時(shí)在將閥門打開到相應(yīng)的開度。

例如對(duì)于水擊波的攔截保護(hù)，在管道實(shí)際運(yùn)行管理中，將水擊攔截保護(hù)方案的相關(guān)規(guī)定措施輸入到SCADA系統(tǒng)中。對(duì)于調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)保護(hù)，調(diào)節(jié)閥的入口壓力設(shè)計(jì)值、泄壓閥的出口壓力設(shè)計(jì)值和順序停泵的進(jìn)出口壓力設(shè)計(jì)值都必須由專門控制運(yùn)行參數(shù)的管理操作人員來(lái)提供完成。為了確保通信技術(shù)可靠、自動(dòng)控制設(shè)備的準(zhǔn)確性，在輸油管道的運(yùn)行管理過(guò)程中要準(zhǔn)確的掌握水擊工況的相應(yīng)參數(shù)。

5 結(jié) 論

離輸油管道的水擊現(xiàn)象的發(fā)生在所難免，危害性及其嚴(yán)重。因此針對(duì)大連長(zhǎng)興島原油碼頭卸船、原油庫(kù)裝船時(shí)產(chǎn)生的水擊必須嚴(yán)格控制，通過(guò)實(shí)際情況分析了大連長(zhǎng)興島碼頭油船產(chǎn)生水擊的原因、水擊的危害以及水擊的波速和在不同工況條件下水擊沖擊壓力的計(jì)算公式。最后提出了從設(shè)計(jì)、施工、管理三個(gè)階段來(lái)進(jìn)行避免水擊的發(fā)生。對(duì)于員工一定要嚴(yán)格的遵守操作的相關(guān)規(guī)定，將水擊的發(fā)生和危害性降低到最小。

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