輸油管道瞬變水擊研究

孫 昭 洋

（遼河石油勘探局油田建設(shè)工程二公司 管道安裝二分公司， 遼寧 盤錦 124012）

輸油管道瞬變水擊研究

孫 昭 洋

（遼河石油勘探局油田建設(shè)工程二公司 管道安裝二分公司， 遼寧 盤錦 124012）

針對(duì)輸油管道瞬變水擊產(chǎn)生的原因，從所產(chǎn)生的增壓波和減壓波分別對(duì)上下游流動(dòng)的影響兩方面分析了水擊對(duì)輸油管路帶來(lái)的危害，并結(jié)合調(diào)節(jié)閥保護(hù)、壓力保護(hù)系統(tǒng)與增強(qiáng)自動(dòng)控制系統(tǒng)保護(hù)能力等簡(jiǎn)述了減小水擊壓力對(duì)管道危害的幾種措施，得出采取有效的管路壓力保護(hù)系統(tǒng)對(duì)輸油管道安全運(yùn)行具有重要意義。

瞬變流動(dòng)；水擊壓力；水擊波；輸油管路

隨我國(guó)原油及成品油長(zhǎng)距離管道的高速發(fā)展，瞬變流動(dòng)對(duì)輸油管道的影響不僅局限于短距離的集輸管路，對(duì)于需常年處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況的長(zhǎng)輸管道影響更大。管道的瞬變流動(dòng)會(huì)造成管路的壓力突變，從而在沿線產(chǎn)生瞬變壓力，影響管道的正常運(yùn)行。研究輸油管道的瞬變水擊壓力變化的產(chǎn)生原因，水擊壓力對(duì)管路運(yùn)行工藝設(shè)施的影響以及防止或減小水擊危害的方法，對(duì)輸油管道的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行有重要意義。

1 瞬變水擊產(chǎn)生的原因

壓力管路中的瞬變流動(dòng)為非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，即流動(dòng)過程中因不同原因造成管路中的點(diǎn)流速和壓力不僅與在管路的位置有關(guān)，同時(shí)也與時(shí)間有關(guān)，引起管路瞬變流動(dòng)的原因主要為兩類：計(jì)劃調(diào)節(jié)和事故引發(fā)的壓力突變[1]。計(jì)劃調(diào)節(jié)為人為的有計(jì)劃的調(diào)整流量（如泵站的啟停泵、泵機(jī)組的調(diào)整、改變中間站的運(yùn)行參數(shù)等）和有計(jì)劃的改變輸油流程（如管道分支線路的啟停、管道首末站倒換油罐、中途分油和集油等），以及在順序輸送管道中，兩種不同油品的交替運(yùn)行過程中也會(huì)產(chǎn)生瞬變流動(dòng)。事故也會(huì)引起輸量變化，比如輸油管道泵站突然斷電造成泵的突然停止運(yùn)行、泵機(jī)組因使用年限較長(zhǎng)或其他原因造成輸油泵停機(jī)、輸油管線上各種閥門突然失靈造成的緊急關(guān)閉、管路的泄漏造成壓力和輸量的變化等，事故引起的瞬變流動(dòng)一般具有隨機(jī)性較大、突發(fā)幾率較大的特點(diǎn)，需要更為快捷、有效的防控措施。

2 瞬變水擊對(duì)輸油管路工藝的危害

管路的瞬變流動(dòng)以瞬變壓力的形式傳播，并以水擊波的形式同時(shí)從發(fā)生點(diǎn)向上、下游同時(shí)傳播，而上游傳播的為增壓波、下游傳播的為減壓波，不同的波的形式傳遞的能量形式不同，對(duì)管道產(chǎn)生的影響也不同，當(dāng)疊加壓力超過管道可以承受的條件時(shí)，可能會(huì)對(duì)管道造成嚴(yán)重影響，甚至影響輸油的正常進(jìn)行（圖1）。

圖1 水擊壓力波傳播圖Fig.1 Water hammer pressure wave propagation

2.1 增壓波對(duì)上游管線及設(shè)備的影響

管道的瞬間堵塞或者部分堵塞會(huì)向管道上游傳遞增壓波，同時(shí)與上游較高壓力疊加引起管輸流體壓力升高，同時(shí)增壓波的出現(xiàn)不會(huì)使管內(nèi)流體停滯，只會(huì)對(duì)流動(dòng)起到一定阻滯作用，使流速在一定范圍內(nèi)減小。流體繼續(xù)向前流動(dòng)，會(huì)造成管道的充裝，使臨近堵塞點(diǎn)處管道壓力上升，且離堵塞點(diǎn)越近處壓力越高，最高達(dá)到或者臨近上游泵站的出站壓力。由于高壓波所造成的壓力增加與充裝壓力、管道穩(wěn)態(tài)剩余壓力的疊加可能是管道的瞬時(shí)壓力大于允許壓力，造成管道脹破事故的發(fā)生[2]。壓力波在油中以1 000～1 200 m/s的速度傳播，在長(zhǎng)輸管道中傳播過程不會(huì)瞬間完成。當(dāng)壓力波到達(dá)上游泵站時(shí)[3]，使得泵的輸送能力下降，引起排量減小、揚(yáng)程上升，使泵的進(jìn)站壓力上升造成泵的出站壓力上升，會(huì)使泵站進(jìn)一步向下游充裝，此時(shí)有可能會(huì)造成泵站出口管道壓力過高而產(chǎn)生破壞。

2.2 減壓波對(duì)下游管線及設(shè)備的影響

向下游管道傳遞的減壓波會(huì)使流過處壓力降低，壓差減小，流速降低[4]，在減壓波未到達(dá)的地方，流體仍以穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。當(dāng)相互接觸時(shí)，所產(chǎn)生的速度差會(huì)使流體的流速降低。當(dāng)管輸流體受到減壓波作用使管內(nèi)壓力低于溶解氣的飽和壓力時(shí)，液體內(nèi)的溶解氣就會(huì)因飽和而析出，當(dāng)壓力進(jìn)一步下降低于液體的飽和蒸汽壓時(shí)，管內(nèi)流體就會(huì)氣化，產(chǎn)生蒸汽。所產(chǎn)生的蒸汽與溶解氣泡結(jié)合，會(huì)形成較大的氣團(tuán)在管內(nèi)流動(dòng)，且在兩液柱相遇時(shí)可能產(chǎn)生高壓。當(dāng)氣體越聚越多時(shí)，隨管道流動(dòng)氣體會(huì)向高處推移，會(huì)形成液柱分離現(xiàn)象，使管內(nèi)流體流態(tài)發(fā)生較大變化，對(duì)管輸穩(wěn)態(tài)流動(dòng)造成較大影響，甚至產(chǎn)生的低壓使管道壓力過低，引起管道的強(qiáng)度發(fā)生改變。

3 避免瞬變水擊的措施

瞬變流動(dòng)所產(chǎn)生的水擊壓力不僅有可能會(huì)對(duì)管內(nèi)流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)造成影響，也有可能使管道強(qiáng)度發(fā)生破壞，甚至造成較大管道事故的發(fā)生，故采取一定的措施避免或者降低水擊壓力顯得尤為重要。

3.1 采用調(diào)節(jié)閥保護(hù)

通過采用操控方法簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)范圍廣的調(diào)節(jié)閥[5]，設(shè)置自動(dòng)控制裝置來(lái)改變閥門的開度，充分考慮閥門的工作特性與管路工作特性的匹配情況，來(lái)達(dá)到改變開度來(lái)改變管道的摩阻損失從而改變管路特性，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)管路壓力和管輸流體運(yùn)行速度的目的，防止由于進(jìn)站壓力超低或者出站壓力超高造成的管道不正常運(yùn)行工況的發(fā)生。

3.2 注重壓力保護(hù)系統(tǒng)

在長(zhǎng)輸管道密閉輸送液體時(shí)，可采用壓力保護(hù)裝置來(lái)防止管道超壓[6]，從而保護(hù)管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行，具體為：在進(jìn)、出站位置處設(shè)置高、低壓泄壓閥，管道系統(tǒng)壓力發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)使管輸流體自動(dòng)泄壓至泄壓罐中，防止產(chǎn)生較大的水擊危害；對(duì)于泵站進(jìn)站壓力變化范圍小、自動(dòng)控制水平較低的管道，采用回流保護(hù)來(lái)調(diào)整進(jìn)站壓力，維持離心泵的正常運(yùn)行，但此法能量損失較大；當(dāng)泵站吸入壓力超低或出站壓力超高時(shí)可采取泵機(jī)組順序自動(dòng)停運(yùn)的措施，通過人為干預(yù)降低本站提供的能量，減少本站通過能力，可使出站壓力下降，進(jìn)站壓力上升。

3.3 增強(qiáng)自動(dòng)控制系統(tǒng)保護(hù)能力

隨科技的快速發(fā)展，自動(dòng)化控制在油田集輸及長(zhǎng)輸中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，利用管道監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)置點(diǎn)的壓力、溫度、流量等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[7]，通過對(duì)數(shù)據(jù)的掌握充分了解管道的運(yùn)行工況，并且將管道的各閥門開啟與泵工況的啟停與系統(tǒng)緊密聯(lián)系，從而形成整套監(jiān)測(cè)、調(diào)控系統(tǒng)。當(dāng)某站突然停泵或干線閥門突然關(guān)閉時(shí)，調(diào)度中心可下達(dá)水擊保護(hù)命令，采取相應(yīng)的保護(hù)措施，及時(shí)有效的以超前保護(hù)的形式最大限度的保護(hù)管路的安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

由上分析可知，在密閉管路中，引起水擊的因素是多方面的，產(chǎn)生水擊時(shí)增壓波會(huì)對(duì)上游造成管道充裝，而減壓波會(huì)對(duì)下游帶來(lái)液柱分離，因此在盡量減少水擊產(chǎn)生幾率的同時(shí)必須采取有效的管路保護(hù)措施，如調(diào)節(jié)閥保護(hù)、壓力保護(hù)系統(tǒng)及自動(dòng)控制保護(hù)等，以確保管道的穩(wěn)態(tài)安全運(yùn)行。

［1］張青松,趙會(huì)軍,王樹立.長(zhǎng)距離輸油管道水力瞬變特性分析[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2006,17(6):39-41.

［2］A. Bergant, A.R. Simpson, A.S. Tijsseling. Water hammer with column separation: A historical review[J]. Journal of Fluids and Structures, 2006 (22): 135-171.

［3］楊筱蘅.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].中國(guó)石油大學(xué)出版社,2011: 349-366.

［4］王金漢.淺談長(zhǎng)輸管道密閉輸送的水擊保護(hù)與壓力調(diào)節(jié)[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2012,8:253.

［5］張國(guó)忠,元強(qiáng).長(zhǎng)距離輸油管道密閉輸送與壓力調(diào)節(jié)保護(hù)[J].油氣田地面工程,2002,21(2):34-36.

［6］連藝秀,尹明,周喜鋒.輸油管道的瞬變流動(dòng)與控制措施[J].油氣田地面工程,2013,32(6):26-27.

［7］甄潔,張茂林,尚增輝,等.三塘湖輸油管道大落差地區(qū)的水擊保護(hù)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2013,32(1): 101-104.

Research on Pipeline Water Hammer

SUN Zhao-yang
（Liaohe Petroleum Exploration Bureau No.2 Engineering & Construction Company, Liaoning Panjin 124012，China）

Based on the reasons of generating the water hammer in the pipeline running, effects of the water hammer on the upstream and downstream flow were respectively analyzed from the aspects of wave supercharging and wave decompressing. Several measures to reduce water hammer pressure hazards were outlined, such as regulating valve protection, pressure protection system and enhancing the ability of automatic control system protection. So it is very important to take effective line pressure protection system for the safe operation of the pipeline.

Transient flow; Water hammer pressure; Water hammer wave; Pipeline

TE 832

： A

1671-0460（2015）01-0067-02

2014-07-16

孫昭洋（1990-），男，遼寧盤錦人，2012年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：從事管道安裝。E-mail：1006144437@qq.com