海上平臺(tái)復(fù)雜消防水管網(wǎng)的水擊力初步模擬計(jì)算

毛偉志

（海洋石油工程股份有限公司，天津　300451）

海上平臺(tái)復(fù)雜消防水管網(wǎng)的水擊力初步模擬計(jì)算

毛偉志

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

根據(jù)國(guó)內(nèi)某平臺(tái)群的消防水管網(wǎng)實(shí)際布置情況，建立了復(fù)雜消防水管網(wǎng)的PIPENET模型，計(jì)算出了復(fù)雜消防水管網(wǎng)各彎頭處水擊力的大小，并對(duì)典型彎頭處水擊力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了研究及分析。結(jié)果表明海上平臺(tái)群各平臺(tái)消防水環(huán)網(wǎng)間確實(shí)存在相互影響，但發(fā)生火災(zāi)平臺(tái)對(duì)其它平臺(tái)主環(huán)網(wǎng)的水擊力影響不大，工程設(shè)計(jì)中可以不考慮發(fā)生火災(zāi)平臺(tái)對(duì)其它平臺(tái)的影響；平臺(tái)群復(fù)雜管網(wǎng)各彎頭水擊力在雨淋閥啟動(dòng)后2～4 s內(nèi)達(dá)到最大值，隨后呈現(xiàn)振蕩的趨勢(shì)，18 s以后水擊力基本消失。

復(fù)雜消防水管網(wǎng)；水擊力；海上平臺(tái)；PIPENET軟件

在有壓管道中，由于某種原因（如閥門啟閉，換向閥變換工位，水泵機(jī)組突然停車，管道中有氣室等），使水流速度發(fā)生突然變化，同時(shí)引起管道中水流壓力急劇上升或下降的現(xiàn)象，稱為水擊（或水錘）。壓力管道系統(tǒng)的水擊現(xiàn)象是一種典型的有壓管道非恒定流問(wèn)題。水錘引起的壓強(qiáng)升高，可達(dá)管道正常工作壓強(qiáng)的幾十倍至數(shù)百倍。另外，還會(huì)使管內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓。壓強(qiáng)大幅波動(dòng)，可導(dǎo)致管道系統(tǒng)強(qiáng)烈振動(dòng)、產(chǎn)生噪聲，造成閥門破壞、管件接頭破裂、斷開(kāi)，甚至管道炸裂等重大事故［1］。雖然對(duì)于水擊力計(jì)算的研究已經(jīng)有100多年的歷史，但是對(duì)于海上平臺(tái)消防水管網(wǎng)的水擊力計(jì)算研究并不是很多。隨著近年來(lái)海洋工程的迅猛發(fā)展，平臺(tái)群越來(lái)越多地出現(xiàn)，中心平臺(tái)與井口平臺(tái)由棧橋連接，井口平臺(tái)的消防水由中心平臺(tái)的消防泵提供，因此對(duì)于水擊力的計(jì)算要綜合考慮中心平臺(tái)及井口平臺(tái)消防水管網(wǎng)的相互影響，這大大增加了水擊力計(jì)算的難度，并且工況考慮將更加復(fù)雜。本文利用PIPENET軟件［2］，對(duì)中心平臺(tái)與井口平臺(tái)通過(guò)棧橋連接的復(fù)雜消防水管網(wǎng)的水擊力進(jìn)行了初步的模擬計(jì)算及研究，為海上平臺(tái)群復(fù)雜消防水管網(wǎng)水擊力計(jì)算的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

1　海上平臺(tái)群消防水系統(tǒng)

平臺(tái)水消防系統(tǒng)主要是由消防泵、消防主管網(wǎng)、軟管站、消防軟管站、噴淋閥、水噴淋系統(tǒng)等幾部分組成［3］。對(duì)于平臺(tái)群而言，井口平臺(tái)的消防水系統(tǒng)往往由中心平臺(tái)支持，中心平臺(tái)與井口平臺(tái)由棧橋連接，中心平臺(tái)的消防泵為中心平臺(tái)及井口平臺(tái)消防水主環(huán)網(wǎng)提供消防水。平臺(tái)群消防水系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1　平臺(tái)群消防水系統(tǒng)示意Fig.1　Structure of firefighting system of offshare p1atform

2　PIPENET水擊力模型模擬計(jì)算

2.1水擊力模型建模

以國(guó)內(nèi)某平臺(tái)群的實(shí)際工程為例，中心平臺(tái)（CEP平臺(tái)）與井口平臺(tái)（WHPA）平臺(tái)通過(guò)棧橋連接，CEP平臺(tái)上的消防泵A及消防泵B為CEP平臺(tái)及WHPA平臺(tái)的消防環(huán)網(wǎng)供水，且兩消防泵互為備用。當(dāng)CEP平臺(tái)上某區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時(shí)，該區(qū)域的火焰探頭探測(cè)到火災(zāi)并反饋到中控系統(tǒng)，這時(shí)該區(qū)域的雨淋閥開(kāi)啟對(duì)火災(zāi)區(qū)域進(jìn)行噴淋，消防環(huán)網(wǎng)內(nèi)的壓力下降，消防泵啟動(dòng)。同時(shí)CEP平臺(tái)及WHPA平臺(tái)消防水管網(wǎng)中的水流速度均發(fā)生遞變，將產(chǎn)生較大的水擊力。同樣，WHPA平臺(tái)上某火區(qū)發(fā)生火災(zāi)后，火災(zāi)區(qū)域的雨淋閥及消防泵也先后啟動(dòng)，CEP平臺(tái)及WHPA平臺(tái)消防水管網(wǎng)也將產(chǎn)生較大的水擊力［4］。下面應(yīng)用PIPENET 1.6瞬態(tài)模塊對(duì)上述2種工況進(jìn)行模擬，并進(jìn)行比較分析。

管線的材質(zhì)、長(zhǎng)度、走向及消防泵、雨淋閥的布置等均根據(jù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況輸入，消防泵的特性曲線及雨淋閥的參數(shù)均來(lái)源于實(shí)際的廠家資料。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及實(shí)際情況，雨淋閥取5 s完全開(kāi)啟（12″閥），消防泵啟動(dòng)時(shí)間取21 s（實(shí)際情況可能稍慢）。根據(jù)上述情況建立模型如圖2所示。

圖2 平臺(tái)群復(fù)雜消防水管網(wǎng)PIPENET模型Fig.2　PIPENET mode1 for hammer ca1cu1ation of comp1icated firefighting pipe1ine networks of p1atforms

2.2計(jì)算結(jié)果及分析

結(jié)果表明，對(duì)于WHPA平臺(tái)及CEP平臺(tái)分別發(fā)生火災(zāi)的工況，CEP平臺(tái)及WHPA平臺(tái)消防水主環(huán)網(wǎng)各個(gè)彎頭處均產(chǎn)生了水擊力，并且很多的彎頭處產(chǎn)生了極大的水擊力，典型計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

表1WHPA平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)PIPENET計(jì)算輸出結(jié)果Tab.1　Cacu1ation resu1ts by PIPENET software when WHPA p1atform was on fire

表2CEP平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)PIPENET計(jì)算輸出結(jié)果Tab.2　Cacu1ation resu1ts by PIPENET software when CEP p1atform was on fire

由表1、表2可以看出，CEP及WHPA的消防水主環(huán)網(wǎng)確實(shí)存在著相互影響，無(wú)論是CEP平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)（CEP-DVS-6007雨淋閥開(kāi)啟）還是WHPA平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)（WHPA-DVS-6002雨淋閥開(kāi)啟），整個(gè)復(fù)雜管網(wǎng)均產(chǎn)生了巨大的水擊力。其中CEP平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，CEP主環(huán)網(wǎng)的水擊力最大值為30 110 N，WHPA主環(huán)網(wǎng)的水擊力最大值為10 199 N，棧橋管線水擊力最大值為15 253 N；而WHPA平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，CEP主環(huán)網(wǎng)的水擊力最大值為26 603 N，WHPA主環(huán)網(wǎng)的水擊力最大值為10 429 N，棧橋管線水擊力最大值為16 902 N。其中，WHPA平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，對(duì)CEP平臺(tái)主環(huán)網(wǎng)的水擊力影響不是很大，其水擊力的數(shù)值一般小于CEP平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)的工況；CEP平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，對(duì)WHPA平臺(tái)主環(huán)網(wǎng)的水擊力影響不是很大，其水擊力的數(shù)值一般小于WHPA平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)的工況。另外，對(duì)于消防泵A啟動(dòng)及消防泵B啟動(dòng)兩種工況，各個(gè)彎頭處的水擊力大小變化不大。

該平臺(tái)群消防水主環(huán)網(wǎng)產(chǎn)生水擊的原因?yàn)?，由于消防泵和雨淋閥開(kāi)啟的時(shí)間差，導(dǎo)致了消防主管網(wǎng)內(nèi)的壓力迅速下降（由于穩(wěn)壓流量很小，當(dāng)雨淋閥完全開(kāi)啟之后，穩(wěn)壓流量可以忽略不計(jì)，管網(wǎng)不能再保持恒定壓力），位于消防主管網(wǎng)最高點(diǎn)的壓力可能下降到海水的飽和蒸汽壓以下，在管段內(nèi)形成氣蝕，當(dāng)消防泵達(dá)到額定狀態(tài)，管網(wǎng)內(nèi)壓力升高時(shí)，氣泡破裂，管網(wǎng)內(nèi)就產(chǎn)生了較大的瞬間壓力。對(duì)于上述模擬計(jì)算水擊力最大值的產(chǎn)生點(diǎn)為較長(zhǎng)的管段（F13/F14、B38/B40）及垂直管段底部（F45）。水擊壓力與管線長(zhǎng)度有關(guān)，且主環(huán)網(wǎng)管線長(zhǎng)度均小于一個(gè)水擊波的波長(zhǎng)，這樣管線越長(zhǎng)，則水擊力也會(huì)相應(yīng)變大［5］；對(duì)于垂直管段，由于管網(wǎng)內(nèi)壓力變化劇烈，垂直方向上形成了重力流，從而形成了氣蝕，使得垂直管段底部水擊壓力較大。

根據(jù)上述分析結(jié)果，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，可以采用在水擊力較大的管段增加泄壓閥、緩沖設(shè)施等自動(dòng)保護(hù)裝置［6］，以及增加固定支架等措施來(lái)優(yōu)化平臺(tái)群消防水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)。

CEP平臺(tái)主環(huán)網(wǎng)、WHPA平臺(tái)主環(huán)網(wǎng)及棧橋的幾個(gè)典型代表彎頭處的水擊壓力變化結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可以看出，復(fù)雜管網(wǎng)各彎頭水擊力的變化趨勢(shì)基本相同，在雨淋閥啟動(dòng)后2～4 s水擊力達(dá)到最大值，隨后呈現(xiàn)振蕩的趨勢(shì)，18 s以后基本趨于平衡，水擊力基本消失。

圖3WHPA平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)工況典型彎頭處水擊力變化Fig.3　Water hammer at typica1 e1bows of comp1icated firefighting pipe1ine networks when the WHPA p1atform was on fire

圖4　CEP平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)工況典型彎頭處水擊力變化Fig.4　Water hammer at typica1 e1bows of comp1icated firefighting pipe1ine networks when the CEP p1atform was on fire

3　結(jié)論

（1）海上平臺(tái)群各個(gè)平臺(tái)消防水主環(huán)網(wǎng)的水擊力存在著相互影響，但發(fā)生火災(zāi)平臺(tái)對(duì)其它平臺(tái)主環(huán)網(wǎng)的水擊力影響不大，工程設(shè)計(jì)中可以不考慮發(fā)生火災(zāi)平臺(tái)對(duì)其它平臺(tái)的影響。

（2）平臺(tái)群復(fù)雜管網(wǎng)各彎頭水擊力的變化趨勢(shì)基本相同，基本上是在雨淋閥啟動(dòng)后2～4 s水擊力達(dá)到最大值，隨后呈現(xiàn)振蕩的趨勢(shì)，18 s以后基本趨于平衡，水擊力基本消失。

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Preliminary simulation calculation of water hammer of complicated firefighting pipeline networks in offshore platforms

MAO Wei-zhi
（China Offshore Oil Engineering Company，Tianjin 300451，China）

According to the 1ayout of fire-fighting pipe1ine networks of a domestic offshore p1atform，a PIPENET mode1 was bui1t to ca1cu1ate water hammer of comp1icated firefighting pipe1ine networks e1bows，the ca1cu1ation resu1ts for some typica1 e1bows were studied and ana1yzed.The resu1ts showed that a1though there existed mutua1 inf1uence among the fire water ring mains of every offshore p1atform，the inf1uence of the burning p1atform on the water hammer of the 1oop network of other p1atforms was so sma11 that cou1d be ignored in engineering design.The water hammer of the comp1icated firefighting pipe1ine networks e1bows wou1d reach the maximum 2-4 seconds after the actuation of de1uge va1ve，then appeared the trend of shock，it disappeared 18 seconds after the actuation of de1uge va1ve.

comp1icated firefighting pipe1ine networks；water hammer；offshore p1atform；PIPENET software

TU998.1

A

1009-2455（2016）02-0077-04

毛偉志（1982-），男，山東濰坊人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事海上油氣田安全方面的研究工作，（電子信箱）maowz@mai1.cooec.com.cn。

2016-02-25（修回稿）