海底液相管道水擊壓力動(dòng)態(tài)計(jì)算研究

李 偉，武 明，武志坤，張淑艷，陳文峰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

使用儒柯夫斯基公式計(jì)算水擊壓力具有簡(jiǎn)單、易操作的特點(diǎn)，在工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于儒柯夫斯基公式提出時(shí)研究深入程度以及當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，使得該公式的推導(dǎo)過程存在一定的缺陷[1-2]。此外，傳統(tǒng)的水擊計(jì)算公式基于管道末端閥門關(guān)閉的模型進(jìn)行推導(dǎo)[3]，無法對(duì)復(fù)雜管路系統(tǒng)的閥門組合動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的水擊影響作評(píng)價(jià)。然而在實(shí)際工程中，為了有效保護(hù)海底液相管道和平臺(tái)工藝設(shè)施，通常需要多個(gè)閥門的共同作用，所以采取傳統(tǒng)水擊分析方法存在局限性，其結(jié)果勢(shì)必與工程實(shí)際存在差異。尤其在工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，閥門的動(dòng)作是由控制系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)定的邏輯判斷來實(shí)現(xiàn)，由此引發(fā)的水擊問題也更為復(fù)雜，采用常規(guī)技術(shù)手段已不能滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要。

1 國(guó)內(nèi)外水擊動(dòng)態(tài)分析技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

國(guó)標(biāo)GB 50253-2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO13623-2009《石油和天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)》均對(duì)管道動(dòng)態(tài)水擊分析提出了相關(guān)要求，其中國(guó)標(biāo)對(duì)水擊提出了超壓保護(hù)的應(yīng)對(duì)措施。

在水擊動(dòng)態(tài)分析手段上，應(yīng)用成熟度較高分析軟件有GL Industrial Series的 SPS、PIPELINE Studio的 TLNET、Sunrise的 Pipenet和 Schlumberger的OLGA等，這些瞬變流分析工具都可以完成液相管道的動(dòng)態(tài)水擊分析，并在國(guó)內(nèi)外工程項(xiàng)目中有實(shí)際工程應(yīng)用的案例。

對(duì)于國(guó)內(nèi)海洋工程項(xiàng)目，PIPENET軟件在消防和工藝管道的動(dòng)態(tài)水擊分析中得到很好的推廣應(yīng)用[4]。對(duì)于陸地長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位采用SPS軟件模擬水擊壓力，并確定控制水擊壓力的泄壓閥的泄放壓力和泄放量等工藝參數(shù)[5-6]。

國(guó)外工程技術(shù)公司把PIPENET和TLNET等動(dòng)態(tài)模擬軟件用于海底液相管道的水擊動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，并按照工藝系統(tǒng)的關(guān)斷邏輯，模擬停泵、關(guān)閥等動(dòng)作產(chǎn)生的水擊壓力對(duì)于海底管道的影響。

2 海底液相管道水擊壓力計(jì)算的影響因素研究與分析

在通常情況下，海底管道進(jìn)出口端的SDV閥能實(shí)行主動(dòng)保護(hù)。當(dāng)上游超壓時(shí)，下游閥門會(huì)隨著上游閥門的關(guān)閉而關(guān)閉，抑或下游超壓時(shí)，上游閥門也會(huì)隨之而關(guān)閉。從經(jīng)典的儒柯夫斯基公式[7]可知，水擊增壓的影響因素有流速和水擊波速，水擊波速主要與管徑、管材和流體物理屬性、管道布置等相關(guān)。對(duì)于已確定的管道規(guī)格和輸送工藝來說，影響海底管道水擊動(dòng)態(tài)分析的因素主要有管道輸量變化和閥門動(dòng)作的擾動(dòng)，如關(guān)閥時(shí)間、關(guān)閥順序和關(guān)閥特性等。

為了研究上述因素對(duì)于海底液相管道動(dòng)態(tài)水擊的影響，以渤海海域某項(xiàng)目的一條已建的管長(zhǎng)2.5 km，管外徑457 mm的注水海底管道為例，采用OLGA瞬態(tài)流分析軟件，對(duì)該海底管道在不同輸量、關(guān)閥時(shí)間、關(guān)閥順序和關(guān)閥特性等動(dòng)態(tài)擾動(dòng)下的水擊壓力進(jìn)行了研究與分析。

2.1 液體流速對(duì)水擊壓力的影響

為研究液體流速變化對(duì)水擊壓力的影響程度，對(duì)不同輸量條件下海底管道出口閥門按5 s線性關(guān)閥時(shí)間考慮，得到水擊壓力并進(jìn)行了對(duì)比與分析，結(jié)果見圖1、表1。

圖1 不同輸量條件下海底注水管道水擊壓力對(duì)比

基于管道瞬變流的特性，在管內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)過程中，當(dāng)管內(nèi)流體的流速突然發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)壓力的突然變化。壓力的變化量統(tǒng)稱為水擊壓力。在流體流動(dòng)過程中，當(dāng)流體受到某種作用的阻止，流體沿受阻方向會(huì)產(chǎn)生增壓波，使流體壓力增加一個(gè)水擊壓力。

從圖1可知，水擊工況下的操作壓力由兩部分壓力組成，第一部分為初始操作壓力，第二部分為水擊增壓。當(dāng)出口閥門關(guān)閉時(shí)，由于流體受到阻滯，將會(huì)在初始操作壓力的基礎(chǔ)上產(chǎn)生增壓。如果初始?jí)毫Υ_定，則通過降低輸量以減小流速可以明顯降低水擊產(chǎn)生的增壓。

從表1可知，水擊增壓隨流量的降低明顯降低。

液體流速與水擊增壓的數(shù)值關(guān)系如圖2所示。

圖2 流速與水擊增壓的關(guān)系

從圖2可以看出，水擊增壓與流速基本呈線性關(guān)系。針對(duì)本文研究的海底注水管道。

2.2 關(guān)閥時(shí)間對(duì)水擊壓力的影響

為研究關(guān)閥時(shí)間對(duì)于水擊壓力的影響，在相同輸量條件下，海底管道出口閥門按線性關(guān)閥考慮，對(duì)不同關(guān)閉時(shí)間時(shí)的水擊壓力進(jìn)行了對(duì)比與分析，分析結(jié)果見圖3、表2。

從圖3可知，在相同輸量和起始操作壓力條件下，隨著關(guān)閥時(shí)間的延長(zhǎng)，水擊增壓逐漸降低。

對(duì)于工況2，雖然關(guān)閥延長(zhǎng)至5 s，但由于本文研究對(duì)象的實(shí)際管路周期為2倍管長(zhǎng)/水擊波速，即壓力波往返所需時(shí)間大約為5 s左右，與關(guān)閥時(shí)間基本一致，所以工況2（5 s關(guān)閥）的最大水擊壓力與工況1（瞬時(shí)關(guān)閥）的最大水擊壓力相比，相差不大。

表1 不同輸量條件下海底注水管道水擊壓力參數(shù)對(duì)比

圖3 不同關(guān)閥時(shí)間時(shí)海底注水管道水擊壓力對(duì)比

表2 不同關(guān)閥時(shí)間下海底注水管道水擊壓力參數(shù)對(duì)比

從表2的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，對(duì)于工況3～工況5，雖然模擬的關(guān)閥時(shí)間大于管路周期，但關(guān)閥時(shí)間從10 s延長(zhǎng)至30 s，水擊增壓降低幅度大約為10%。由于初始最大操作壓力較高，關(guān)閥時(shí)間從10 s延長(zhǎng)至30 s，最大水擊壓力降低幅度大約為3%，降低幅度并不明顯。

2.3 關(guān)閥順序?qū)λ畵魤毫Φ挠绊?/h3>

為了研究關(guān)閥順序?qū)τ谒畵魤毫Φ挠绊?，在相同輸量條件下，海底管道入口和出口閥門分別按5 s和30 s線性關(guān)閥考慮，通過延遲入口閥門不同關(guān)閉時(shí)間來反映進(jìn)出口閥門的關(guān)閉順序?qū)τ谒畵魤毫Φ挠绊?。關(guān)閥時(shí)海底管道入口和出口水擊壓力對(duì)比分析結(jié)果見圖4～5、表3～4。

從圖4～5可知，當(dāng)海底管道進(jìn)出口閥門關(guān)閉時(shí)，均會(huì)在狀態(tài)變化的位置產(chǎn)生水擊。工況1的海底管道入口閥門關(guān)閉時(shí)間沒有延遲，所以入口閥門先動(dòng)作。在入口閥門關(guān)閉的時(shí)刻，由于入口閥門下游流速突然減小，使管內(nèi)流體產(chǎn)生膨脹，流體壓力下降，此時(shí)海底管道入口先會(huì)產(chǎn)生減壓波。然后向下傳播，減壓波到達(dá)海底管道出口端時(shí)，出口閥門還未關(guān)閉，由于減壓波的影響，會(huì)使海底管道出口操作壓力降低。減壓波到達(dá)海底管道出口后又反射至上游，到達(dá)入口時(shí)由于受到入口閥門的阻止，會(huì)產(chǎn)生增壓波，導(dǎo)致入口壓力升高。增壓波將再次反射到海底管道出口關(guān)閉時(shí)刻，依次往復(fù)。

圖4 不同關(guān)閥順序時(shí)海底注水管道水擊壓力對(duì)比（海底管道入口）

圖5 不同關(guān)閥順序時(shí)海底注水管道水擊壓力對(duì)比（海底管道出口）

由于出口閥門關(guān)閉時(shí)間慢于管路周期（管路周期大約為5 s），入口閥門關(guān)閉產(chǎn)生的減壓波會(huì)在出口閥門未完全關(guān)閉時(shí)返回，而返回的減壓波與出口閥門繼續(xù)關(guān)閉產(chǎn)生的增壓波疊加，會(huì)使壓力增加的速率降低，并出現(xiàn)關(guān)閥時(shí)間大于管路周期后，閥門繼續(xù)關(guān)閉產(chǎn)生的增壓值小于閥門處返回減壓波的減壓值的情況，從而使閥門處水擊壓力峰值不斷降低，直到海底管道出口閥門完全關(guān)閉時(shí)。

對(duì)于工況2和工況3，入口閥門動(dòng)作后，返回的減壓波的減壓值小于出口閥門產(chǎn)生的增壓波的增壓值，導(dǎo)致出口壓力升高。

對(duì)于工況4，考慮入口閥門延遲關(guān)閉25 s后，實(shí)際入口閥門的關(guān)閥時(shí)間和出口閥門關(guān)閉時(shí)間相同，海底管道入口閥門關(guān)閉產(chǎn)生的減壓波和海底管道出口閥門關(guān)閉產(chǎn)生的增壓波分別向下游和上游傳播，并持續(xù)在管道內(nèi)振蕩。

對(duì)于工況5，考慮入口閥門延遲關(guān)閉35 s后，實(shí)際入口閥門的關(guān)閥時(shí)間晚于出口閥門關(guān)閉時(shí)間，海底管道出口關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的增壓波向上游傳播并到達(dá)入口，由于增壓波的作用使入口壓力小幅升高。增壓波在入口反射后到達(dá)出口形成減壓波，并引起出口壓力的降低，依次往復(fù)。在第45 s時(shí)入口閥門關(guān)閉，形成一股減壓波后向海底管道出口傳播，由于受該減壓波的影響，出口閥門關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的增壓波對(duì)入口壓力影響有所削弱。

表3 不同關(guān)閥順序時(shí)海底注水管道入口水擊壓力參數(shù)對(duì)比

從表3可以看出，海底管道入口水擊增壓隨入口閥門關(guān)閉時(shí)間的延后而減小，但入口閥門關(guān)閉時(shí)間的延后可能導(dǎo)致初始最大操作壓力的升高。

表4 不同關(guān)閥順序時(shí)海底注水管道出口水擊壓力參數(shù)對(duì)比

從表4可以看出，對(duì)于工況1～工況4，海底管道出口水擊增壓隨入口閥門關(guān)閉時(shí)間的延后而增大。對(duì)于工況5，入口閥門延遲關(guān)閉時(shí)間最長(zhǎng)，水擊增壓值僅比工況4低，但初始最大操作壓力卻最大，疊加后的最大水擊壓力為最高。

由此判斷，閥門的關(guān)閉順序?qū)τ谒畵魤毫?huì)產(chǎn)生一定影響，且存在一個(gè)初始最大操作壓力與水擊增壓的最大或最小組合。

2.4 關(guān)閥特性對(duì)水擊壓力的影響

海底管道進(jìn)出口設(shè)置關(guān)斷閥，可用于在海底管道上下游工藝系統(tǒng)壓力異常時(shí)保護(hù)海底管道不被破壞。關(guān)斷閥一般由具有遠(yuǎn)程控制功能的執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。關(guān)斷閥可采用氣動(dòng)、液動(dòng)或氣、液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。

海上工程通常采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)斷閥，如圖6所示。

圖6 海底管道關(guān)斷閥執(zhí)行器

海洋平臺(tái)關(guān)斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程通常為線性。非線性關(guān)閥特性需要執(zhí)行器具備特殊的關(guān)閉特性，據(jù)廠家反映，在實(shí)現(xiàn)該功能要求上還存在一定的難度。線性與非線性關(guān)閥特性曲線對(duì)比見圖7。

圖7 線性與非線性關(guān)閥特性對(duì)比

為了研究閥門關(guān)閉特性對(duì)水擊壓力的影響，在相同輸量和關(guān)閥時(shí)間條件下，將線性關(guān)閉特性和非線性關(guān)閉特性產(chǎn)生的水擊壓力進(jìn)行了對(duì)比與分析，分析結(jié)果見圖8。

從圖8可知，相同流量和關(guān)閥時(shí)間條件下，采用非線性關(guān)閥特性的閥門可以有效遏制水擊增壓。由于水擊作用實(shí)際上是：可壓縮性流體與具有彈性的管壁碰撞形成的波導(dǎo)致在某時(shí)刻流體產(chǎn)生壓力瞬變，碰撞最劇烈的時(shí)刻即為閥門關(guān)閉的瞬間，因此水擊影響在該時(shí)刻也最為顯著。水擊增壓主要產(chǎn)生于閥門即將關(guān)閉的時(shí)刻，采用線性關(guān)閥時(shí)，關(guān)閉的速率基本恒定；而采用非線性關(guān)閥特性時(shí)，在閥門完全關(guān)閉前，閥門的關(guān)閉速率變緩，從而使水擊增壓大幅地削減。

圖8 不同關(guān)閥特性時(shí)注水海底管道水擊壓力對(duì)比

3 結(jié)論

通過對(duì)海底注水管道水擊壓力計(jì)算影響因素的研究得到：

（1）閥門關(guān)閉先后順序?qū)λ畵魤毫τ幸欢ǖ挠绊?，且存在著一個(gè)使水擊壓力最大或最小的關(guān)閥順序組合。采用動(dòng)態(tài)模擬的方法可以研究分析最佳的關(guān)閥策略，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）延長(zhǎng)關(guān)閥時(shí)間可以緩解水擊增壓。但是對(duì)于特定的管路，延長(zhǎng)關(guān)閥時(shí)間對(duì)于緩解最大水擊壓力的作用可能并不明顯。采用延長(zhǎng)關(guān)閥時(shí)間緩解水擊壓力的方法，應(yīng)結(jié)合管路特性，通過動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算對(duì)比研究后確定。

（3）利用非線性的閥門關(guān)閥特性可以有效緩解關(guān)閥水擊增壓，但目前實(shí)現(xiàn)非線性關(guān)閥功能還有一定難度，需要閥門廠家加大相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)力度。

（4）水擊增壓與流速基本呈線性關(guān)系，可以按照流速評(píng)估水擊增壓的幅度和大小。

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