液態(tài)丙烯裝船系統水擊分析及保護

程 為，李 明，叢延剛

1.中國石油工程項目管理公司天津設計院，天津 300457

2.中國寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012

3.中石油吉林油田公司天然氣部，吉林松原 138000

在壓力管道中，閥門關閉、泵機組停車等操作會導致流體的流速突然發(fā)生變化，會引起管內壓強急劇升高和降低的交替變化，這種現象稱為水擊或水錘。水擊引起的壓強較大，可達管道正常工作壓強的數倍，這種大幅度的壓強波動，往往引起管道強烈振動、閥門破壞、管道接頭斷開、甚至管道爆裂等重大事故[1]。石油化工廠內的液體管道多為水力短管，與長距離輸送管道發(fā)生的水擊不同，其液體流向變化較大，流過的彎頭等管件較多，水擊破壞的時間短，對管架的作用力較大。

PIPENET軟件可用于管道三維走向建模，并且能輸出水擊作用力，適用于水力短管的水擊分析。本文利用PIPENET軟件，針對某液態(tài)丙烯裝船管道系統進行水擊模擬分析研究，為水力系統設計和安全分析提供數據支撐，也為配管安裝進行水擊工況下的應力分析提供水擊作用力等基礎數據。

1 液態(tài)丙烯裝船系統工藝

液態(tài)丙烯裝船是將陸上儲罐內的丙烯用裝船泵打入?？吭诖a頭的液化品船內，其水力系統主要包括丙烯儲罐、裝船泵、貿易計量設施、緊急關斷閥、裝船臂和管道等。馬來西亞PETRONAS公司P30丙烯罐區(qū)丙烯裝船水力系統如圖1所示。

圖1 丙烯裝船水力系統示意

丙烯儲罐和裝船泵設置在陸上烯烴罐區(qū)，裝船臂設置在碼頭，丙烯裝船管道在出烯烴罐區(qū)之前設置有緊急切斷閥（UZV-2037），裝船管道在裝船壁上設置有事故關斷閥（PERC-Valve1），緊急關斷閥和事故關斷閥能實現在泄漏、火災等事故條件下的自動緊急關斷。

2 工況分析

對于出現水擊的工況，不僅要考慮單個事故，也要考慮組合工況，水力系統中出現水擊現象的工況有[2]：突然關閥、突然停泵、突然關閥和突然停泵的組合工況。

基于以上分析，結合丙烯裝船水力系統實際情況，根據整個系統運行工況范圍，確定了如表1所示的具體水擊模擬工況。

表1 丙烯水擊模擬工況

以馬來西亞PETRONAS公司P30丙烯罐區(qū)項目為例，設計液態(tài)丙烯裝船量為600 m3/h，裝船管道直徑DN200。在PIPENET軟件建模時輸入邊界點、設備閥門參數和幾何模型的條件如下[3-6]：

（1）邊界點條件。模型輸入節(jié)點入口為裝船泵入口，節(jié)點處設定為恒定壓力，裝船泵入口節(jié)點處壓力取儲罐操作壓力和液位自然高差壓力之和，為16.8 bar（1bar=0.1 MPa）。模型輸出節(jié)點壓力為丙烯進船背壓，取23.0 bar。

（2）泵輸入條件。在PIPENET軟件中，泵使用 Inertial pumps模塊，泵流量 600 m3/h，揚程242.3 m，泵流量特性曲線、轉動慣量等數據依據廠家資料。

（3） 閥輸入條件。在PIPENET軟件中，PERC-Valve1閥門為6 in蝶閥（1in=25.4 mm），UZV-2037閥門為8 in球閥，閥門Cv曲線及關斷時間依據廠家資料。

（4）裝船管道材質為低溫碳鋼，壁厚8 mm，罐區(qū)與碼頭之間管道長度約6.6 km，全程采用管架方式敷設，裝船系統整體按照管道三維安裝尺寸進行建模。

3 結果與分析

3.1 關閥或停泵單一工況下的水擊分析

工況一，圖2為裝船臂上的PERC-Valve1閥門突然關閉后，閥前壓力、流量的瞬變情況。

圖2 工況一PERC-Valve1閥前壓力、流量瞬變曲線

閥門關閉時，閥前壓力升高，在閥門即將全關閉時，壓力迅速增大，并在閥門全關后壓力達到最大值，維持在裝船泵零流量下的最大壓力，并在此基礎上產生小幅振蕩波動。本例中最長的直管段位于裝船臂附近，長度為360 m，定義為pipe-360，圖3為該管道受到的水擊作用力瞬變情況。

圖3 工況一pipe-360受到水擊作用力瞬變曲線

隨著水擊的發(fā)生，管道上的水擊作用力剛開始時在正方向上逐步增大，當到達峰值時，又陡然下降，并且作用力改變方向，在負方向上逐步增大，直到達到負峰值后又改變方向，如此循環(huán)往復。

工況二，裝船時儲罐界區(qū)UZV-2037閥門關閉工況的模擬曲線與工況一模擬曲線基本相同，工況一和工況二條件下水力系統中產生的最大水擊壓力和最大水擊作用力具體見表2。

表2 丙烯水擊模擬工況結果

工況三，圖4為裝船泵停泵情況下，水力系統中壓力、流量的瞬變情況。當裝船泵停泵后，系統中流量逐漸降低，壓力也逐漸降低。但流量并非降至0后維持不變，而是在0流量線上下小幅波動，壓力線也并非逐漸降低后不再變化，而是隨流量一起小幅波動，但產生的水擊壓力比停泵前壓力稍有增大。圖5為裝船泵停泵后，360 m長直管段管道受到的水擊作用力瞬變情況，與圖2曲線趨勢走向基本相同。

圖4 工況三pipe-360壓力、流量的瞬變曲線

圖5 工況三pipe-360受到水擊作用力瞬變曲線

3.2 關閥和停泵組合工況下的水擊分析

工況四，圖6展示了裝船臂上的事故關斷閥關閉和停泵組合情況下的水擊瞬變情況，可以看出壓力和流量的瞬變情況與單純關閥時的趨勢基本相同，但壓力曲線波動的周期比單純關閥時的周期長，水力系統中360 m長直管段管道所受到的水擊作用力也比單純關閥時的波動周期長（見圖7）。

圖6 工況四PERC-Valve1閥前壓力、流量的瞬變曲線

圖7 工況四pipe-360受到水擊作用力瞬變曲線

工況五，裝船時罐界區(qū)UZV-2037閥門關閉和停泵組合情況下的模擬曲線與工況四基本相同，系統中產生的最大水擊壓力和最大水擊作用力具體數據見表2。

3.3 綜合對比分析

表2綜合比較了丙烯裝船水力系統中各水擊工況的模擬結果。從表2可以看出，工況一的水擊壓力最大，水擊作用力也最大，為所有工況中最惡劣工況。對比停泵或關閥單一工況的結果，突然停泵較突然關閥的水擊影響小很多。

對比突然關閥的單一工況和突然關閥+突然停泵的組合工況，在突然關閥的情況下停泵，可以減弱水擊的破壞和影響，但由于水力短管水擊過快，停泵來不急減弱這種水擊影響，因此組合工況下的最大水擊壓力和最大水擊作用力降低現象并不明顯。

從表中也可以看出，丙烯裝船系統的最大水擊壓力達45.6 bar，此壓力值為正常工作條件下泵出口壓力的1.62倍。為保證本質安全，管道的設計壓力應比最大水擊壓力高并且留有一定的余量。水擊工況下流體對管道的水擊作用力達到31.4 N/m，由于最大水擊作用力出現在最長的直管段上，本例中最長的直管段位于裝船臂附近，因此選取裝船臂之前約1.5 km的管段，標注計算得到的水擊作用力F，具體見圖8。直管段上所受的水擊作用力為兩個方向，一個與流體方向相同，一個與流體方向相反，應按圖8標注的水擊力情況進行管道應力分析，確定管道穩(wěn)固措施。

圖8 管網中局部管道所受的水擊作用力示意

4 結論

基于本文選定工程實例和計算方法，對丙烯裝船系統進行水擊分析研究得到以下結論：

（1）突然關閥，閥前壓力急劇升高，在閥門即將全關閉時壓力達到最大值，維持在裝船泵零流量下的最大壓力，并在此基礎上產生小幅振蕩波動，伴隨著的水擊作用力也在正、負最大峰值之間循環(huán)波動；突然停泵，流量并非降至0后維持不變，而是在0流量線上下小幅波動，壓力線隨流量一起小幅波動，產生的水擊壓力比停泵前壓力稍有增大。

（2）裝船臂上的事故關斷閥突然關閉是所有水擊工況中最為惡劣的工況，其最大水擊壓力為正常工作條件下泵出口壓力的1.62倍，流體對管道的水擊作用力達到31.4 N/m。

（3）突然停泵較突然關閥的水擊影響小很多；在突然關閥的情況下停泵，可以減弱水擊的破壞和影響，但水力短管的減弱作用不明顯。