输油管线的水击保护

张涛（北京中航油工程建设有限公司）

一、水击产生原因

封闭的输油管道流程使全线管道成为一个水力系统，封闭输油管线任何一点的流动参数变化都会使输油管线产生瞬时变化压力脉动。压力脉动从该干扰点沿输油管线上游、下游同时传播，将引起管线的瞬变流动，管线瞬变流动引起的压力波动称为水击。

管线在瞬间产生的流量变化量越大，变化越短暂，产生的瞬变压力波越强烈。输油管线事故引起的流量变化是管线产生水击主要原因。有很多种因素可以是管道流量突然变化，大致分为两类：一类是有合理的进度安排调整输油量或改变输油流程；另一类是突发事故产生的流量变化，比如泵站突然停泵、输油泵故障停泵、输油管线阀门故障关闭、出口调节阀调节失灵引起阀门关闭等等。同时，输油管线更换油品也会在管道内产生瞬变流动。对于有合理的进度安排调整输油量或改变输油流程，可以人为地提前根据制定好的措施采取行动，预防或减少介质压力的波动，使产生的压力波动控制在合理的范围之内。

对于突发事故产生的流量变化，产生的瞬变流动变化是否产生需要采取措施，取决于是否压力变化引起的瞬变压力超过输油管线允许的工作范围，如果压力变化超过范围，需要对管道系统采取相应的保护措施。

二、水击的危害

当发生水击现象时，输油管线会有一个急剧的压力波动，其压力数值可能超过额定工作压力的几十倍甚至几百倍，使管道及管道上的工艺设备承受很大的压力，强大的压力会使管壁发生扩张和收缩，并伴有强烈的振动和噪音，就像管道受到锤击所发出的声音。同时，高频不断变化的压力作用在管壁上，加上强烈的管道振动和介质流体的冲击，使金属表面产生很多微小的破坏。如果此输油管线存在缺陷，则有可能对管线或工艺设备造成破坏。水击现场的产生严重危及输油管线及相关工艺设备的安全运行。

三、水击分析

输油管道中发生的水击，从产生的原因有许多种，但对管道与设备安全构成威胁的有两种：

1.中间泵站因动力中断，输油泵突然关闭，在泵站进口侧产生高压波，泵站出口侧产生低压波；

2.干线截断阀或中间泵站因误操作进站阀门突然关闭，阀前产生高压波。水击时的高压波、低压波分别沿管道传播，高压波与管道中原有输油压力叠加产生异常的正压，低压波则可能在管道造成负压。以上两种水击是密闭输送输油管道需要重点进行分析和保护的。

分析的主要目的

（1）在上述两种水击状态下，无任何水击保护措施时，分析输油管道可能发生的最高与最低压力，以确认是否需要采取水击保护措施；

（2）当采取某种水击保护措施时，分析输油管道各处可能发生的的最高与最低压力，以判断保护措施是否得当合理。

对输油管道的水及分析利用专门编制的计算机程序进行。分析所提供的成果

（1）无任何保护措施情况。

中间泵站突然关闭时，管道各处在任何时间的最高与最低压力线图(也称包络线图)；

末站关闭时，管道各处任何时间的最高与最低压力线图。

（2）采用泄放阀保护情况。

当中间泵站突然关闭及末站突然关闭时：管道各处任何时间的最高与最低压力线图；

各中间泵站压力-时间曲线；各中间泵站流量-时间曲线；泄放阀泄放速率；泄放阀累积泄放量。

（3）采用超前保护。中间泵站突然关闭与末站突然关闭。管道各处任何时间的最高与最低压力线图；各中间泵站压力-时间曲线；各中间泵站流量-时间曲线。

四、水击保护

根据水击分析所提供的结论，工艺及自控专业，采取相应的防护措施，主要措施有以下几点：

1.水击保护工艺措施

（1）在泵出口处设泄压阀，当水击产生的压力过大采用被动的泄压方式释放多余压力，从而保护管道和泵体。

（2）在循环泵前、后安装带止回阀的旁通管，可有效阻止突然停泵引起的水击现象。

（3）在管线上采用缓闭单向阀，延长阀门关闭所需的时间，减少由于误操作引起阀门关闭时产生的瞬时压力。

（4）在较长管道中增设调压室，相对的减少管道长度，缓和水击压力。

（5）在输油管线上安装排气阀，可以有效的避免输油管道局部产生集气现象。

（6）适当加大输油管道管径，减少管道流速可有效减少瞬时压力的变化，减少水击强度。

（7）建立合理的安全操作规则

2.水击保护自控系统措施

（1)分析所需基础数据

自控系统对管道瞬间变化流动分析需要利用管道各种特征的一系列数据。所需要的数据一般如下所列：

①管道输送量

规定设计管道油料输送量、计算输送量。

②原油物性

密度、凝点、运动粘度-温度数据组、反常点、流变指数、稠度系数等。

③管道参数

线路纵断面(高程-里程)数据组，各泵站间距、管径、壁厚、管壁粗糙度，钢材屈服极限，保温层厚度、保温层导热系数，地温、管道总传热系统等。

④管道主要设备布置简图

输油泵台数及工作方式（并、串联），加热炉台数，全线各泵站输油泵、调节阀、加热炉及泄放阀的相互连接关系图，泵站内部局部摩阻值及其分布。

⑤设备特性

输油泵型号，泵额定流量、扬程与效率，泵转矩与转速惯性矩。加热炉额定流量时压降。

调节阀型号、阀额定流量时压降、全行程时间、调节特性、调节器的特性系数。

泄放阀给定压力值、不同超压百分数时的流量系数。

f.设计给定值

泵站进、出站压力给定值，越站输送时各泵站的压力限制。

泵站进站油温。

（2)输油管线在线监测

①沿管线布置一条光纤，将管线的首站、末站、中间泵站、中间阀室串联起来，同时为了保证自控系统的可靠性，在各个站布置GPRS或者租用外部电信运营商，建立备用通讯回路，但发生故障的时候，快速切换着另一路通讯回路，同时不断监测两条通讯回路的可靠性，一旦其中一条发生故障，马上报修进行恢复。

②管线上各个阀门的开闭状态，手/自动控制权限。

③输油泵状态信号，手/自动控制权限。

④输油管线首站、末站、中间泵站、中间阀室管线压力及流量监测。

（3)输油管线防水击自控模型

自控系统根据基础数据、在线监测的参数分析出水击现象是否发生。

当发生水击现象时，分析出当前发生水击类型，根据不同的类型，控制管线的电气设备及工艺设备减少水击压力。

结论

本文介绍了水击现象的危害及在工程设计中如何进行水击防护的设计步骤，水击分析是工程设计中重要而关键的环节，为工艺设备及自控检测提供了理论基础，在最大危险情况下，有效的减少水击压力，实现超前调节。

[1]张国忠《长输管道水击压力计算方法分析》石油大学学报1993（3）.

[2]陈贵清《压力管道水击危害及其防治》河北理工学院学报2005（2）.

[3]孟安波《一种新的弹性水击计算方法》华北水利水电学院学报 2003（4）.

[4]付六生《减少管路中回流水击现象》西南造纸2001（6）.

[5]路胜《管道水击压力测试技术》液体工程1993（21）.