新疆化—王成品油管道事故瞬态分析

张 宁，冯玉华，邓 静，邱宗君

（新疆石油勘察设计研究院（有限公司）， 新疆维吾尔族自治区 乌鲁木齐 830000）

新疆化—王成品油管道事故瞬态分析

张 宁，冯玉华，邓 静，邱宗君

（新疆石油勘察设计研究院（有限公司）， 新疆维吾尔族自治区 乌鲁木齐 830000）

以某成品油管道（化—王D273成品油管道）为例，应用 SPS 软件（Stoner Pipeline Simulator）建立了管道系统物理模型。动态分析了该管道末站进站ESD阀意外关断时的工况，并结合瞬变流动理论，优化水击保护控制程序，提出了不同事故工况下的水击控制方案。研究表明：对于末站进站ESD阀意外关断，提出了两种方案并进行安全性分析，最终采用对该管道实施末站泄压保护和水击超前保护双重措施这一方案，沿线最高瞬时压力不超过管道最大允许瞬时压力，稳定后的压力不超过管道设计压力，且管道全线瞬变过渡过程平稳快速，无负压点，满足管道安全运行要求。

SPS；成品油管道；水击保护；工艺分析

输油管道的密闭输油流程使管道全线成为一个整体的水力系统，管道沿线某一点的流动参数变化会在管内产生瞬变压力脉动。该压力脉动从扰动点沿管道上下游传播，即引起管道的瞬变流动，管道瞬变流动引起的压力波动称为水击。

水击压力和速度的变化与流动质量和动量有关，轻微时只表现为噪音和振动，严重时会使管道破裂。水击会引起管道中的液体密度、管道压力及管子截面积同步发生周期性的增减变化，不论造成管道压力过高或过低，还是造成管道振动，都可能引发严重的后果[1-5]。

1 管道运行现状

新疆乌石化—王家沟成油品支线，管道起点为乌鲁木齐石化公司东侧，终点位于王家沟油库东侧，线路全长38.5 km，管道规格为D273.1×5.6，管道设计压力4.0 MPa，设计输量为200×104t/a，全线设首末站各1座。首站外输泵至下游阀门及管件设计压力均为5.0 MPa，末站进站管件承压为1.6 MPa。

2 事故分析

模拟油品：0#柴油，20 ℃时油品密度为850 kg /m3，粘度为8 mm2/s，本论文仅针对设计输量下，利用SPS软件模拟末站进站ESD阀意外关断时，对管道首末站的影响并提出处理方案。

2.1 无水击保护措施

在末站没有任何保护措施情况下，对事故工况进行模拟，如图1。

由图1可知，事故后，管道全线历史最大压力全线超过设计压力 4.0 MPa和最大瞬时压力 4.4 MPa。由此可知，在此工况下，会导致管线停输，管道已经不满足安全运行的条件。

2.2 增设末站泄压保护系统

在末站ESD阀前增设泄压阀，泄压压力为1.6MPa，模拟结果如图2。

图1 事故后管道线路沿线历史最高和最低压力图Fig.1 The diagram of the max pressure and the min pressure after theaccident

图2 事故后管道线路沿线历史最高和最低压力图Fig.2 The diagram of the max pressure and the min pressure after theaccident

由图2可知，当泄压阀泄放压力为1.6 MPa时，管道沿线历史最大压力超过可允许的最大瞬时压力，所以在此工况下，管道已经不满足安全运行的条件。

根据计算，如果要使管线压力不超过最大可允许瞬时压力4.4 MPa，则需要设置泄压阀泄放压力不高于1.48 MPa。

2.3 增设超前保护措施

经过上述计算与分析，优化方案如下：设置当末站入口压力为0.8 MPa时实现报警，在末站入口压力为1.2 MPa时实现停泵并同时关闭首站出站阀门，达到1.4 MPa时开始泄压。

注释：

STANDARD.FLOW：标态下的管道流量；

HEAD：压头线；

ELEVATION：高程线；

B0114:P+：首站出站压力；

B0301:P-：末站进站压力；

B0114:Q+：首站出站流量；

B0301:Q-：末站进站流量；

MAOP：最大可允许操作压力，选定为设计压力4 MPa； MASP：最大可允许瞬间压力，为设计压力的 1.1倍； MAX.PRESSURE：管线各点在时间段内达到的最大压力；

MIN.PRESSURE：管线各点在时间段内达到的最小压力

图3 事故时乌石化首站出站压力及王家沟末站进站压力图Fig.3The diagram of outbound pressure in the first station and inbound pressure in the last station on the accident

图4 事故时乌石化首站出站流量及王家沟末站进站流量图Fig.4The diagram of outbound flow in the first station andinbound flow in the last station on the accident

图5 事故后管道线路沿线历史最高和最低压力图Fig.5The diagram of the max pressure and the min pressure after the accident

图6 事故后泄压阀入口流量变化图Fig.6The diagram of inbound flow in the relief valve after the accident

（1） 由图4可知：在末站增加泄压阀后并设置超前保护后，末站进站ESD阀意外关断后，管线流量降为0，造成管线停输。

（2） 由图5可知，此时，管道沿线历史最大压力没有超过设计压力

（3） 由图3可知，末站进站ESD阀意外关断30 s后，末站进站压力瞬间上升到0.91 MPa，并在事故发生后约0.75 min（45 s）时，末站进站压力升至1.2 MPa，此时超前保护程序启动，停泵并且关闭首站出站阀门；在事故发生后8.3 min（498 s），泵出口压力降到0.24 MPa，与泵入口压力相同；首站出站压力与泵出口压力同时下降，但在事故发生后1 min（60 s）时，由于泵后水锤的作用压力突然上升至2.61 MPa，之后才开始下降。

（4） 在事故发生后约1 min（60 s），末站进站压力达到1.4 MPa，此时泄压阀开启，开始泄压，在事故发生后4.3 min（258 s），末站进站压力首次低于1.4 MPa，此时，泄压阀关闭，停止泄放。由于泄压阀关闭而引起的水力波动，使得首站出站压力与末站进站压力成反比例变化，并由2.3-2可知，经过一段时间波动，首站出站压力和末站进站压力开始缓慢下降。

（5） 由图4可知，末站进站ESD阀意外关断30 s后，末站进站流量瞬间下降为0；首站出站流量在停泵后由于水锤的作用立刻下降负值，之后上升为0，并稳定。

（6） 由图6可知，泄压阀流量从事故发生后1 min（60 s）开始上升，到事故发生1.85 min（111 s）升至最大值173.6 m3/h，在事故发生后4.3 min（258 s），泄压阀关闭，流量降为 0。经计算，泄压时间为198 s，泄放总体积约为4.7 m3。

综上所述，可知：

设定泄压阀泄放压力为 1.4 MPa，并设置超前保护的工况下，会造成停输，而且管道沿线历史最大压力不会超过设计压力，可以满足安全运行要求。

3 结束语

泵机组的非正常停运，阀门突然开启和关闭、开大和开小，物性不同的油品分界面经过泵、管道泄压后重新充液排气时，都会造成水击，导致管道的不稳定流动过程。水击波的传播速度非常快，因而，水击事故很难预警，也不能用人工操作方法处理事故，最有效的防护手段是依靠管道的自动保护系统。

王家沟末站进站ESD阀意外关断，分别就无水击保护措施、增设泄压保护措施、增设超前保护措施等三种情况进行分析计算，最终选定保护方案：在王家沟末站进站ESD阀前增设泄压阀，泄放压力为1.4MPa，同时增设超前保护措施，程序为设置当末站入口压力为0.8MPa时实现报警，在末站入口压力为1.2MPa时实现停泵并同时关闭首站出站阀门。

［1］张国权，刘凯.成品油管道的水击及其防护措施[J].油气储运，2006，25(12)：61-63.

［2］赵竟奇.管道产生水击的原因分析[J].油气储运，1999，18(5)：35-41.

［3］钟仕荣，王建华，卞保武，等.甬沪宁原油管道水击分析与超前保护[J]. 化工自动化及仪表，2005，32(6)：48-50.

［4］甄洁，张茂林，尚增辉, 等.三塘湖输油管道大落差地区的水击保护[J].油气储运，2013，32(1)：101-104.

［5］王立宪，陈常洲.停泵水锤的防护措施[J].化工给排水设计，1995(4).

Transient Analysis on Failures of Hua-wang Products Pipeline in Xinjiang

ZHANG Ning，FENG Yu-hua，DENG Jing，QIU Zong-jun

（Xinjiang Petroleum Investigation Design and Research Institute( Co.,Ltd.),Xinjiang Urumchi 830000，China）

Taking a oil product pipeline from Urumqi petrochemical company to Wangjiagou as an example，a physical model of the piping system was established by SPS software (Stoner Pipeline Simulator).Water hammer of the pipeline occurred in working condition was dynamically simulated, and protection procedures of water hammer were optimized combined with the transient flow theory. The study shows: the pressure relief protection of end station and advanced protection of water hammer should be applied into the pipeline. Steady pressure does not exceed the design pressure of the pipeline, and the transient process of the whole pipeline is steady and rapid, and there is no negative point.

SPS; Product oil pipeline; Water hammer protection; Technology analysis

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0629-03

2014-10-21

张宁（1988-），男，新疆乌鲁木齐人，助理工程师，硕士，2013年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，研究方向：从事油气长输管道设计研究工作。E-mail：329627023@qq.com。