倒灌自流条件下管道水击模拟研究

田 景 武



倒灌自流条件下管道水击模拟研究

田 景 武

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）

TLNET软件建立仿真管输水击模型，模拟倒灌自流时快速关闭阀门的水击现象，分析总结了水击形成的原因，提出了预防措施。为控制输油管道水击提供了参考依据。

管道输送；水击现象；TLNET软件；模拟研究

在管道运行的过程中，沿线各点的工况参数随时间是变化的，通常它们的平均值保持不变或变化很小，因此，可认为管道是在稳态下运行。在生产运行时不可避免的会出现误关阀门、突然停泵等现象，这些因素都会使流体的这种稳定状态被破坏，导致流速和压力在短时间内发生较大变化，从而引起压强交替升降，使管道发生振动，产生水击现象。本文通过应用Pipeline Studio（TLNET）软件模拟计算管道水击过程。仿真模拟可以得到不同位置和不同时间产生的直接水击压力及流量变化数据。根据模拟结果找到全管最大压力值及其发生的具体位置，从而为保护管道的水击安全提供了可靠依据，可有效避免由水击引起的生产事故。

1 水击现象产生原因及危害

由于某种原因引起管内液体流速突然变化，引起管道内压力突然变化，这种现象叫做水击现象。引起水击现象的主要原因有[1]：

（1）阀门的非正常开闭和调节阀瓣的损坏脱落；

（2）泵的事故启动和断电停泵；

（3）泵叶片的不稳定性振动；

（4）管道的事故堵塞或泄漏；

（5）负压波产生的空泡溃灭等。

水击压力能够产生超压、汽蚀等现象，过大的压力还会造成管道破裂等事故。由此可见，为保证管道在水击工况下不造成损害，能够安全、可靠、经济地运行，对管道进行水击模拟计算，并采取切实可行的安全保护措施显得尤为重要。

2 水击过程计算

当管道中流动的液体因瞬时关闭阀门或突然停泵作用时，流动速度发生变化，引发水击。这种单纯由流速变化而产生的水击压力，称为惯性水击压力[2]。根据动量定理，由惯性力引起的水击压力计算公式为：

式中：为瞬变时引起的压力增加值，kPa；为工况发生变化时引起的速度变化，m/s；为水击波在管道中传播速度，m/s；为重力加速度，m/s2；为液体密度kg/m3；为液体体积弹性模量，kPa；为管道弹性模量，kPa；为管内径，m；为管壁厚度，m；为管道因数。

3 水击模拟研究

3.1 水击模型建立

油库在进行收发油及倒灌作业时由于快速关闭阀门势必会导致水击现象，造成压力瞬间变化，甚至会造成超压[3]。为此，利用TLNET软件建立模型，如图1所示，模拟倒灌自流过程的水击现象，研究倒灌引起水击工况的压力、流量变化。

3.2 模拟及分析

模拟倒灌流程，在10 s内强制关闭下游收油阀。模拟管内的水击压力和流量的变化，得到下游压力和上游流量变化趋势图（图2）。

图2 关闭阀门时管道下游压力变化

当收油阀关闭时管道下游有很强的水击，其最大压力达到了很高的数值，然后逐步衰减。管道上游的压力受油罐液位的影响，基本保持不变（图3）。

图3 关闭阀门时管道上游流量变化

管道上游的流量即是油罐的流量。图中正流量表示从罐流入管道，负流量表示从管道流入油罐。由于受压力波传递的影响，流量的峰值逐步衰减，最后稳定在0。

出现上述现象的原因在于，阀门关闭后在水击波传播过程中，随着时间的延长，水击波的振幅不断减小，最后趋于稳定，这种现象称之为水击波衰减，简称为衰减[4]。由于突然关闭阀门，导致阀前流体的流动瞬间停止，流体动能全部转变成流体和管道的弹性势能，压力瞬间增大到较大数值，形成了管道下游阀门处的直接水击压力。由于压力的激增，流体受到压缩，从而使该处流体体积减小，但却为上游流体充装留出空间，上游流体不断流入，补充空余的体积，同时引起流量发生巨大变化。

4 预防措施及建议

采用TLNET软件模拟的方式可以准确得到水击工况时流量、压力的变化趋势，确定管线最大压力值及其所在位置，从而为管道水击安全保护提供了依据，保障管道安全生产[5]。由于压力管道的水击现象很难避免，在流体输送管线的现代化管理中，预防水击现象是很有必要[6]。通过研究分析，笔者提出以下几点避免水击现象的方法：

4.1 PIVAS与住院药房一体化信息系统的构建，需要有资深药学技术人员的积极参与[5]。药学技术人员既要有丰富的药学专业知识，又要有良好的程序开发理念，这样才能与程序员做到有效沟通，进而将深奥的药学需求用信息来实现[6]。

（1）延长阀门的开关时间，以减少动量变化的程度；

（2）关键阀门采用自动化联网控制，或者安装阀门限位装置；

（3）在管道上安装泄压阀，当压力高到一定限度时，自动泄压；

（4）在泵站设高压保护系统，当管道压力达到一定值时，自动停泵。

［1］ 雷西娟. 常见输液管道中的水击控制[J]. 石油机械，2002(9)：57-58.

［2］ 赵竟奇.管道产生水击的原因分析[J].油气储运,1999,05:35-41+61-6.

［3］杨筱蘅,张国忠.输油管道设计与管理[M].东管:石油大学出版社,1996:237-240;242-249.

［4］刘冰,武明,李伟,彭宇,蔡广远,王东,李伟. 动态水击模拟在管道设计中的应用与研究[J].石油和化工设备,2012,05:16-18.

［5］慕希茂. 输油管道水击过程分析[J]. 西安石油学院学报(自然科学版),2001,05:22-24+4.19(1)：66-72．

［6］王玮,马贵阳,孙志民. 输油管网水击危害及其防治[J]. 油气田地面工程,2010,03:45-46.

Simulation Study on Pipeline Water Hammer Under the Condition of Backward Artesian Flow

TIAN Jing-wu

（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

If the steady state is broken during delivering oil in pipeline, the pressure will transiently change to cause water hammer phenomenon. The water hammer formed in the pipeline will lead to excess pressure in certain part, which may cause the pipeline crack and the equipments destroy. Protecting the pipeline from being destroyed by the water hammer has been a key technology of airtight transportation. In this article, a simulation model of pipeline water hammer was established by TLENT software, through which, the water hammer phenomenon caused by closing the valve quickly during flow backward artesian was simulated. Causes of the water hammer were summarized, and several protection measures were put forward, which could provide some references for control of the water hammer in pipeline.

pipeline transportation; water hammer; TLNET software; simulation study

TE 832

A

1671-0460（2016）06-1279-03

2016-04-05

田景武（1989-），男，黑龙江省佳木斯市人，硕士，研究方向：油气储运。E-mail：18745955353@163.com。