海底液相管道水击压力动态计算研究

李 伟，武 明，武志坤，张淑艳，陈文峰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

使用儒柯夫斯基公式计算水击压力具有简单、易操作的特点，在工程设计项目中得到了广泛的应用。但是由于儒柯夫斯基公式提出时研究深入程度以及当时技术条件的限制，使得该公式的推导过程存在一定的缺陷[1-2]。此外，传统的水击计算公式基于管道末端阀门关闭的模型进行推导[3]，无法对复杂管路系统的阀门组合动作时产生的水击影响作评价。然而在实际工程中，为了有效保护海底液相管道和平台工艺设施，通常需要多个阀门的共同作用，所以采取传统水击分析方法存在局限性，其结果势必与工程实际存在差异。尤其在工艺系统设计中，阀门的动作是由控制系统按预先设定的逻辑判断来实现，由此引发的水击问题也更为复杂，采用常规技术手段已不能满足实际工程应用的需要。

1 国内外水击动态分析技术应用现状分析

国标GB 50253-2014《输油管道工程设计规范》和国际标准ISO13623-2009《石油和天然气工业管道输送系统》均对管道动态水击分析提出了相关要求，其中国标对水击提出了超压保护的应对措施。

在水击动态分析手段上，应用成熟度较高分析软件有GL Industrial Series的 SPS、PIPELINE Studio的 TLNET、Sunrise的 Pipenet和 Schlumberger的OLGA等，这些瞬变流分析工具都可以完成液相管道的动态水击分析，并在国内外工程项目中有实际工程应用的案例。

对于国内海洋工程项目，PIPENET软件在消防和工艺管道的动态水击分析中得到很好的推广应用[4]。对于陆地长输管道项目，国内设计单位采用SPS软件模拟水击压力，并确定控制水击压力的泄压阀的泄放压力和泄放量等工艺参数[5-6]。

国外工程技术公司把PIPENET和TLNET等动态模拟软件用于海底液相管道的水击动态模拟计算，并按照工艺系统的关断逻辑，模拟停泵、关阀等动作产生的水击压力对于海底管道的影响。

2 海底液相管道水击压力计算的影响因素研究与分析

在通常情况下，海底管道进出口端的SDV阀能实行主动保护。当上游超压时，下游阀门会随着上游阀门的关闭而关闭，抑或下游超压时，上游阀门也会随之而关闭。从经典的儒柯夫斯基公式[7]可知，水击增压的影响因素有流速和水击波速，水击波速主要与管径、管材和流体物理属性、管道布置等相关。对于已确定的管道规格和输送工艺来说，影响海底管道水击动态分析的因素主要有管道输量变化和阀门动作的扰动，如关阀时间、关阀顺序和关阀特性等。

为了研究上述因素对于海底液相管道动态水击的影响，以渤海海域某项目的一条已建的管长2.5 km，管外径457 mm的注水海底管道为例，采用OLGA瞬态流分析软件，对该海底管道在不同输量、关阀时间、关阀顺序和关阀特性等动态扰动下的水击压力进行了研究与分析。

2.1 液体流速对水击压力的影响

为研究液体流速变化对水击压力的影响程度，对不同输量条件下海底管道出口阀门按5 s线性关阀时间考虑，得到水击压力并进行了对比与分析，结果见图1、表1。

图1 不同输量条件下海底注水管道水击压力对比

基于管道瞬变流的特性，在管内不稳定流动过程中，当管内流体的流速突然发生变化时，会导致管内压力的突然变化。压力的变化量统称为水击压力。在流体流动过程中，当流体受到某种作用的阻止，流体沿受阻方向会产生增压波，使流体压力增加一个水击压力。

从图1可知，水击工况下的操作压力由两部分压力组成，第一部分为初始操作压力，第二部分为水击增压。当出口阀门关闭时，由于流体受到阻滞，将会在初始操作压力的基础上产生增压。如果初始压力确定，则通过降低输量以减小流速可以明显降低水击产生的增压。

从表1可知，水击增压随流量的降低明显降低。

液体流速与水击增压的数值关系如图2所示。

图2 流速与水击增压的关系

从图2可以看出，水击增压与流速基本呈线性关系。针对本文研究的海底注水管道。

2.2 关阀时间对水击压力的影响

为研究关阀时间对于水击压力的影响，在相同输量条件下，海底管道出口阀门按线性关阀考虑，对不同关闭时间时的水击压力进行了对比与分析，分析结果见图3、表2。

从图3可知，在相同输量和起始操作压力条件下，随着关阀时间的延长，水击增压逐渐降低。

对于工况2，虽然关阀延长至5 s，但由于本文研究对象的实际管路周期为2倍管长/水击波速，即压力波往返所需时间大约为5 s左右，与关阀时间基本一致，所以工况2（5 s关阀）的最大水击压力与工况1（瞬时关阀）的最大水击压力相比，相差不大。

表1 不同输量条件下海底注水管道水击压力参数对比

图3 不同关阀时间时海底注水管道水击压力对比

表2 不同关阀时间下海底注水管道水击压力参数对比

从表2的数据对比可知，对于工况3～工况5，虽然模拟的关阀时间大于管路周期，但关阀时间从10 s延长至30 s，水击增压降低幅度大约为10%。由于初始最大操作压力较高，关阀时间从10 s延长至30 s，最大水击压力降低幅度大约为3%，降低幅度并不明显。

2.3 关阀顺序对水击压力的影响

为了研究关阀顺序对于水击压力的影响，在相同输量条件下，海底管道入口和出口阀门分别按5 s和30 s线性关阀考虑，通过延迟入口阀门不同关闭时间来反映进出口阀门的关闭顺序对于水击压力的影响。关阀时海底管道入口和出口水击压力对比分析结果见图4～5、表3～4。

从图4～5可知，当海底管道进出口阀门关闭时，均会在状态变化的位置产生水击。工况1的海底管道入口阀门关闭时间没有延迟，所以入口阀门先动作。在入口阀门关闭的时刻，由于入口阀门下游流速突然减小，使管内流体产生膨胀，流体压力下降，此时海底管道入口先会产生减压波。然后向下传播，减压波到达海底管道出口端时，出口阀门还未关闭，由于减压波的影响，会使海底管道出口操作压力降低。减压波到达海底管道出口后又反射至上游，到达入口时由于受到入口阀门的阻止，会产生增压波，导致入口压力升高。增压波将再次反射到海底管道出口关闭时刻，依次往复。

图4 不同关阀顺序时海底注水管道水击压力对比（海底管道入口）

图5 不同关阀顺序时海底注水管道水击压力对比（海底管道出口）

由于出口阀门关闭时间慢于管路周期（管路周期大约为5 s），入口阀门关闭产生的减压波会在出口阀门未完全关闭时返回，而返回的减压波与出口阀门继续关闭产生的增压波叠加，会使压力增加的速率降低，并出现关阀时间大于管路周期后，阀门继续关闭产生的增压值小于阀门处返回减压波的减压值的情况，从而使阀门处水击压力峰值不断降低，直到海底管道出口阀门完全关闭时。

对于工况2和工况3，入口阀门动作后，返回的减压波的减压值小于出口阀门产生的增压波的增压值，导致出口压力升高。

对于工况4，考虑入口阀门延迟关闭25 s后，实际入口阀门的关阀时间和出口阀门关闭时间相同，海底管道入口阀门关闭产生的减压波和海底管道出口阀门关闭产生的增压波分别向下游和上游传播，并持续在管道内振荡。

对于工况5，考虑入口阀门延迟关闭35 s后，实际入口阀门的关阀时间晚于出口阀门关闭时间，海底管道出口关闭时产生的增压波向上游传播并到达入口，由于增压波的作用使入口压力小幅升高。增压波在入口反射后到达出口形成减压波，并引起出口压力的降低，依次往复。在第45 s时入口阀门关闭，形成一股减压波后向海底管道出口传播，由于受该减压波的影响，出口阀门关闭时产生的增压波对入口压力影响有所削弱。

表3 不同关阀顺序时海底注水管道入口水击压力参数对比

从表3可以看出，海底管道入口水击增压随入口阀门关闭时间的延后而减小，但入口阀门关闭时间的延后可能导致初始最大操作压力的升高。

表4 不同关阀顺序时海底注水管道出口水击压力参数对比

从表4可以看出，对于工况1～工况4，海底管道出口水击增压随入口阀门关闭时间的延后而增大。对于工况5，入口阀门延迟关闭时间最长，水击增压值仅比工况4低，但初始最大操作压力却最大，叠加后的最大水击压力为最高。

由此判断，阀门的关闭顺序对于水击压力会产生一定影响，且存在一个初始最大操作压力与水击增压的最大或最小组合。

2.4 关阀特性对水击压力的影响

海底管道进出口设置关断阀，可用于在海底管道上下游工艺系统压力异常时保护海底管道不被破坏。关断阀一般由具有远程控制功能的执行器驱动。关断阀可采用气动、液动或气、液联动执行机构驱动。

海上工程通常采用气动执行机构关断阀，如图6所示。

图6 海底管道关断阀执行器

海洋平台关断阀执行机构行程通常为线性。非线性关阀特性需要执行器具备特殊的关闭特性，据厂家反映，在实现该功能要求上还存在一定的难度。线性与非线性关阀特性曲线对比见图7。

图7 线性与非线性关阀特性对比

为了研究阀门关闭特性对水击压力的影响，在相同输量和关阀时间条件下，将线性关闭特性和非线性关闭特性产生的水击压力进行了对比与分析，分析结果见图8。

从图8可知，相同流量和关阀时间条件下，采用非线性关阀特性的阀门可以有效遏制水击增压。由于水击作用实际上是：可压缩性流体与具有弹性的管壁碰撞形成的波导致在某时刻流体产生压力瞬变，碰撞最剧烈的时刻即为阀门关闭的瞬间，因此水击影响在该时刻也最为显著。水击增压主要产生于阀门即将关闭的时刻，采用线性关阀时，关闭的速率基本恒定；而采用非线性关阀特性时，在阀门完全关闭前，阀门的关闭速率变缓，从而使水击增压大幅地削减。

图8 不同关阀特性时注水海底管道水击压力对比

3 结论

通过对海底注水管道水击压力计算影响因素的研究得到：

（1）阀门关闭先后顺序对水击压力有一定的影响，且存在着一个使水击压力最大或最小的关阀顺序组合。采用动态模拟的方法可以研究分析最佳的关阀策略，从而优化设计。

（2）延长关阀时间可以缓解水击增压。但是对于特定的管路，延长关阀时间对于缓解最大水击压力的作用可能并不明显。采用延长关阀时间缓解水击压力的方法，应结合管路特性，通过动态模拟计算对比研究后确定。

（3）利用非线性的阀门关阀特性可以有效缓解关阀水击增压，但目前实现非线性关阀功能还有一定难度，需要阀门厂家加大相关产品的研发力度。

（4）水击增压与流速基本呈线性关系，可以按照流速评估水击增压的幅度和大小。

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