注水工况下的管柱水锤分析

艾鹏先，关 元，孟 琪，冉 东，刘玉雪

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

压裂或注水过程中，管柱内液体具有高压、高速流动的特点，一旦管内液体流动边界发生短时间变化，将会产生管内液体流速及压力的变化，可能造成管柱振动、密封失效甚至断裂。通常这种短时间压力变化现象称作“水锤效应”或“水击效应”，对于有介质运输的管路系统十分常见，其破坏力也十分惊人[1]。

在石油化工等领域，水锤的计算主要集中于长输管线，气井关井等工况。樊洪海等[2]人利用特征线离散方程后求解了天然气瞬变流动后对管柱振动的影响，结果反映出关井导致的管内压力升高对管柱轴向振动有很大的促进作用。长距离输水线路距离长，起伏大，地形复杂，当阀门受到外界因素影响突然闭合时，由于惯性作用管体内部会出现较大的水力压力，很容易造成爆管等水锤事故，提前进行水锤效应的数据分析将能大大降低水锤对管道带来的危害，有效避免事故的发生[3]。杨春敏[4]对锤击时柱塞组件的运动以及冲击压力波产生和传播机理进行了分析，分析表明了这种水锤装置能够产生的水锤压力包括水锤静压力和冲击压力，并通过试验验证了理论分析的正确性。

气井关井会产生管内压力升高是受气体流动边界突变影响，那么同样具有高压力的注水过程会不会产生同样的水锤效应，相较于气井水锤，压裂或注水水锤具有以下特点：介质基本不可压缩，管内高压，边界变化时间相对较长。其中不可压缩使介质压缩过程不具有缓冲性，理论上增大压力变化值；而管内基础压力高，可能会放大压力变化值；此外，边界变化时间长可能减缓压力增高。因此，本文主要针对注水工况下，运用管道振动分析软件AUTOPIPE对管柱注水过程进行水锤模拟分析，重点对管内液体流速、压力、轴向振动速度以及轴向附加应力进行分析，为现场管道施工安全提供参考。

1 水锤分析建模

在管道振动分析软件AUTOPIPE设置管柱的基本属性：管柱的直径为80mm，壁厚采用标准壁厚，材料选用为A106-B(20#钢)，腐蚀余量设置为1.5mm。考虑管道内为水，故介质比重设置为1。该模型未考虑保温层厚度，故保温层厚度设置为0mm.。在管柱工况的设置时，其中温度设置为25℃，压力为1MPa。

图1为所建管路模型，共包含15个点。其中A02，A10，A12为弯头处，A13为阀门；A00点到A02点为1000mm，A02点A10点为6000mm，A10点到A12点为1500mm，A12点到A13点为2000mm，A14点到A15点为1000mm。

图1 管柱模型

2 管柱的静态分析

当管路模型建好后，应对管道的自身结构进行分析，看是否满足管路的设计。图2为管路的静态结果，从图2中可知其最大应力比未超过0.75，故该模型满足管路的设计。图3为只考虑管路在重力、温度和压力下的静态分析下的位移变化形式，由图3可知，位移变化明显部分发生在A02处及A09到A13点之间的管路上，其中位移总变化发生最大在A10处为0.59mm.图4为管路在重力、温度、压力及瞬态冲击下位移变化形式，其中最大位移也发生在A10处为47.39mm，并伴有角度偏转。

图2 管柱的静态分析结果

图3 管柱在重力、温度、压力下的管路位移

3 管柱的瞬态分析

在管柱进行水锤分析前要对管柱进行相应的设置和加载，其中体积弹性模量设置为316000Pa，响应时间，其中L为管系的特征长度，C为声音在水中的传播速度，通过计算，响应时间为0.0107s，因为管柱中介质为水，固介质比重设置为1.对压力为1MPa考虑流速为0.2m/s、0.4m/s、0.8m/s时的进行分析。由分析结果可知，在流速为0.2m/s时，x轴方向的最大位移为A10点，为23mm；Y轴方向的最大位移A12点为13.31mm，总位移变化最大在A10处，为26.28mm。流速为0.4m/s时，x轴方向的最大位移为A09点，为45.82mm；Y轴方向的最大位移A12点为26.62mm，总位移变化最大在A10处，为52.76mm。流速为0.8m/s时，x轴方向的最大位移为A09点，为91.46mm；Y轴方向的最大位移A12点为52.24mm,总位移变化最大在A10处，为105.53mm。由分析结果可知，当压力不变时，随着流速的变化，管柱振动的最大位移与流速增加的比例近似，且都发生在弯头A10处，水锤效应在弯头处的表现更明显。

图4 管柱在重力、温度、压力及瞬态冲击下的管路位移变化

4 结论

1）考虑管柱重力、温度、压力及瞬态冲击下的管路的位移比未考虑瞬态冲击时管柱振动位移明显，因此压裂或注水工况下，水锤影响不可忽略。

2）当压力不变时，随着流速的变化，管柱振动的最大位移与流速增加的比例近似，且都发生在弯头处；水锤效应在弯头处的表现更明显，因此在施工过程中，需尽量避免管路中弯头数目。