起伏地形管道水流冲击气囊试验研究

李金乘 陈旺

摘要 为了研究起伏地形水流冲击气囊形成压力脉冲的机理，设计并建造了水流冲击气囊试验模拟系统，并且通过控制不同试验在不同条件下进行的冲击试验，研究了压力脉冲变化的规律与背压、气囊位置和气囊大小、倾角、开关阀等影响因素的关系对试验管道末端最大瞬时压力的影响。本文研究揭示了试验管道末端产生瞬时高压的机理：倾角水平的时候压力较大，而倾角越往上压力越小;气囊越大压力越大;背压和开关阀都对压力有较为显著的影响。

关键词： 起伏管道、水流冲击、气囊、水力脉冲

一、概述

管道输送作为五大运输方式之一，在国民经济发展中发挥着越来越重要的作用。我国油气长输管道网络已初步建成，截止至2018年年末，我国累计建设油气长输管道里程数为13.6万公里，其中，“十一五”期间新增3.45万公里，“十二五”期间新增3.02万公里。其中部分依地势而建的管道便形成了起伏，甚至大落差。

起伏管道需要加压设备提供更多的能量克服重力势能，同时在高点处巨大的重力势能将继续转换成动能和压力势能，这对管道的控制和保护提出了更高的要求。此外起伏管道运行期间可能有空气或蒸发油气滞留聚集在管道的局部高点或低压区，进而随液体流动进入到高压区中，其中的高压力挤压气泡破碎，形成类似于泵入口气蚀的压力脉冲，导致水力冲击压力的急剧升高，从而对管路造成巨大的破坏。

探求起伏管道两相流动冲击可以通过理论研究或试验研究的方法，由于理论研究中引入很多假设条件，而这些假设条件与实际情况之间存在一些出入，因此仅仅依靠通过理论分析建立数学模型并进行数值计算的研究方法还不够，必须将理论研究与试验研究结合起来，通过观察试验现象分析试验结果，总结规律弄清机理，从而校正理论研究的数学模型，因此试验研究是探究起伏管道试压排水爆管机理的重要手段，是不可或缺的一个环节。

二、试验装置及试验方案简介

本次起伏地形管道水流冲击气囊试验研究在不同条件下起伏管道水力冲击时管路在冲击过程各个主要参量的变化情况，主要探讨背压、倾角、体积和气囊位置对于起伏管道末端最大瞬时压力的影响。试验装置由四大部分组成：试验管道系统、注气及储气、排气系统、供水及排水系统、测量及数据采集系统组成。

试验管道系统采用大落差、陡倾斜设计，主管道是上游水柱冲击过程中流经的管道，是一个下倾管道、弯管以及水平管道的组合，其中大部分使用有机玻璃管，以方便对上游水柱进行测速;主管路下端、弯头以及后端的管路部分使用不锈钢管，保证承压能力;中间连接一个高强度橡胶弯头，方便对角度进行调节。

注气及储气系统包括空压机、缓冲罐、压力表、快接蝶阀，提供排水时清管器运移的动力.注气系统使用缓冲罐来控制注气压力，包括两个缓冲罐组，一级缓冲罐直接与注气管路相连，二级缓冲罐和空压机相连，每次操作使用二级缓冲罐给一级缓冲罐补充气体，这样避免了频繁启停压缩机对压缩机造成的伤害，也使得控制精度更高、操作更为简单。储气系统采用钢管和快接蝶阀的组合，快接蝶阀间的钢管用于储气，快接蝶阀用于密封以及快速开闭。排气系统在管路的上端以及水平的4段不锈钢管路上安装排气阀，分别用于在试验准备阶段向管路注水的过程、试验冲击过程时对现场开排气泄压阀的、以及试验做完之后对管路泄压这三个阶段的排气;排气管路和一个小型水箱相连，对高压气液混合物进行缓冲。

供水系统试验采用逆向注水的方式，直接在管路末端连接自来水管向上注水，管内气体在上端排气阀排出，这样管道连接方便，操作主要集中在危险较小的地面，排气效果也较好，操作简单、稳定。排水过程包括冲击过程在管路末端的排水以及对空气段管线的放空。由于需要探究管段中含气量以及气段位置对管道末端最大瞬时压力的影响，在注水的过程，应尽量能够准确控制管道内的气体体积，要先将整个管路注满水，关闭两端蝶阀，并通过位于该管路下部的排水阀放空管内积水，达到控制气体体积的目的。管路的末端和高压气罐连接，在管道有残余水无法排空时使用高压气体进行排水。

测量与数据采集系统包括压力表、压力传感器、高速摄像机、数据线、数据采集卡及计算机，以实现控制、显示并记录注气排水过程中的气液流动状态参数值。

和其他研究气囊冲击和断路弥合水锤的试验相比，本试验设计具有三个特点，一是可以调节气囊的位置，因而可以研究气囊位置对弥合水锤的影响;而是通过有压气体推动水柱冲击，而其他研究者为了维持冲击过程压力不变，需要维持很高以及很稳定的液位，造成了浪费，也无法很好的研究背压对于冲击压力的影响;三是实现了对末端管路倾角，这是研究这方面的前人没有研究的因素，这个因素和其他因素比如压力、气囊大小等因素结合时，对末端管路会产生很显著的影响，研究管路倾角，有助于我们对气囊冲击以及断路弥合水锤的机理有一个更好的认识。

三、结论

影响起伏管道水力冲击试验管路末端的瞬时最大压力的因素有很多，考虑到各因素的影响程度及实验室模拟条件的限制，本试验考虑的因素有背压、气囊大小和气囊位置、倾角、开阀关阀。其中倾角的变化范围为-5。、0。、10。、20。、30。;背压的变化范围为0.75MP、0.51MP、0.31MP;发阀门状态有开阀、关阀;气囊的长度变化范围为42cm、84cm、126cm、168cm，气囊的位置分为左、右两个状态，5个变量进行组合，共有5×3×2×4×2=240组试验。

通过观察试验现象及分析试验数据，得出了如下结论，并提出了相应的改进建议：

（1）气体的存在使得管道末端产生瞬時高压，远远高于气体不存在的情形，冲击前端和冲击末端都产生了明显的压力尖波。压力脉冲的机理是上游水柱的压能转化为动能的过程，水柱的压力下降。加速到一定的速度之后，水柱开始冲击气囊，这个弥合过程导致压力激增，远远大于背压。通过高速摄像机我们可以看到冲击过程并没有一个很明确的界面。一打开阀之后，就会出现一个小型的由分散水滴楔子冲入气囊中，此时液滴较分散。之后就会出现一个较为密集的气泡冲击，可以用肉眼观察得到。气泡冲击持续了一段时间之后，液量增加，气泡较少分别在液体里，出现了气液的分界面。形成了如同波浪流的多相流态，此时冲击过程已经接近尾声。

（2）开关阀这个因素对管路的压力变化具有最直接的因素，在我们试验的各个工况，压力都发生了显著地下降。因而在实际的工作过程中，如果存在大量的气体析出或者是可能有大量的气体滞留，可以考虑安装排气阀进行排气，可以有效降低可能发生的水力冲击的压力。

（3）气体冲击压力的大小和具体的冲击机理有密切的关系，这体现在气囊位置和气囊大小的不同上，在此基础上，倾角和背压对水柱冲击的影响各有不同。试验中观察得到，当存在两段液柱弥合水锤的水柱冲击时，作用机理和影响因素都与水柱冲击盲端气囊不相同，特别是当末端管路的角度较大的时候，差别更加明显。因而在实际过程中，需要首先对冲击的类型进行一个大致的了解，再通过合理地选择设置管路倾角、调节背压等的方式来减小冲击压力。