利用蓄压腔对原油输送管道产生的水击现象进行防护的研究

张健康，邓育轩

（兰州城市学院培黎石油工程学院，甘肃 兰州 730000）

1 研究目的及意义

石油的地位越来越重要，被叫做工业血液，在运输石油方面主要是水运以及陆运[1]，二者比较来看，水运更为经济，有条件的优先选用水运，公路运输考虑到罐车装载量小，综合费用较高，而且油气损耗也高，所以，油品输送方式主要有铁路和管道，其中管道输送有着不可替代的作用，它的特点有运输损耗少，并且输送量大，相比之下也比较经济，适于大量、定向、定点运输石油流体等[2]。

当在管道运输过程中，如果出现阀门的紧急关闭或开启、停泵等事故，会出现水击现象造成管道中流速的突然变化，继而引起压力波，管道内压力发生急剧变化[3]，如果超过正常的压力值会造成阀门破坏、管件接头破裂、断开，甚至管道炸裂等重大事故。Flowmaster 是一款有名的流体系统仿真软件，它可以很好的模拟出管道输送原油时出现水击现象的情况，然后根据模拟结果分析原因，采取保护措施，尽可能的消除水击现象来保护运输管道。

2 水击现象

2.1 水击的定义、产生原因及危害

原油在管线输送的过程中，液流断面上的各个流速和压强不随时间变化的叫做稳定流，反之则称为不稳定流。而原油在实际管线流动的过程中，压力不随着时间变化的情况是很少的，但是变化的幅度很小，因此被当作是稳定流[4]。但当这种稳定被破坏时，在压力管道中，由于液体的流速发生了急剧的变化，管线中会出现瞬时压力明显、反复和迅速变化的现象，此现象被称为水击，也叫做水锤[5]。

导致管道中形成水击现象的因素有很多。例如当管道阀门突然开启停止时，或者当泵突然开启停止时，由于管道中液体流速突然发生了急剧的变化，导致管道中液体的流动量一瞬间发生变化，从而引起管道中的压力发生显著的变化，进而发生水击现象，管道上的止回阀失灵或者运输管道过长且地形的变化大也会引起水击现象。水击发生时产生的高压可能会达到正常压力的几十倍到上百倍[6]，并且压力波动大，引起管道和调压设备等附加元件的损坏，甚至引起整个泵站系统灾难性的事故，可能会造成设备发生强烈震动产生噪音，还可能会发生管道变形、阀门损坏、关键接头破裂，甚至爆炸，这不仅对环境造成严重的污染，严重的情况下还会伤害到人生安全和财产安全。

本研究主要模拟的是因管道地形引起的水击和在操作过程中阀门紧急关闭引起的水击。

2.2 水击保护措施

水击保护就是预先采取措施使水击的压力波动不会超过管道设备的设计强度，在管道内不会发生液体断流和负压，可根据管道条件选择保护方法，设施可根据水击分析的数据进行选择。

水击保护措施有3 种:（1） 泄压保护，顾名思义就是一种泄放保护，在管道的某一点安装泄放阀，当发生水击时，可通过泄放阀排出一定量的气体或液体，从而减弱高压波，防止造成危害。（2） 管道增强保护，当管道的强度可以承受水击的高压时，可以不用采取别的保护措施，小口直径的管道通常具有相当余量，可承受水击产生的高压。（3） 超前保护，就是在水击发生时采取的保护措施，由管道控制中心统一发出指令，上、下泵站发出一种与水击压力波相反的扰动，从而抵消水击压力波，这就要求管道在高度自动化基础上，才能完成保护措施。本研究中采取的是泄放保护。

3 模拟软件及数学模型

3.1 Flowmaster 软件介绍

Flowmaster 软件是一种一维的流体仿真计算模拟工具，在全球比较领先，是面向工程的完备的流体系统仿真软件包。利用Flowmsater 软件可以有效、快速、精准的解决各类复杂流体系统的系统模型，并且进行完备的解析[7]。Flowmaster 软件注重的是系统尺度上所发生的事情，每个流体系统都是有多个元器件组成，如阀门、泵、管道等，还可以检测整个系统的运行，如果当泵的转速发生改变，阀门的开启或者关闭，Flowmaster 软件可以检测到各个支路或节点的流量、压力等变化，能够快速的帮助工程师完成设计[8]。

3.2 模拟铺设管道的地形引起的水击

3.2.1 参数的设置

（1） 轻质原油储罐：（容量：15 Wm3）。（2） 闸阀：（全开状态）。（3） 输油泵：类型：螺杆泵；轴功率：100 KW；转速：750 r/min；流量：1 000 m3/h;效率：85 %；扬程：120 m；设计压力：10 Mpa；最低油温：36 ℃。（4） 闸阀：（全开状态）阀门控制器（开度均为全开）。（5） 输油管道：碳钢无缝钢管。（6） 材质：L360QB（抗硫碳钢无缝钢管）；管线规格：720×8 mm。管壁粗糙度：0.08 mm。管线布置根据模拟器模拟现实需要设置，具体数据见表1。（7）闸阀：（开关状态由阀门控制器10 控制）。（8） 阀门控制器：（时长：0～10 s ；ratio 为1：全开；ratio 为0：全关）；8～10 s(ratio 为1：全开)。（9） 阀门控制器：0～2 s(ratio 为1：全开)；3～10 s（ratio 为0：全关）。（10）仿 真 步 长：TimeStep:0.1 s；SimulationStartTime:1 s；SimulationEndTime:10 s。

表1 管线布置

3.2.2 模型的建立

图1 为模拟铺设管道的地形引起的水击流程，模型示意图代号描述：其中元件共有11 个。元件1、11 为给水水箱；元件2 为止回阀；元件3 为泵；元件4、9 为阀门，由元件5、11 阀门控制元件控制其关闭状态；元件6、7、8 选用的是弹性管道。节点序号共有8 个。

图1 模拟铺设管道的地形引起的水击流程

3.2.3 对水击现象的分析

由图2 可知，该输油系统流程运行中，当终点进罐阀门发生故障关闭或者出现紧急情况人为关闭阀门时，终点油品的流动突然停止，使泵出口管线末端油品的动能转化为势能，对阀门阀板造成冲击，形成冲击波，此时所产生的冲击波称为势涌水击，并且管线中油品的流速越快，产生的势涌水击压力越高。但在冲击波压力返回到上游的过程中，输送泵仍在运行中，泵出口管线末端因压力急剧升高发生弹性膨胀，继续容纳泵输送来的油品，管壁继续膨胀，管线中油品也被不断压缩，由于这种继续充装产生的压力称为充装式压力。泵出口管线排布高低起伏落差越大、管线越长，产生的这种充装压力越高。而泵出口管线终点阀门阀板的水击压力为充装式压力和势涌式压力的总和，部分管段因为流量突变所引起的压力升降的频率较高，可能会超过管线的正常压力，该压力的变化幅值可以达到管道正常压力的几倍、几十倍甚至百倍。而且会使管道内出现负压，压强大幅度波动，导致管道内出现噪音、造成管道的强烈振动，会造成阀门毁坏、管件接口、焊缝等承压能力较低的部位断裂，甚至造成管道炸裂等重大事故，危及员工生命，而且会对当地环境造成破坏。

图2 产生水击时阀门9 阀板所受压力波动

由图3 可知，该输油系统流程运行中，当终点进罐阀门发生故障关闭或者出现紧急情况人为关闭阀门时，泵出口管线高程最大处管段的压力波动主要由3 部分构成：短线末端造成水击后返回的冲击波压力；泵运行中提供流量带来的压力；管线中油品由于高程差具有的重力势能。当由末端返来的冲击波压力继续返回时，会带动高程管段中的油品迅速转换为动能冲向管线末端，从而造成高程管线出现负压环境，如此反复，随着管线末端充装压力逐渐接近饱和状态，7 s 后高程管段中的压力波动急剧升高，逐渐接近管线设计压力。

图3 产生水击时高程较大处管段所受压力波动图

3.2.4 模型的修正对比

现采取加蓄压腔的方式对水击现象进行修正，见图4，在管路系统中加上蓄压腔装置。标号为12、13、14 的装置均为蓄压腔。由图5 所示，修正前高程较大处管段的压力波动的最大幅值约为修正后该管段压力波动最大幅值的1 000 倍。将未采取避免水击措施修正时高程较大处管段的压力波动图和采取了避免水击措施修正时高程较大处管段的压力波动图放到同一个坐标系中进行对比分析。如图6 所示，可以直观的看到，修正前该管段的压力波动很大，压力波动最大幅值超过100 bar,而修正后该管段的压力波动较于修正前趋近于一条直线，基本没有压力波动。所以采取避免水击措施修正后该管段基本不发生水击作用。

图4 修正流程

图5 高程较大处管道修正后得到的压力

图6 高程较大处管道产生水击修正前后对比

3.3 采取避免水击措施的必要性

通过以上模拟分析，可以清楚的看出，采取了避免水击的措施后，增加了管道、阀门以及输油泵的使用安全，很大程度上减少了危险事故的发生，保护环境不遭到破坏。延长了管道、阀门以及输油泵的使用寿命，减少了不必要的经济损失，使输油系统更加经济。

4 结论

本研究首先探究了原油管道在现实生活中占据无可替代的地位并且迅速发展的现状，然后分水击产生的原因可知，只要是原油管道输送系统，在运输原油的过程中，必然少不了阀门的快速关闭又启动、管道通过翻阅点以及偶尔停电等环节，然而这些环节造成的水击现象是非常严重的。本研究用Flowmaster 软件对水击现象进行数值模拟、计算分析，Flowmaster 具备对复杂及普通管路系统的计算分析能力，能够在较短的时间内将需要处理的问题转化成软件所能够识别的模型，通过软件计算处理，最终给出人们所关心的结果，减轻了设计者的工作量，提高了工作效率。

通过模拟出来的水击现象可以看出，水击压力通常会增加到原来运输压力的十几倍甚至几十倍，当水击压力超过管道的耐压强度时就会发生管道的破裂，引发重大安全事故并造成严重的经济损失，还会带来环境污染。所以对原油输送系统必须采用水击防护措施。本研究主要采用泄压的方式来防护水击现象，在容易发生水击现象的管段处安装蓄压腔来释放管道中的水击压力。通过对比分析模拟结果可以明显的看出，在此方式下，管路内的压力波动得到了较好的抑制，波动减缓，得到了几乎稳定的压力图，该防护措施有效的消除了水击现象，从而有效地保护了原油输送系统的安全性。