基于PIPENET的管道系統水擊分析

張 偉，閻貴文

（中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院，北京 100028）

基于PIPENET的管道系統水擊分析

張 偉，閻貴文

（中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院，北京 100028）

水擊的危害性很大，為此在設計上考慮水擊作用的影響是很有必要的。文章對管道水擊現象產生的原因、危害及防止措施進行了介紹，文章利用主流的管網流體計算與分析軟件PIPENET，針對某油品碼頭裝卸管道系統進行水擊分析，研究消除水擊的設計方案、安全閥的安裝位置，并為其選擇最優化的型號。

PIPENET軟件；管道；水擊；安全閥

0 引言

壓力管道中，由于閥門突然關閉、泵機組突然停車等外界原因，使得流體的流速發生突然變化，從而引起壓強急劇升高和降低的交替變化，這種水力現象稱為水擊，或水錘[1]。水擊引起的壓強升高，可達管道正常工作壓強的幾十倍甚至幾百倍，這種大幅度的壓強波動，往往引起管道強烈振動，閥門破壞，管道接頭斷開，甚至管道爆裂等重大事故。因此，在壓力管道系統設計中，必須進行水擊計算，確定可能出現的最大和最小水擊壓強，研究防止和消弱水擊作用的措施[2]。PIPENET是目前主流的管網流體計算與分析軟件，廣泛服務于石油、天然氣、造船、化工以及電力工業等領域，用以進行管網系統計算和優化。通過PIPENET軟件高效快捷地研究這一問題具有很大的實際價值。

1 水擊現象概述

1.1 水擊產生的原因

由于流體不是剛體，而是彈性體，因此在很強的水擊壓強的作用下產生形變，即流體的壓縮。而管道中流體速度又不是同時變化，而是形成一種水擊波 （或叫彈性波）進行傳遞。引起管道流體速度突然變化是水擊發生的條件，流體具有慣性和壓縮性是發生水擊的內在原因。

因此，了解水擊現象、預測水擊的壓力峰值以及有效地將其降低到最小，對管道工程尤為關鍵。以下為導致系統產生水擊的幾個因素：

（1）系統選用了不合理的管徑，部分管道流速不合理。

（2）系統內壓力過高沒有采用減壓閥。

（3）直管過長。

（4）未安裝適當的吸收激波的裝置。

1.2 水擊的危害

在管道輸送流體時，當水擊發生輕微時，會引起管道及其相關設備的振動，產生噪音。嚴重時，水擊和流體動態力可以發生瞬變壓力的同步和疊加，造成管道泄漏、管件接頭破損爆裂和斷開、閥門破壞、泵機組等設備被打壞以及中斷運輸，甚至可能造成人身傷亡事故。管道內水擊的破壞，嚴重影響了管道的安全性、可靠性和經濟性[3]。

如果由于水擊現象的頻繁發生，使得管道和設備一直處于不穩定狀態，雖然泄壓系統可以有效保護系統處于安全運行狀態，但是壓力的頻繁變化引起管道和設備的疲勞程度增加，同時由于油田生產中的流體腐蝕性較強，管道和設備在長時間運行后就容易引起破損[4]。

1.3 防止水擊的措施

通過合理設計管道的各部件，利用完善的管理制度和嚴格執行操作規程，及時維修排除管道運行故障，一般可以將流體系統中的水擊的影響控制在滿意的限度。以下是防止管道水擊的一些措施：

（1） 降低波速。對給定的流量變化，壓力變化與波速的傳播成正比，所以降低波速對于控制瞬變總有好處。如適當加大管徑，限制流速可減小水擊強度。

（2） 安裝水擊消除器。當管路中壓力升高時彈簧受到壓縮，于是打開了水的通路，水被排出而泄壓，因此降低了水擊壓力。

（3）安裝溢流閥。當管道內流體壓力超過調定壓力時，溢流閥閥門打開。

（4） 設置止回閥。水擊危害的大小與閥門關閉時間的長短有關，閥門關閉越快，水擊的危害越大；關閉緩慢，危害越小，要合理增加管路閥門關閉時間，緩慢操作，要絕對禁止突然關閉閥門。

（5）設置調壓室。在較長的管道上設置調壓室，縮短管道長度，可以緩和水擊。

2 利用PIPENET軟件進行管道系統水擊分析

PIPENET軟件的瞬態模塊，可模擬由于設備啟停、閥門操作等因素造成的管網內流場瞬態變化，計算系統壓力和流量的波動，預知水擊或汽錘，驗證系統對動態工況的響應性。并且，PIPENET瞬態模塊可以為安全閥、呼吸閥、壓力容器等在動態工況下工作的關鍵設備進行動態設備選型，使設備的型號更準確、更安全、更經濟。

2.1 油碼頭裝卸管道系統概況

本文以某潤滑油碼頭裝卸管道系統為例進行水擊分析。該系統的主管為長6 km、直徑254 mm的鋼管，該系統的最高設計壓力為1.5MPa。油輪裝滿后關斷閥將關閉。位于棧橋末端有一個緊急切斷閥，在惡劣天氣時油輪在海面上下顛簸幅度較大，緊急切斷閥必須快速關停，并斷開與油輪的連接，以免造成事故。

關斷閥 （NSV閥）和緊急切斷閥 （ERC閥）的關停都應被作為系統設計的重點問題來考慮。研究NSV閥的啟停主要因為該閥每天都要進行多次的開關操作，即使動態工況下產生的最大壓力系統可以承受，也會因為操作頻繁而導致系統連接部分逐漸松動，最終致使系統泄漏；而研究ERC閥的操作主要由于該閥的關閉速度過快，盡管該閥平時不會使用，但其關閉時會導致系統壓力驟增，其壓力峰值遠大于NSV閥關閉時的壓力峰值。

2.2 油碼頭裝卸管道系統水擊分析

該系統的PIPENET基本模型見圖1，關斷閥前安裝安全閥的PIPENET模型見圖2，為比較安全閥安裝位置不同對系統水擊的影響，建立了管道入口前安裝安全閥的PIPENET模型，見圖3。

本系統研究的目標是，首先確保閥門關閉時系統的最大壓力在設計壓力 （允許的壓力極限）以下；并且研究消除水擊的設計方案、安全閥的安裝位置，為其選擇最優化的閥門型號。

在本工況中暫不考慮緊急切斷閥的工作，只考慮正常天氣下關斷閥25s關閉的工況。本次模擬了六種不同情況下管道內的水擊分析，具體情況見表1和圖4～9。

表1 PIPENET軟件模擬工況表

從圖4分析可知，在工況1中，閥門入口的最大壓力2.087 MPa，該峰值超過了系統設計的最高壓力1.5 MPa。說明系統有水擊發生，需要安裝保護裝置。

模擬結果顯示安全閥在NSV閥前時，在工況2、3、4、5中，工況5的閥門入口壓力大于系統設計壓力，工況2、3、4均滿足壓力小于1.5 MPa的要求，但是考慮到工況4安全閥開度54%，閥門型號較小可以降低工程造價，所以選擇Cv50安全閥安裝于NSV閥前最優，系統可以達到減小水擊，保持管道系統正常運行的目的。在此基礎上，PIPENET軟件還可以模擬關斷閥不同的運動行程，水擊對管道系統的影響。這樣可以要求操作人員嚴格執行操作規程，將水擊發生的頻率和水擊造成的損失降至最低。

模擬結果顯示工況6把安全閥安裝在管道入口位置不對，只能將管道的入口壓力控制到1.41 MPa。當閥門入口已達到壓力峰值時，安全閥還沒有做出任何反應，這是因為該管道的長度為6 km，在壓力波傳遞到安全閥之前，閥門入口壓力已經達到峰值。

3 結束語

壓力管道系統的水擊現象是難以避免的，水擊的危害性很大，為此在設計上考慮水擊作用的影響是很有必要的。PIPENET軟件已經在該油品碼頭裝卸管道系統項目中成功得到應用，并已用該軟件對該項目的安全閥動態響應及優化選型做了大量模擬，該項目最終選用型號為Cv50的安全閥，并將安裝位置定在操作閥的前面。

[1]王瑋，馬貴陽，孫志民.輸油管網水擊危害及其防治[J].油氣田地面工程，2010，（3）：45-46.

[2]華曄.壓力管道中水擊的介紹[J].中國科技財富，2008，（10）：113-117.

[3]范海峰，拜璐，樓凱，等.管道運輸水擊問題研究及預防[J].科技傳播，2010，（24）：214-215.

[4]顧洪斌.油田生產系統的水擊成因及防護措施[J].勝利油田職工大學學報，2009，23(4)：53-54.

Analytical Study on Water Hammer of Pipeline System Based on Software PIPENET

ZHANG Wei（Engineering Design Institute of China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100028， China）,YAN Gui-wen

It is necessary in pipeline design to consider the impact of water hammer on pipeline operation safety because of its great hazard.This article introduces the pipeline water hammer causes,hazards and preventive measures.Using the mainstream pipe flow calculation and analysis software PIPENET analyzes the water hammer in the loading pipeline system at an oil product dock and researches the installation location of safety valve and the selection of optimal valve type.

software PIPENET;pipeline;water hammer;safety valve

TE973.1

B

1001－2206（2011）增刊－0055－03

張 偉 （1983-），男，助理工程師，2009年畢業于中國石油大學 （北京）油氣儲運專業，現主要從事海底管道的工藝設計工作。

2011-08-10