原油碼頭管道輸送水擊問題的研究與分析

趙振智，王為民，李衛衛，鄭翔文，王有龍

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

管道在輸送油品過程中，常常因為各種原因引起管內流速發生突然的變化，如調節輸量、管道泄漏以及停泵、啟泵等都會引起流速變化，從而使管內壓力急劇的變大或變小。這種現象叫做水擊（水錘）。水錘產生的高壓是正常工作情況下的幾十倍，甚至百倍。另外還會產生超高的負壓。幾十倍的高壓可導致管道系統產生強烈的振動、噪聲；閥門破壞，管件接頭破損、斷裂等后果，嚴重時會引起管道爆裂。因此為確保管道安全、經濟地運行，需要對管道輸送時的水利工況進行分析[1,2]。

大連長興島30萬t原油碼頭卸船、原油庫區裝船時，由于管線最高點高于油罐的最高液位（管線高點標高為52 m，油罐底標高最高30 m，儲存最高液位為19.2 m，最高液位僅達到49.2 m，也沒有超過高點管線標高），因此高點處的油會流到泄壓罐中，并且考慮到管線如果充滿高凝點油，需要送入伴熱，因此管線的“死段”將造成管線憋壓。如果管線出現空管線或憋壓的情況，都會出現水利工況異常的現象，發生水擊，這將嚴重影響高凝點油的安全操作管理。發油結束后，關閉兩端的閥門，管內會滯留一部分原油，隨著日光、氣溫的不斷變化，原油會隨著不斷的收縮或膨脹產生壓力。壓力的變化會使管道內再一次的產生空洞，當下一次輸送油品時便會產生水擊。因此有必要對大型原油儲庫管線系統水利工況進行系統的分析研究，找到避免管線系統發生水擊現象的方法和措施，確保管線正常平穩的運行。

1 水擊產生的原因

水擊產生的原因很多，例如；閥門的動作、空管道或含氣管道填、泵的動力故障、管道的事故堵塞或泄漏、負壓波時產生的空泡潰滅等[3]。卸船作業是由船方啟泵，通過碼頭輸油臂、工藝閥門、輸油管線進入到原油罐區，在這種作業模式下，可能出現高點管線局部空線，這樣很容易產生水擊[4]，因此原油庫產生水擊的原因主要有以下幾點：

(1)在開始到卸船作業前，船方及碼頭、庫區崗位需導通卸油流程，即從船艙裝卸口處至庫區流程全部暢通。此時，即使整條管線開始處于全滿狀態，在導通流程的過程中，管線高點處的油會流向庫區收油罐，造成高點處的管線空線。

(2)一條卸油船有時配載不同的油種，每票油種卸完后在換其他油種時，需要先停船泵，然后再切換船方和庫區收油罐的流程，在這個過程當中也會造成高點出的管線空線的情況。

(3)每票油種收尾作業時，由于此時船泵排量很小，有時僅有幾倍立方米/小時，也有可能造成碼頭至收油罐之間的管線空線。

(4)卸船作業全部結束時，由于是先停船，然后再關閉相應閥門，存在時間差，也會造成高點處流向收油罐加船方管線中（類似于第一種情況）。

(5)其他特殊情況。當油船突然發生停泵等意外情況時，都會造成高點出油流向收油罐中，從而引起水擊。對于裝船也同樣會造成管線空線，原因類似于卸船的第1、3、4情況。

2 水擊的危害

管道內產生不穩定流造成的水擊現象通常會引起以下四種嚴重后果：

(1)管道充裝。由于穩定流動時摩阻損失引起的壓力坡降的存在，在管道水力瞬變過程中，增壓波前鋒經過后，管道容積和管內壓力繼續增加的過程為管道充裝。管道充裝形成的超高壓對管道有很大的損害作用。

(2)液柱分離。水擊產生的超低壓波可使溶解在液體中的氣體釋放出來，當超低壓降低到液相的飽和蒸汽壓時，管內會逸出大量氣體，進而形成很長的氣穴。超低壓能使管道變癟，壓迫管道。

(3)振動。水擊最嚴重時引起的是振動，當流體產生的壓力波與管道設備的固有頻率接近相等時或壓力波周期性的撞擊管道時，所引起的振動非常劇烈，對管道的損傷極為嚴重。

(4)噪聲等。

3 水擊波的水擊壓力和速度計算

（1）水擊波的傳播速度。水擊所產生的壓力波的傳播速度取決于液體的壓縮性和管壁的彈性，關系式為[5]

式中：c — 壓力被傳播速度,m/s;

ρ —液體的密度,g/m3;

K —液體的體積模量,Pa;

E —管材彈性模量,Pa;

d —管道內徑,m;

d —管壁厚度,m;

D —管道內徑,m。

(2)水擊波的沖擊壓力。當液體流速變化時（管線截斷處閥門突然關閉），管道的壓力發生急劇的變化，這種壓力會發生在管道的低洼處和正常運行時的高壓段。

根據茹科夫斯基H E公式，可計算出流速變化所引起的壓力變化值[6]：

式中 :r—油品密度, g/m3;

c—水擊波的傳播速度, m/s。

例如流體的流速為4 m/s，突然關閉閥門時產生的水擊為：

若管道內油品為汽油時，短時間的壓力可達到3 MPa。此壓力就可以使管道爆裂。

(3)水擊膨脹壓的計算：發油結束后，兩端閥門關閉，油品被滯留在管內，由于日照和氣溫的變化，油品將隨著膨脹或收縮。由于溫度所引起的壓力變化，管內的壓力可由下式計算[7]:

式中：αT——液體溫度膨脹系數，石油類 aL=(1 000～750 )′ 10-6℃；

αp——管材三維溫度膨脹系數，鋼管 ap=36 ′10-6℃；

K——液體等溫壓縮系數，煤油 k = 7 1 ′ 1 0-6M P a-1；

Dq ——溫差；

D——管徑，cm；

d——壁厚，cm；

E——管材彈性模量，MPa。

由公式可以計算出，膨脹時，當外界溫度升高1 ℃柴油的膨脹壓力為0.736～0.792 MPa油的膨脹壓力為0.603～0.649 MPa縮時，油品收縮形成的空洞的體積由下式計算[7]:

收縮時，溫度變化1 ℃時，油品的體積收縮約為 ，也就是說1 000 m長的管路，將有1 m長的空洞發生。空洞便被石油蒸汽和溶解氣所充滿，并形成液柱分離。這時若再輸原油便會形成水擊。

4 水擊的防護措施

由于水擊產生的主要原因是受泵的揚程、管道的長度、流速、閥門等相關因素的影響，所以在實際運行時應從設計、施工、管理三方面來預防水擊。

4.1 設計階段

(1)安裝飛輪。泵安裝飛輪的目的是增大泵的慣性，泵的回轉慣性和能量相應就會增大，進而泵的回轉速率、壓力和流量均減小。

(2)改變管路的形狀。將管道設計成均勻上升且略向下凹的平緩線路，就可避免出現負壓，確保水擊的安全。

(3)設置脹油管。于外界溫度變化管內的油品會發生膨脹，油品便通過脹油管進入罐內，從而避免管內壓力的上升；反之，油品從罐內注入管內就不會形成空洞。

(4)水擊波攔截。管道的中間站停泵，輸油管道的上游將會產生增壓，下游產生低壓。對此對上下游采取停泵的措施，這樣形成的新水擊波可以與中間站的水擊波相互疊加，達到相互取消進而攔截了水擊波。

(5)自動泄壓保護。油管道難免會產生超低壓波或超高壓波，這種現象對管道的破壞性及其嚴重。因此輸油管道的泵站均應安裝自動泄壓罐，當泵入口壓力超過設定值時，泵入口泄壓閥自動開啟使一部分原油流入泄壓閥，從而使壓力降低至正常值；當泵入口壓力小于設定值時，泵出口泄壓閥自動開啟將部分原油流入泵入口，從而將壓力升高至正常值。當進出站壓力恢復到正常壓力時，泄壓閥自動關閉，管道正行運行。

(6)自動調節保護。輸油管道遇到超低壓水擊時管道的運行參數會接近設計值，調節閥會根據管道的壓力進行自動的調節，從而保證了管道的平穩、安全運行。

(7)順序停泵。管道或者泵站的運行參數已經嚴重超過設計值時，管道必須采取停泵的措施。針對輸油管道不同的運行工況要求，建立起正確的停泵順序可以保證管道在不平穩的順便過程中安全的運行。

4.2 施工階段

施工的好壞對于設計的結果和工程的運行有著很大的影響。施工過程中應該嚴格依照設計圖紙、施工方法和工藝的相關規定的要求進行施工。在施工過程中，一定要杜絕為了節省施工成本而減少管壁厚度、更換不合格的閥門等相關的違規行為。另外，為了確保施工過程的安全性，監督和建設單位要嚴格的依照相關規定處理問題，切實履行責任，把技術質量放到第一位。

4.3 管理階段

在實際的運行管理中，水擊的發生主要是由于員工的操作不當、管道系統不穩定運行所引起的，因此在管道運行中很有必要對管道進行加強管理，避免水擊的發生。

(1)工作前，要對員工進行相應的技術培訓、教育指導，使員工能夠嚴格的按照規定進行運行操作。

(2)定期的為運行管道進行相應的維護、清理和檢修以及除去管道內的雜質，從而減小雜質對管道運行帶來的影響。

(3)啟泵時應該將管內的空氣除去，打開泵出口處的所有閥門，然后在啟動泵。 若在空管線啟動泵，程序操作如下：首先泵的出口閥門應打開 15%～30%，然后啟動泵，待管道充滿油時在將閥門打開到相應的開度。

例如對于水擊波的攔截保護，在管道實際運行管理中，將水擊攔截保護方案的相關規定措施輸入到SCADA系統中。對于調節閥的自動保護，調節閥的入口壓力設計值、泄壓閥的出口壓力設計值和順序停泵的進出口壓力設計值都必須由專門控制運行參數的管理操作人員來提供完成。為了確保通信技術可靠、自動控制設備的準確性，在輸油管道的運行管理過程中要準確的掌握水擊工況的相應參數。

5 結 論

離輸油管道的水擊現象的發生在所難免，危害性及其嚴重。因此針對大連長興島原油碼頭卸船、原油庫裝船時產生的水擊必須嚴格控制，通過實際情況分析了大連長興島碼頭油船產生水擊的原因、水擊的危害以及水擊的波速和在不同工況條件下水擊沖擊壓力的計算公式。最后提出了從設計、施工、管理三個階段來進行避免水擊的發生。對于員工一定要嚴格的遵守操作的相關規定，將水擊的發生和危害性降低到最小。

［1］ 唐均,張洪明,王文全.長距離有壓輸水管道系統水錘分析[J].水電能源科學,2010(2):82-85.

［2］張國權,劉凱.成品油管道的水擊及其防護措施[J].油氣儲運,2006,25(12):61-63.

［3］楊筱蘅.輸油管道設計與管理[M].東營:中國石油大學出版社,2011.

［4］郭光臣,董文蘭,張志廉.油庫設計與管理[M].東營:中國石油大學出版社,2006.

［5］張國忠,元強,長距離輸油管道密閉輸送與壓力調節保護[J].油氣田地面工程,2002(3):34-36.

［6］吳峰平,張顯明,潘詩浪,等.管道水擊壓力的數值模擬[J].重慶工商大學學報（自然科學版）,2011(1):26-29.

［7］宣飛釵.油品輸送管道的水擊計算與處理措施[J].金山油化纖,1997(4):58-63.