長距離油氣管道試壓排水不滿流分析軟件*

李曉平 鄧 濤 周 軍 陳媛媛 宮 敬

(中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室)

管道輸送作為五大運輸方式之一，在國民經濟發展中發揮著越來越重要的作用。對于新建起伏管道，試壓操作是對管道施工質量、管材性能和管道整體強度的一次綜合檢驗，也是工程竣工投產前對管道進行安全檢查的重要手段，它可以及時發現管道存在的缺陷，以便及早采取措施，排除管線中的隱患。目前，常見的管道試壓介質主要有潔凈水和壓縮空氣兩種，試壓介質也可以是天然氣或惰性氣體，根據實際情況需要，防凍液也可用作試壓介質。在 GB/T 16805-2009 和API-RP-1110-2007 中對試壓介質有新的規定，即在滿足標準中所規定的特定條件時，試壓介質也可以是蒸汽壓小于 0.05MPa 的液體石油。國內外大多數管道出于安全和經濟兩方面考慮通常采用水作為試壓介質[1, 2]。實際工程中一般是利用壓縮空氣推動清管器將管道內的試壓水推至管口排出[3]。試壓排水過程中管道中若發生壓力減小的現象，則會引起一個向下游傳播的負壓波，在液體壓力進一步下降到該溫度下液體的飽和蒸汽壓時，局部液體汽化，在管內形成蒸汽空穴，這就產生了液柱分離現象。生產實踐中的長輸水管路中所出現的管路破裂, 70%～80%與液柱分離再彌合有關。特別在長距離管道中途經起伏地段，由于水擊導致氣泡潰滅，上、下游液柱在高速下相遇，可能產生巨大增壓而使管道壓力超限[4]。在管道試壓排水方案制定工作中，倘若對可能產生的液柱分離現象估計不足，可能導致管道和設備的損壞[5]。所以，需要借助相關仿真模擬手段對試壓排水方案是否會有不滿流發生進行評估。但是目前國內外尚無長距離油氣管道試壓排水不滿流分析的模擬軟件，目前市場上主流的多相軟件如PIPEPHASE、PIPEFLO、PIPESIM及OLGA等，計算時入口必須為多相，需要輸入含氣率，這使得模擬仿真不方便。單相軟件如TLNET，計算汽化時壓力會降低到負值，不符合物理規律。為此，中國石油大學(北京)油氣儲運工程系多相流課題組開發了首套長距離油氣管道試壓排水不滿流分析軟件。該軟件很好地解決了現有模擬軟件中對試壓排水過程不滿流分析的問題，能準確判斷發生不滿流現象的時間和位置，從而采取必要的預防措施避免不滿流的發生。

1 理論基礎研究

試壓排水過程中首端空壓機注氣，末端開閥放水會在管道內形成不穩定流動。長距離油氣管道分段試壓排水過程中的管內兩相流體的動態流動特性分析，可能會包括：氣泡流、下坡段非滿管分層流[4, 6]和清管器液塞前端非滿管流。

一方面，液態水發生汽化現象并以小氣泡的形式分布在液相區內；另一方面，低壓段空氣在液體中的溶解度降低，空氣被釋放出來。此外，由于清管器與管壁密封性能隨著運動距離增加而減弱，或者在彎頭等變徑處導致清管器上游壓縮空氣竄漏到下游液段，隨液流運動形成氣泡流。當上述過程持續時間足夠長，并往往在高點處發生聚集，就會存留足夠的氣體導致管段產生不滿流。清管器進入到下坡非滿管分層流段時，會在清管器液塞前端形成多相流區。大落差管道運行工況可能會在下坡段有不滿流段存在，通過局部流速的增大來消耗剩余的能量。一般情況下管道運營過程中會采取措施以避免不滿流出現[7]。

由于排水過程中局部壓力降低至液態介質飽和蒸汽壓發生了汽化，會出現氣液兩相流動。集中空穴模型計算簡單，且容易與特征線法結合，所以在工程計算中得到了廣泛應用。筆者首先選擇了Streeter 和Wylie 的蒸汽-液體模型，如圖1所示。

圖1 Streeter 和Wylie 的蒸汽-液體模型

首先求解節點j的壓頭Hp(j)和流量Qp(j) ，然后判斷節點j處的壓力是否低于液體的飽和蒸汽壓：

Hp(j)+Hatm-Z(j)

(1)

式中Hatm——當地大氣壓折算的液柱高度；

Hp(j) ——j點的壓頭；

Hv——液體飽和蒸汽壓力折算的液柱高度；

Z(j)——j點的高程。

若式(1)不成立則轉入下一個節點的計算；若式(1)成立，則說明發生了液柱分離，取節點的壓頭為：

Hp(j)=Z(j)+Hv-Hatm

(2)

(3)

根據氣穴體積確定下一時步的計算方法，如果V(j,t)> 0則說明液柱分離仍然存在，下一時步時繼續按液柱分離計算；如果V(j,t)≤0則說明分離的液柱已經合攏，下一時步按一般的內節點計算。

模擬軟件分析管道的不穩定流動是基于一維模型，采用特征線法(MOC)求解氣相、液相流體的質量和動量守恒方程組，結合集中空穴模型可以預測沿線壓力變化并對不滿流發生時間、具體位置和范圍進行預測，對排水方案合理性進行評估。

2 軟件介紹

2.1 軟件功能介紹

長距離油氣管道試壓排水不滿流分析軟件是以流體力學和瞬變流理論為基礎，在Microsoft VC++和Delphi 語言環境下編寫的通用軟件，具有人性化界面設計，操作直觀?？蓪θ我獾匦螚l件下管道、不同工況下模擬計算試壓排水不滿流發生時間、具體位置和范圍進行分析，為制定合理安全的排水方案提供技術指導。

2.2 軟件主界面

軟件界面主要用作模擬計算前基礎數據的輸入，采用Delphi語言編寫，用戶可方便地在界面上完成基礎參數的輸入、更改和保存，便于設定不同工況下的參數。另外，對較大量的輸入基礎參數，如高程、里程數據等，可直接從Excel中拷貝，方便快捷輸入軟件界面。用戶界面友好，操作簡單，可滿足用戶的多種需求。此外，輸入信息還包括排水條件和物性參數。

2.3 軟件組成

軟件由基礎參數輸入、模擬結果輸出和核心計算三大部分組成。參數輸入功能主要在軟件的主界面上實現，模擬結果輸出包括TXT文檔和Word文檔輸出。Word文檔中主要包括兩部分內容：文字輸出部分包括試壓排水主管段和排水管段基本參數輸出，軟件模擬網格劃分情況以及邊界條件設定，清管器設定及環境溫度；試壓排水壓力、流量的初始值，不滿流位置壓力、流量和持液率參數圖。采用文字和圖形相結合的輸出方式，符合普通用戶習慣，方便用戶使用。

3 軟件的應用

利用長距離油氣管道試壓排水不滿流分析軟件對國內某條輸氣管道劃分段試壓排水過程進行了不滿流模擬計算。建立數學模型并進行數值計算，基于以下幾點假設：

a. 將管道內的流體簡化為一元流動，忽略參數在橫截面上的變化；

b. 在整個管道長度上，氣體的壓縮系數為常數；

c. 管內流動氣體是理想氣體；

d. 當局部液體介質發生汽化時，無氣體逸出，當地壓力為飽和蒸汽壓。

一般現場試壓排水空壓機工作壓力在2MPa以下，管內氣體可采用理想氣體狀態方程進行計算。此外，研究試壓段長度不超過8km，管道沿線溫度變化影響不大，所以氣體壓縮系數可設為常數。在工程計算減壓瞬變過程中，當管道某結點的壓力低于液體的飽和蒸汽壓時，認為此時壓力等于飽和蒸汽壓。

3.1 基礎參數

該排水管段高點注氣，低點排水，是典型的復雜地形管道,模擬計算該管段試壓排水所需的部分基礎參數包括：

管道長度 6.971km

最大高差 178.77m

管材規格φ1219×18.4mm (鋼級X80)

試壓頭筒體規格φ1219×22mm (鋼級X80)

排水端管材規格φ159mm

管內壁的當量粗糙度 0.1mm

直板式清管球質量 1 000kg

清管球與管壁的摩擦阻力(靜摩擦) 0.2MPa

流體溫度 20℃

液體的動力粘度(20℃) 0.001Pa·s

液體的飽和蒸汽壓(20℃) 3.2kPa

空氣運動粘度(20℃) 1.48×10-5m2/s

3.2 模擬結果及討論

管段試壓后，首先開啟末端閥門排水泄壓直到末端靜水壓頭等于下坡段液柱靜壓力，然后關閉閥門并做好通球掃水前的準備，最后開閥通球排水。排水初始條件全線各個節點處流量為0m3/s，最高點處表壓為0MPa，其余各節點按與最高點高程差計算當地靜壓力，最低點處壓力最大1.8MPa，閥后出口處壓力為大氣壓，如圖2所示。

圖2 試壓排水各項參數初始變化

由圖3可知，整個試壓排水過程約36.7h。排水閥打開后，清管器初始運動階段速度較慢，下坡段高落差影響，重力作用下液體會加速流動，減壓波從出口處向上游傳播。此時，在高點處(距離入口約5 460m)壓力會減小至飽和蒸汽壓。在整個排水過程中，絕大部分時間都處在不滿流狀態，壓力維持在飽和蒸汽壓值，在排水末期，清管器推動前端水柱填充了高點處不滿流段，此時持液率值回升到1。

圖3 高點處(5 460m)各項參數隨時間變化

在下坡段，隨著排水過程的進行，管道充裝減弱，特別是當清管器進入到沖溝階段時，清管器運移非常緩慢，所以清管器推入下坡段的液體流量也減小，進出流量不平衡造成下坡段液位減小。最后在低點處來流與排水口流量達到一定平衡，在低點處(6 700m)也形成了不滿流的情況，所以形成了1 200m長的不滿流段，如圖4所示。

圖4 低點處(6 700m)各項參數隨時間變化

圖5顯示用戶輸入點(6 000m)處壓力、流量及持液率等參數隨時間的變化。此處流量在0.5m3/s附近波動，壓力從開始的1.0MPa左右逐漸減小至飽和蒸汽壓，此時便發生汽化并且持液率也從1開始減小。在排水過程中相當長時間內壓力維持在飽和蒸汽壓水平，會有空穴存在。在排水末期的時候壓力增至0.78MPa，空穴消失而且持液率重新增大到1。

圖5 用戶輸入點(6 000m)各項參數隨時間變化

從現場段試壓排水記錄可知實際耗時39.5h，由以上模擬結果分析可知，排水時間也與實際情況接近，軟件模擬結果和現場實際測得值基本吻合。此外，現場記錄描述在排水末期出口處有大量的氣液噴發現象，形成一段氣柱，也證明了管道內存在一定量的氣體。

綜上所述，對于此類起伏地形管道的試壓排水，需要關小閥門保持一定排水背壓，控制下坡段氣體聚集量。當管道高點處聚集氣體量控制在一定范圍內，進入下坡段清管器會壓縮氣段，氣段會慢慢破碎并且隨著液流被帶到下游，這樣不會產生巨大增壓而使管道壓力超限，對管路造成嚴重破壞。

4 結束語

提出了可行的試壓排水不滿流分析理論，并開發了長距離油氣管道試壓排水不滿流分析軟件，其界面友好、操作簡單且通用性強，能幫助用戶對管道試壓排水工況中可能出現的不滿情況進行分析與評價。目前，軟件能夠實現預測排水壓力不滿流發生時間、具體位置和范圍，結果輸出不滿流頭部和尾部特殊位置的各個參數，用戶還可以根據需要輸入位置并導出其結果。最后，對現場某條管道試壓排水進行不滿流模擬預測，模擬結果和現場觀察現象基本一致，提出了可行的改善措施，軟件指導工程實際對管道建設安全性和經濟性具有重要意義。

參考文獻

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