海底液相管道水擊壓力動態計算研究

李 偉，武 明，武志坤，張淑艷，陳文峰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

使用儒柯夫斯基公式計算水擊壓力具有簡單、易操作的特點，在工程設計項目中得到了廣泛的應用。但是由于儒柯夫斯基公式提出時研究深入程度以及當時技術條件的限制，使得該公式的推導過程存在一定的缺陷[1-2]。此外，傳統的水擊計算公式基于管道末端閥門關閉的模型進行推導[3]，無法對復雜管路系統的閥門組合動作時產生的水擊影響作評價。然而在實際工程中，為了有效保護海底液相管道和平臺工藝設施，通常需要多個閥門的共同作用，所以采取傳統水擊分析方法存在局限性，其結果勢必與工程實際存在差異。尤其在工藝系統設計中，閥門的動作是由控制系統按預先設定的邏輯判斷來實現，由此引發的水擊問題也更為復雜，采用常規技術手段已不能滿足實際工程應用的需要。

1 國內外水擊動態分析技術應用現狀分析

國標GB 50253-2014《輸油管道工程設計規范》和國際標準ISO13623-2009《石油和天然氣工業管道輸送系統》均對管道動態水擊分析提出了相關要求，其中國標對水擊提出了超壓保護的應對措施。

在水擊動態分析手段上，應用成熟度較高分析軟件有GL Industrial Series的 SPS、PIPELINE Studio的 TLNET、Sunrise的 Pipenet和 Schlumberger的OLGA等，這些瞬變流分析工具都可以完成液相管道的動態水擊分析，并在國內外工程項目中有實際工程應用的案例。

對于國內海洋工程項目，PIPENET軟件在消防和工藝管道的動態水擊分析中得到很好的推廣應用[4]。對于陸地長輸管道項目，國內設計單位采用SPS軟件模擬水擊壓力，并確定控制水擊壓力的泄壓閥的泄放壓力和泄放量等工藝參數[5-6]。

國外工程技術公司把PIPENET和TLNET等動態模擬軟件用于海底液相管道的水擊動態模擬計算，并按照工藝系統的關斷邏輯，模擬停泵、關閥等動作產生的水擊壓力對于海底管道的影響。

2 海底液相管道水擊壓力計算的影響因素研究與分析

在通常情況下，海底管道進出口端的SDV閥能實行主動保護。當上游超壓時，下游閥門會隨著上游閥門的關閉而關閉，抑或下游超壓時，上游閥門也會隨之而關閉。從經典的儒柯夫斯基公式[7]可知，水擊增壓的影響因素有流速和水擊波速，水擊波速主要與管徑、管材和流體物理屬性、管道布置等相關。對于已確定的管道規格和輸送工藝來說，影響海底管道水擊動態分析的因素主要有管道輸量變化和閥門動作的擾動，如關閥時間、關閥順序和關閥特性等。

為了研究上述因素對于海底液相管道動態水擊的影響，以渤海海域某項目的一條已建的管長2.5 km，管外徑457 mm的注水海底管道為例，采用OLGA瞬態流分析軟件，對該海底管道在不同輸量、關閥時間、關閥順序和關閥特性等動態擾動下的水擊壓力進行了研究與分析。

2.1 液體流速對水擊壓力的影響

為研究液體流速變化對水擊壓力的影響程度，對不同輸量條件下海底管道出口閥門按5 s線性關閥時間考慮，得到水擊壓力并進行了對比與分析，結果見圖1、表1。

圖1 不同輸量條件下海底注水管道水擊壓力對比

基于管道瞬變流的特性，在管內不穩定流動過程中，當管內流體的流速突然發生變化時，會導致管內壓力的突然變化。壓力的變化量統稱為水擊壓力。在流體流動過程中，當流體受到某種作用的阻止，流體沿受阻方向會產生增壓波，使流體壓力增加一個水擊壓力。

從圖1可知，水擊工況下的操作壓力由兩部分壓力組成，第一部分為初始操作壓力，第二部分為水擊增壓。當出口閥門關閉時，由于流體受到阻滯，將會在初始操作壓力的基礎上產生增壓。如果初始壓力確定，則通過降低輸量以減小流速可以明顯降低水擊產生的增壓。

從表1可知，水擊增壓隨流量的降低明顯降低。

液體流速與水擊增壓的數值關系如圖2所示。

圖2 流速與水擊增壓的關系

從圖2可以看出，水擊增壓與流速基本呈線性關系。針對本文研究的海底注水管道。

2.2 關閥時間對水擊壓力的影響

為研究關閥時間對于水擊壓力的影響，在相同輸量條件下，海底管道出口閥門按線性關閥考慮，對不同關閉時間時的水擊壓力進行了對比與分析，分析結果見圖3、表2。

從圖3可知，在相同輸量和起始操作壓力條件下，隨著關閥時間的延長，水擊增壓逐漸降低。

對于工況2，雖然關閥延長至5 s，但由于本文研究對象的實際管路周期為2倍管長/水擊波速，即壓力波往返所需時間大約為5 s左右，與關閥時間基本一致，所以工況2（5 s關閥）的最大水擊壓力與工況1（瞬時關閥）的最大水擊壓力相比，相差不大。

表1 不同輸量條件下海底注水管道水擊壓力參數對比

圖3 不同關閥時間時海底注水管道水擊壓力對比

表2 不同關閥時間下海底注水管道水擊壓力參數對比

從表2的數據對比可知，對于工況3～工況5，雖然模擬的關閥時間大于管路周期，但關閥時間從10 s延長至30 s，水擊增壓降低幅度大約為10%。由于初始最大操作壓力較高，關閥時間從10 s延長至30 s，最大水擊壓力降低幅度大約為3%，降低幅度并不明顯。

2.3 關閥順序對水擊壓力的影響

為了研究關閥順序對于水擊壓力的影響，在相同輸量條件下，海底管道入口和出口閥門分別按5 s和30 s線性關閥考慮，通過延遲入口閥門不同關閉時間來反映進出口閥門的關閉順序對于水擊壓力的影響。關閥時海底管道入口和出口水擊壓力對比分析結果見圖4～5、表3～4。

從圖4～5可知，當海底管道進出口閥門關閉時，均會在狀態變化的位置產生水擊。工況1的海底管道入口閥門關閉時間沒有延遲，所以入口閥門先動作。在入口閥門關閉的時刻，由于入口閥門下游流速突然減小，使管內流體產生膨脹，流體壓力下降，此時海底管道入口先會產生減壓波。然后向下傳播，減壓波到達海底管道出口端時，出口閥門還未關閉，由于減壓波的影響，會使海底管道出口操作壓力降低。減壓波到達海底管道出口后又反射至上游，到達入口時由于受到入口閥門的阻止，會產生增壓波，導致入口壓力升高。增壓波將再次反射到海底管道出口關閉時刻，依次往復。

圖4 不同關閥順序時海底注水管道水擊壓力對比（海底管道入口）

圖5 不同關閥順序時海底注水管道水擊壓力對比（海底管道出口）

由于出口閥門關閉時間慢于管路周期（管路周期大約為5 s），入口閥門關閉產生的減壓波會在出口閥門未完全關閉時返回，而返回的減壓波與出口閥門繼續關閉產生的增壓波疊加，會使壓力增加的速率降低，并出現關閥時間大于管路周期后，閥門繼續關閉產生的增壓值小于閥門處返回減壓波的減壓值的情況，從而使閥門處水擊壓力峰值不斷降低，直到海底管道出口閥門完全關閉時。

對于工況2和工況3，入口閥門動作后，返回的減壓波的減壓值小于出口閥門產生的增壓波的增壓值，導致出口壓力升高。

對于工況4，考慮入口閥門延遲關閉25 s后，實際入口閥門的關閥時間和出口閥門關閉時間相同，海底管道入口閥門關閉產生的減壓波和海底管道出口閥門關閉產生的增壓波分別向下游和上游傳播，并持續在管道內振蕩。

對于工況5，考慮入口閥門延遲關閉35 s后，實際入口閥門的關閥時間晚于出口閥門關閉時間，海底管道出口關閉時產生的增壓波向上游傳播并到達入口，由于增壓波的作用使入口壓力小幅升高。增壓波在入口反射后到達出口形成減壓波，并引起出口壓力的降低，依次往復。在第45 s時入口閥門關閉，形成一股減壓波后向海底管道出口傳播，由于受該減壓波的影響，出口閥門關閉時產生的增壓波對入口壓力影響有所削弱。

表3 不同關閥順序時海底注水管道入口水擊壓力參數對比

從表3可以看出，海底管道入口水擊增壓隨入口閥門關閉時間的延后而減小，但入口閥門關閉時間的延后可能導致初始最大操作壓力的升高。

表4 不同關閥順序時海底注水管道出口水擊壓力參數對比

從表4可以看出，對于工況1～工況4，海底管道出口水擊增壓隨入口閥門關閉時間的延后而增大。對于工況5，入口閥門延遲關閉時間最長，水擊增壓值僅比工況4低，但初始最大操作壓力卻最大，疊加后的最大水擊壓力為最高。

由此判斷，閥門的關閉順序對于水擊壓力會產生一定影響，且存在一個初始最大操作壓力與水擊增壓的最大或最小組合。

2.4 關閥特性對水擊壓力的影響

海底管道進出口設置關斷閥，可用于在海底管道上下游工藝系統壓力異常時保護海底管道不被破壞。關斷閥一般由具有遠程控制功能的執行器驅動。關斷閥可采用氣動、液動或氣、液聯動執行機構驅動。

海上工程通常采用氣動執行機構關斷閥，如圖6所示。

圖6 海底管道關斷閥執行器

海洋平臺關斷閥執行機構行程通常為線性。非線性關閥特性需要執行器具備特殊的關閉特性，據廠家反映，在實現該功能要求上還存在一定的難度。線性與非線性關閥特性曲線對比見圖7。

圖7 線性與非線性關閥特性對比

為了研究閥門關閉特性對水擊壓力的影響，在相同輸量和關閥時間條件下，將線性關閉特性和非線性關閉特性產生的水擊壓力進行了對比與分析，分析結果見圖8。

從圖8可知，相同流量和關閥時間條件下，采用非線性關閥特性的閥門可以有效遏制水擊增壓。由于水擊作用實際上是：可壓縮性流體與具有彈性的管壁碰撞形成的波導致在某時刻流體產生壓力瞬變，碰撞最劇烈的時刻即為閥門關閉的瞬間，因此水擊影響在該時刻也最為顯著。水擊增壓主要產生于閥門即將關閉的時刻，采用線性關閥時，關閉的速率基本恒定；而采用非線性關閥特性時，在閥門完全關閉前，閥門的關閉速率變緩，從而使水擊增壓大幅地削減。

圖8 不同關閥特性時注水海底管道水擊壓力對比

3 結論

通過對海底注水管道水擊壓力計算影響因素的研究得到：

（1）閥門關閉先后順序對水擊壓力有一定的影響，且存在著一個使水擊壓力最大或最小的關閥順序組合。采用動態模擬的方法可以研究分析最佳的關閥策略，從而優化設計。

（2）延長關閥時間可以緩解水擊增壓。但是對于特定的管路，延長關閥時間對于緩解最大水擊壓力的作用可能并不明顯。采用延長關閥時間緩解水擊壓力的方法，應結合管路特性，通過動態模擬計算對比研究后確定。

（3）利用非線性的閥門關閥特性可以有效緩解關閥水擊增壓，但目前實現非線性關閥功能還有一定難度，需要閥門廠家加大相關產品的研發力度。

（4）水擊增壓與流速基本呈線性關系，可以按照流速評估水擊增壓的幅度和大小。

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