注水工況下的管柱水錘分析

艾鵬先，關 元，孟 琪，冉 東，劉玉雪

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

壓裂或注水過程中，管柱內液體具有高壓、高速流動的特點，一旦管內液體流動邊界發生短時間變化，將會產生管內液體流速及壓力的變化，可能造成管柱振動、密封失效甚至斷裂。通常這種短時間壓力變化現象稱作“水錘效應”或“水擊效應”，對于有介質運輸的管路系統十分常見，其破壞力也十分驚人[1]。

在石油化工等領域，水錘的計算主要集中于長輸管線，氣井關井等工況。樊洪海等[2]人利用特征線離散方程后求解了天然氣瞬變流動后對管柱振動的影響，結果反映出關井導致的管內壓力升高對管柱軸向振動有很大的促進作用。長距離輸水線路距離長，起伏大，地形復雜，當閥門受到外界因素影響突然閉合時，由于慣性作用管體內部會出現較大的水力壓力，很容易造成爆管等水錘事故，提前進行水錘效應的數據分析將能大大降低水錘對管道帶來的危害，有效避免事故的發生[3]。楊春敏[4]對錘擊時柱塞組件的運動以及沖擊壓力波產生和傳播機理進行了分析，分析表明了這種水錘裝置能夠產生的水錘壓力包括水錘靜壓力和沖擊壓力，并通過試驗驗證了理論分析的正確性。

氣井關井會產生管內壓力升高是受氣體流動邊界突變影響，那么同樣具有高壓力的注水過程會不會產生同樣的水錘效應，相較于氣井水錘，壓裂或注水水錘具有以下特點：介質基本不可壓縮，管內高壓，邊界變化時間相對較長。其中不可壓縮使介質壓縮過程不具有緩沖性，理論上增大壓力變化值；而管內基礎壓力高，可能會放大壓力變化值；此外，邊界變化時間長可能減緩壓力增高。因此，本文主要針對注水工況下，運用管道振動分析軟件AUTOPIPE對管柱注水過程進行水錘模擬分析，重點對管內液體流速、壓力、軸向振動速度以及軸向附加應力進行分析，為現場管道施工安全提供參考。

1 水錘分析建模

在管道振動分析軟件AUTOPIPE設置管柱的基本屬性：管柱的直徑為80mm，壁厚采用標準壁厚，材料選用為A106-B(20#鋼)，腐蝕余量設置為1.5mm。考慮管道內為水，故介質比重設置為1。該模型未考慮保溫層厚度，故保溫層厚度設置為0mm.。在管柱工況的設置時，其中溫度設置為25℃，壓力為1MPa。

圖1為所建管路模型，共包含15個點。其中A02，A10，A12為彎頭處，A13為閥門；A00點到A02點為1000mm，A02點A10點為6000mm，A10點到A12點為1500mm，A12點到A13點為2000mm，A14點到A15點為1000mm。

圖1 管柱模型

2 管柱的靜態分析

當管路模型建好后，應對管道的自身結構進行分析，看是否滿足管路的設計。圖2為管路的靜態結果，從圖2中可知其最大應力比未超過0.75，故該模型滿足管路的設計。圖3為只考慮管路在重力、溫度和壓力下的靜態分析下的位移變化形式，由圖3可知，位移變化明顯部分發生在A02處及A09到A13點之間的管路上，其中位移總變化發生最大在A10處為0.59mm.圖4為管路在重力、溫度、壓力及瞬態沖擊下位移變化形式，其中最大位移也發生在A10處為47.39mm，并伴有角度偏轉。

圖2 管柱的靜態分析結果

圖3 管柱在重力、溫度、壓力下的管路位移

3 管柱的瞬態分析

在管柱進行水錘分析前要對管柱進行相應的設置和加載，其中體積彈性模量設置為316000Pa，響應時間，其中L為管系的特征長度，C為聲音在水中的傳播速度，通過計算，響應時間為0.0107s，因為管柱中介質為水，固介質比重設置為1.對壓力為1MPa考慮流速為0.2m/s、0.4m/s、0.8m/s時的進行分析。由分析結果可知，在流速為0.2m/s時，x軸方向的最大位移為A10點，為23mm；Y軸方向的最大位移A12點為13.31mm，總位移變化最大在A10處，為26.28mm。流速為0.4m/s時，x軸方向的最大位移為A09點，為45.82mm；Y軸方向的最大位移A12點為26.62mm，總位移變化最大在A10處，為52.76mm。流速為0.8m/s時，x軸方向的最大位移為A09點，為91.46mm；Y軸方向的最大位移A12點為52.24mm,總位移變化最大在A10處，為105.53mm。由分析結果可知，當壓力不變時，隨著流速的變化，管柱振動的最大位移與流速增加的比例近似，且都發生在彎頭A10處，水錘效應在彎頭處的表現更明顯。

圖4 管柱在重力、溫度、壓力及瞬態沖擊下的管路位移變化

4 結論

1）考慮管柱重力、溫度、壓力及瞬態沖擊下的管路的位移比未考慮瞬態沖擊時管柱振動位移明顯，因此壓裂或注水工況下，水錘影響不可忽略。

2）當壓力不變時，隨著流速的變化，管柱振動的最大位移與流速增加的比例近似，且都發生在彎頭處；水錘效應在彎頭處的表現更明顯，因此在施工過程中，需盡量避免管路中彎頭數目。