基于AFT-Impulse的FPSO生活水系統(tǒng)水錘防護(hù)設(shè)計(jì)

張歡，周波，劉海冬

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

生活水管網(wǎng)系統(tǒng)的鋪排受限于船艙空間，使得管路彎曲多，輸水距離長(zhǎng)，加之閥門(mén)啟閉頻繁或事故停泵工況，極易造成管道壓力劇烈交替變化，形成管道水錘。由水錘引起的壓力異常，會(huì)直接造成管線破裂、設(shè)備損壞等不良后果，嚴(yán)重影響管網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1]，考慮以某FPSO生活水管網(wǎng)系統(tǒng)為例，運(yùn)用動(dòng)態(tài)流體分析軟件AFT-Impulse，對(duì)其管網(wǎng)系統(tǒng)的承壓能力和抗水錘能力進(jìn)行模擬計(jì)算，分析水錘現(xiàn)象的影響因子，明確水錘現(xiàn)象的主控因素，并基于該主控因素，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵管路提出最優(yōu)水錘防護(hù)措施。

1 模擬軟件及數(shù)學(xué)模型

1.1 AFT-Impulse軟件

利用AFT-Impulse軟件可對(duì)不可壓縮流體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)分析，計(jì)算管網(wǎng)系統(tǒng)中由水錘引起的瞬態(tài)壓力及水錘大小[2]。本文采用AFT-Impulse軟件對(duì)影響水錘壓力的相關(guān)因素(如管道直徑、流體波速、管道長(zhǎng)度、管道粗糙度，以及關(guān)閥時(shí)間)，實(shí)現(xiàn)多工況多場(chǎng)景的穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析，確定水錘的主控因素。

1.2 數(shù)學(xué)模型

水錘是一種典型的非恒定流，其基本微分方程由運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程組成，用于水錘計(jì)算的方法主要有圖解法、解析法，以及特征線法。其中，特征線法是常用的水錘數(shù)值計(jì)算方法，結(jié)合初始條件和邊界條件求解非恒定流基本微分方程[3]。本文采用的AFT-Impulse軟件就是一款基于特征線法的流體動(dòng)態(tài)分析軟件。

2 水錘影響因素模擬分析

2.1 水錘現(xiàn)象

在壓力管道系統(tǒng)中，管內(nèi)流體在慣性、可壓縮性、管壁彈性，以及系統(tǒng)阻力作用下，其壓力和密度不斷交替變化，直至穩(wěn)定，該過(guò)程中，管內(nèi)流體流速的劇烈變化引起動(dòng)量交換，致使流體沖量改變，對(duì)管壁、水泵，以及閥門(mén)等附件產(chǎn)生巨大的沖擊力，該現(xiàn)象即為水錘現(xiàn)象[4]。管道水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，使得管線壓力增大，管線及設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)較大提升。為有效消減水錘風(fēng)險(xiǎn)，從管道壓力上升的根源出發(fā)，尋求規(guī)避水錘危害的方法[5]。基于經(jīng)典水錘理論，假定管道的剛性足夠，不考慮管道的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)的影響[6]，從管道直徑、流體波速、管道長(zhǎng)度、管道粗糙度，以及關(guān)閥時(shí)間幾個(gè)方面著手，考察上述因素對(duì)水錘現(xiàn)象的影響程度。

2.2 水錘影響因素?cái)?shù)值模擬

關(guān)于水錘研究的技術(shù)問(wèn)題中，預(yù)測(cè)管道的最大壓力和最小壓力至關(guān)重要，可以有效避免因管道壓力過(guò)大而導(dǎo)致的管道破裂，以及因內(nèi)部真空條件下壓碎大直徑管道。所以，采用AFT-Impulse軟件創(chuàng)建水力學(xué)模型，見(jiàn)圖1。

圖1 水錘模型

模型中流體介質(zhì)為淡水，溫度為38 ℃，管道為碳鋼管，流體波速的計(jì)算公式[7]如下。

(1)

式中：K為流體體積模量；ρ為流體密度；E為管材彈性模量；e為管壁厚度；C1為管線膨脹系數(shù)；D為管材內(nèi)徑。

由式(1)可知，同一系統(tǒng)內(nèi)，管徑尺寸與流體波速成對(duì)應(yīng)，所以在考慮水錘影響因素時(shí)，只需在管徑尺寸和流體波速中選擇一種進(jìn)行考察。故選擇管徑尺寸為考察因素。通過(guò)調(diào)整管道直徑、管道長(zhǎng)度、管道粗糙度以及關(guān)閥時(shí)間的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多工況模擬，獲得各影響因素對(duì)管道最大壓力的影響程度。工況設(shè)置及對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 工況設(shè)置

將表1中，工況1～5為關(guān)閥時(shí)間對(duì)最大壓力的影響情況，工況4和工況6～9為管道粗糙度對(duì)最大壓力的影響情況；工況4和工況10～13為管道長(zhǎng)度對(duì)最大壓力的影響情況；工況4和工況14～17為管材內(nèi)徑對(duì)最大壓力的影響情況。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 各因素對(duì)管道最大壓力的影響程度

由圖2可知，上述4種因素中關(guān)閥時(shí)間對(duì)于管道最大壓力的影響最大，管道長(zhǎng)度第二，管道直徑次之，管道粗糙度對(duì)最大壓力影響最小。

3 FPSO生活水管網(wǎng)系統(tǒng)

FPSO生活水系統(tǒng)中的生活水主要由淡水和蒸餾水組成，以某FPSO生活水系統(tǒng)中的淡水供應(yīng)系統(tǒng)為例，進(jìn)行基于水錘影響因素分析的防護(hù)設(shè)計(jì)。該淡水供應(yīng)系統(tǒng)包含2臺(tái)淡水泵、各類閥件和元件及輸送管線等。其中，淡水泵的額定流量為15 m3/h，揚(yáng)程為0.88 MPa；輸送管路的材質(zhì)為碳鋼，其最大設(shè)計(jì)壓力為1.96 MPa。根據(jù)ASME壓力管道規(guī)范B31.3工藝管道，管道最大超壓值不能超過(guò)該管道設(shè)計(jì)壓力的33%，所以，本系統(tǒng)中輸送管線最大允許水錘壓力為2.606 8 MPa。

由AFT-Impulse軟件創(chuàng)建的FPSO生活水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析模型，淡水由淡水艙引出，經(jīng)淡水泵抽吸，進(jìn)入輸送管道，經(jīng)過(guò)各類閥件的控制，實(shí)現(xiàn)不同工況。

考慮到生活水系統(tǒng)中淡水泵為一運(yùn)一備，故選擇開(kāi)啟一臺(tái)淡水泵，且為避免其他關(guān)閉支路對(duì)水錘分析的影響，采用簡(jiǎn)化模型，見(jiàn)圖3。

圖3 FPSO淡水供應(yīng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

4 水錘防護(hù)方案設(shè)計(jì)

4.1 關(guān)閥方案設(shè)計(jì)

在管網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，閥門(mén)的快速關(guān)閉，導(dǎo)致靠近閥門(mén)處的流體受到阻礙且被壓縮，使得流體流速快速降低，壓力急劇升高，管道出現(xiàn)膨脹，后面的流體由于慣性繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)與靠近閥門(mén)處流體同樣的現(xiàn)象，流速降低、壓力升高，水體壓縮和管道膨脹。上述過(guò)程依次向管道起點(diǎn)處傳播，當(dāng)這種升壓過(guò)程傳播到管道起點(diǎn)處時(shí)，管道中水的流速變?yōu)榱悖艿乐兴w的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)為為使水壓縮和管道變形的彈性勢(shì)能，這種水錘稱為關(guān)閥水錘[3]。關(guān)閥時(shí)間的確定對(duì)有效規(guī)避關(guān)閥水錘至關(guān)重要，結(jié)合FPSO生活水淡水供應(yīng)系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)置關(guān)閥方案見(jiàn)表2。

4.2 瞬態(tài)結(jié)果分析

根據(jù)上述關(guān)閥方案，采用AFT-Impulse軟件進(jìn)行多工況穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析，管網(wǎng)系統(tǒng)沿程穩(wěn)態(tài)壓力、最大壓力和最小壓力見(jiàn)圖4。

表2 關(guān)閥方案

圖4 沿程壓力

從圖4可見(jiàn)，F(xiàn)PSO生活水系統(tǒng)管到最大壓力出現(xiàn)在閥門(mén)入口處，即6號(hào)管道出口處。各工況下6號(hào)管道出口壓力變化見(jiàn)圖5。

由圖5可知，工況1中，管道最大壓力為3.677 MPa，大于輸送管線最大允許水錘壓力，不符合要求；工況2中，管道最大壓力2.547 MPa，小于輸送管線最大允許水錘壓力，符合要求；工況3中，管道最大壓力為2.493 MPa，小于輸送管線最大允許水錘壓力，符合要求；工況4中，管道最大壓力為1.923 MPa，小于輸送管線最大允許水錘壓力，符合要求；在工況5中，管道的最大壓力1.392 MPa，小于輸送管線最大允許水錘壓力，符合要求；工況6中，管道最大壓力2.354 MPa，小于輸送管線最大允許水錘壓力，符合要求。

圖5 6號(hào)管道出口壓力的變化

上述結(jié)果中，工況5中管道最大壓力最小，依據(jù)管道水錘防護(hù)原則，管道最大壓力越小越不容易產(chǎn)生水錘，故而本文選擇工況5為最優(yōu)工況，即采用2階段關(guān)閥，控制閥件開(kāi)度，減小管道壓力，從而有效規(guī)避水錘的產(chǎn)生，為FPSO生活水系統(tǒng)的正常、安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供了有力保障。

5 結(jié)論

1)運(yùn)用動(dòng)態(tài)流體分析軟件AFT-Impulse，基于水錘影響因素進(jìn)行多工況對(duì)比分析，獲得各因素對(duì)管道最大壓力的影響程度排序：關(guān)閥時(shí)間>管道長(zhǎng)度>管道直徑(流體波速)>管道粗糙度，明確水錘現(xiàn)象的主控因素為關(guān)閥時(shí)間。

2)基于關(guān)閥時(shí)間因素，結(jié)合FPSO生活水管網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn)，提出生活水管網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)閥設(shè)計(jì)方案，以直線關(guān)閥和兩階段關(guān)閥兩種形式。

3)結(jié)合動(dòng)態(tài)流體分析軟件，對(duì)比分析各方案管道最大承壓能力，明確生活水管網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)的關(guān)閥方案為1.5 s快速關(guān)閉80%，5.5 s關(guān)閉20%，總關(guān)閥時(shí)間7 s，可以有效規(guī)避生活水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中因水錘事件造成的不良后果，為FPSO生活水系統(tǒng)的正常、安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供有力保障。