單點輸油管道的水擊數值模擬及保護措施

劉飛龍 陳文峰 張淑艷

（海洋石油工程股份有限公司）

單點輸油管道具有輸送油品種類多、輸送工藝復雜（包括卸油工藝和裝油工藝）及管道水力工況多樣等特點。單點輸油工藝系統是一個統一且連續的水力系統，若油輪和陸地終端突然出現非正常閥門啟閉和泵機組非正常停運，就會導致水擊現象發生［1］。

目前，水擊保護的主要方法包括：提高管道設計強度，使管道能夠抵抗水擊壓力；超前保護，當發生水擊時產生一個與水擊壓力波相反的擾動，以降低水擊壓力，這是一項高度自動化的自動保護系統；泄壓保護，在管道的一定地點安裝專用的水擊泄壓閥，當出現水擊高壓波時，通過閥門從管道中泄放出一定量的液體，從而削弱高壓波，防止水擊造成的危害［2］。

對于單點輸油管道，漂浮軟管和水下軟管的一端與單點系泊系統相連，另一端分別與外輸油輪和海底管道相連，從而實現原油輸送。經調研，目前大部分軟管廠家提供的最大軟管壓力級別為21bar（1bar=100kPa）。因此，漂浮軟管和水下軟管是整個輸油系統中壓力限制最苛刻的地方，無法通過提高管道設計壓力來克服水擊壓力。為此，筆者通過對單點卸油和裝油工藝的水擊進行數值模擬分析，提出合理的水擊保護措施。

1 單點概況

1.1 工藝流程

某單點工程具備卸油和裝油功能，其工藝流程如圖1所示。

圖1 單點輸油工藝流程

關斷閥門1～3，打開閥門4～6，實現卸油工藝流程。原油由油輪上的卸油泵增壓后，經24in（1in=25.4mm）漂浮軟管將原油輸送至單點，經單點上的流體旋轉頭與24in水下軟管連接，水下軟管的另一端連接到水下管匯支管上，水下管匯連接到42in海底管道，原油經單點、水下管匯和海底管道輸送至陸地增壓泵站，經進一步增壓計量后最終輸入陸地油罐。

打開閥門1～3，關閉閥門4～6，實現裝油工藝流程。原油經油罐區的原油泵輸送至計量橇，計量后進入陸地增壓泵站增壓后，通過42in海底管道輸送至水下管匯，經水下軟管、單點和漂浮軟管后最終進入油輪。

為了防止油輪將軟管拉斷造成原油泄漏，每條漂浮軟管上設有緊急拉斷閥。

1.2 原油物性及邊界條件

單點輸油系統可接受的原油API指數為24～49，設計中選取原油溫度40℃，密度915kg/m3，粘度60cp（1cp=1mPa·s），體積模量為1.551GN/m2。卸油時，油輪泵排壓為10.0bar，海底管道出口壓力至少為1.5bar；裝油時，進入油輪管匯的壓力至少為3.0bar。

2 水擊工況描述

在裝油和卸油時，主要考慮以下3種水擊工況（表1）。

表1 3種水擊工況

3 水擊數學模型及計算方法

3.1 數學模型

水擊是一種非恒定流現象，其數學模型可以用一維非恒定流微分方程表示。

運動方程：

式中 D——管道內徑，m；

g——重力加速度，m/s2；

H——管道內流體壓頭，m；

s——管道軸向長度，m；

t——時間，s；

v——管道斷面流體平均流速，m/s；

λ——管道沿程阻力系數。

連續方程：

其中，θ為管道軸線與水平面的夾角；c為水擊傳播速度，其表達式為：

式中 E——管壁材料的彈性系數，Pa；

K——流體體積彈性系數，Pa；

ρ——流體密度，kg/m3；

δ——管壁厚度，m。

3.2 計算方法

采用OLGA 2014軟件對黑油模型進行動態數值計算，管道入口和出口為PRESSURE NODE，閥門選用HYDROVALVE，水擊泄壓閥采用PID控制器進行壓力泄放模擬。為了更好地捕捉水擊壓力，水擊過程中設定最大時間步長為0.005s，最小時間步長為0.001s，并對閥門附近管道進行加密處理。單點輸油管道的水擊數值模型如圖2所示。

圖2 單點輸油管道的水擊數值模型

3.3 模擬假設條件

單點輸油工藝系統中海底管道和陸地管道選用300磅級的管線，最大允許工作壓力為47.7bar，漂浮軟管和水下軟管最大允許工作壓力為21bar。依據ASME B31.3—2012［3］，對于每次不超過10h或每年不超過100h的短時超壓，管道的最大允許超壓為33%，即300磅級管線短時最大允許超壓為63.4bar，漂浮軟管和水下軟管短時最大允許超壓為28.0bar。

閥門的關閉時間假定為每英寸1s，拉斷閥關斷時間為2s。

4 模擬結果分析

應用OLGA 2014軟件建立單點輸油管道模型，運行穩定后將相應的閥門關斷，模擬管道內壓力動態變化情況，3種水擊工況的模擬結果如圖3所示。

閥門關斷后，管道中最大水擊壓力見表2。

通過對比圖3、表2可以得出如下結果：

表2 各工況最大水擊壓力結果

圖3 3種工況下的管道內水擊壓力曲線

a.工況1。從陸地儲罐往油輪裝油時，水下管匯上閥門7關斷，陸地管道和海底管道間產生水擊，最大水擊壓力40bar，小于300磅級管線最大允許操作壓力；水下軟管和漂浮軟管基本上無水擊增壓。

b.工況2。裝油時，當漂浮軟管上拉斷閥被拉斷后，陸地管道、海底管道和軟管內產生水擊壓力。由于拉斷閥關閉時間很短，產生水擊壓力最大，陸地管道和海底管道之間的最大水擊壓力為52.1bar，大于300磅級管線最大允許操作壓力，但小于管線短時最大允許超壓；軟管的最大水擊壓力為90.7bar，高于軟管的最大允許操作壓力和短時最大允許超壓。

c.工況3。卸油時，陸地儲罐入口閥門4關斷，在陸地管道、海底管道和軟管內產生水擊壓力，陸地管道和海底管道之間的最大水擊壓力為37.0bar，小于300磅級管線的最大允許操作壓力；軟管的最大水擊壓力為24.6bar，高于軟管的最大允許操作壓力，但小于軟管的短時最大允許超壓。

5 水擊保護措施及效果

5.1 水擊保護措施

由模擬結果可以看出，工況2和工況3為控制工況，為了避免水擊壓力超過軟管的短時最大允許超壓（28bar），筆者提出了以下幾條水擊保護措施：

a.將漂浮軟管上的拉斷閥設為階段關閉，即前3s拉斷閥由100%開度降到30%開度，后60s由30%開度降到0%。

b.在單點上設置水擊泄壓閥用于保護軟管，設定壓力為21bar，同時設置污油罐，用于接收水擊泄壓閥泄放的原油。

5.2 水擊保護效果

在工況2、3中，改變拉斷閥的關閉時間，同時在單點上增加水擊泄壓閥，得到模擬結果如圖4、表3所示。

圖4 工況2、3下的水擊保護效果

表3 工況2、3水擊保護計算結果

對于工況2，將拉斷閥的關斷時間設為階段關閉，并設定水擊泄壓閥的設定值為21bar，可有效降低水擊壓力，海底道管和陸地管道的最大水擊壓力小于最大允許操作壓力；軟管的最大水擊壓力大于最大允許操作壓力，但小于短時最大允許超壓，超過最大允許操作壓力的時間約為20s。對于工況3，采用水擊泄壓閥措施后，海底管道和陸地管道的最大水擊壓力小于最大允許操作壓力，軟管的最大水擊壓力小于短時最大允許超壓，超過最大允許操作壓力的時間極短，約為1s。發生水擊時，當軟管的壓力超過設計壓力（21bar）時，水擊泄壓閥將打開泄放原油，原油最大泄放量為5.20m3。因此，單點上需安裝一個容積至少為5.20m3的污油罐用于接收原油。

6 結束語

筆者主要對具有裝油和卸油功能的單點輸油管道系統進行了水擊研究，受單點水下軟管和漂浮軟管設計壓力的限制，無法通過提高管道的設計壓力來克服水擊壓力。通過OLGA 2014軟件對水擊進行了分析，提供了一種水擊壓力的保護措施，即調整漂浮軟管上拉斷閥的關閉方式為階梯關閉，前3s拉斷閥由100%開度降到30%開度，后60s由30%開度降到0%，同時在單點上設置水擊泄壓閥，設定值為21bar，并安裝一個至少為5.20m3的污油罐用于接收泄放的原油。