利用蓄壓腔對原油輸送管道產生的水擊現象進行防護的研究

張健康，鄧育軒

（蘭州城市學院培黎石油工程學院，甘肅 蘭州 730000）

1 研究目的及意義

石油的地位越來越重要，被叫做工業血液，在運輸石油方面主要是水運以及陸運[1]，二者比較來看，水運更為經濟，有條件的優先選用水運，公路運輸考慮到罐車裝載量小，綜合費用較高，而且油氣損耗也高，所以，油品輸送方式主要有鐵路和管道，其中管道輸送有著不可替代的作用，它的特點有運輸損耗少，并且輸送量大，相比之下也比較經濟，適于大量、定向、定點運輸石油流體等[2]。

當在管道運輸過程中，如果出現閥門的緊急關閉或開啟、停泵等事故，會出現水擊現象造成管道中流速的突然變化，繼而引起壓力波，管道內壓力發生急劇變化[3]，如果超過正常的壓力值會造成閥門破壞、管件接頭破裂、斷開，甚至管道炸裂等重大事故。Flowmaster 是一款有名的流體系統仿真軟件，它可以很好的模擬出管道輸送原油時出現水擊現象的情況，然后根據模擬結果分析原因，采取保護措施，盡可能的消除水擊現象來保護運輸管道。

2 水擊現象

2.1 水擊的定義、產生原因及危害

原油在管線輸送的過程中，液流斷面上的各個流速和壓強不隨時間變化的叫做穩定流，反之則稱為不穩定流。而原油在實際管線流動的過程中，壓力不隨著時間變化的情況是很少的，但是變化的幅度很小，因此被當作是穩定流[4]。但當這種穩定被破壞時，在壓力管道中，由于液體的流速發生了急劇的變化，管線中會出現瞬時壓力明顯、反復和迅速變化的現象，此現象被稱為水擊，也叫做水錘[5]。

導致管道中形成水擊現象的因素有很多。例如當管道閥門突然開啟停止時，或者當泵突然開啟停止時，由于管道中液體流速突然發生了急劇的變化，導致管道中液體的流動量一瞬間發生變化，從而引起管道中的壓力發生顯著的變化，進而發生水擊現象，管道上的止回閥失靈或者運輸管道過長且地形的變化大也會引起水擊現象。水擊發生時產生的高壓可能會達到正常壓力的幾十倍到上百倍[6]，并且壓力波動大，引起管道和調壓設備等附加元件的損壞，甚至引起整個泵站系統災難性的事故，可能會造成設備發生強烈震動產生噪音，還可能會發生管道變形、閥門損壞、關鍵接頭破裂，甚至爆炸，這不僅對環境造成嚴重的污染，嚴重的情況下還會傷害到人生安全和財產安全。

本研究主要模擬的是因管道地形引起的水擊和在操作過程中閥門緊急關閉引起的水擊。

2.2 水擊保護措施

水擊保護就是預先采取措施使水擊的壓力波動不會超過管道設備的設計強度，在管道內不會發生液體斷流和負壓，可根據管道條件選擇保護方法，設施可根據水擊分析的數據進行選擇。

水擊保護措施有3 種:（1） 泄壓保護，顧名思義就是一種泄放保護，在管道的某一點安裝泄放閥，當發生水擊時，可通過泄放閥排出一定量的氣體或液體，從而減弱高壓波，防止造成危害。（2） 管道增強保護，當管道的強度可以承受水擊的高壓時，可以不用采取別的保護措施，小口直徑的管道通常具有相當余量，可承受水擊產生的高壓。（3） 超前保護，就是在水擊發生時采取的保護措施，由管道控制中心統一發出指令，上、下泵站發出一種與水擊壓力波相反的擾動，從而抵消水擊壓力波，這就要求管道在高度自動化基礎上，才能完成保護措施。本研究中采取的是泄放保護。

3 模擬軟件及數學模型

3.1 Flowmaster 軟件介紹

Flowmaster 軟件是一種一維的流體仿真計算模擬工具，在全球比較領先，是面向工程的完備的流體系統仿真軟件包。利用Flowmsater 軟件可以有效、快速、精準的解決各類復雜流體系統的系統模型，并且進行完備的解析[7]。Flowmaster 軟件注重的是系統尺度上所發生的事情，每個流體系統都是有多個元器件組成，如閥門、泵、管道等，還可以檢測整個系統的運行，如果當泵的轉速發生改變，閥門的開啟或者關閉，Flowmaster 軟件可以檢測到各個支路或節點的流量、壓力等變化，能夠快速的幫助工程師完成設計[8]。

3.2 模擬鋪設管道的地形引起的水擊

3.2.1 參數的設置

（1） 輕質原油儲罐：（容量：15 Wm3）。（2） 閘閥：（全開狀態）。（3） 輸油泵：類型：螺桿泵；軸功率：100 KW；轉速：750 r/min；流量：1 000 m3/h;效率：85 %；揚程：120 m；設計壓力：10 Mpa；最低油溫：36 ℃。（4） 閘閥：（全開狀態）閥門控制器（開度均為全開）。（5） 輸油管道：碳鋼無縫鋼管。（6） 材質：L360QB（抗硫碳鋼無縫鋼管）；管線規格：720×8 mm。管壁粗糙度：0.08 mm。管線布置根據模擬器模擬現實需要設置，具體數據見表1。（7）閘閥：（開關狀態由閥門控制器10 控制）。（8） 閥門控制器：（時長：0～10 s ；ratio 為1：全開；ratio 為0：全關）；8～10 s(ratio 為1：全開)。（9） 閥門控制器：0～2 s(ratio 為1：全開)；3～10 s（ratio 為0：全關）。（10）仿 真 步 長：TimeStep:0.1 s；SimulationStartTime:1 s；SimulationEndTime:10 s。

表1 管線布置

3.2.2 模型的建立

圖1 為模擬鋪設管道的地形引起的水擊流程，模型示意圖代號描述：其中元件共有11 個。元件1、11 為給水水箱；元件2 為止回閥；元件3 為泵；元件4、9 為閥門，由元件5、11 閥門控制元件控制其關閉狀態；元件6、7、8 選用的是彈性管道。節點序號共有8 個。

圖1 模擬鋪設管道的地形引起的水擊流程

3.2.3 對水擊現象的分析

由圖2 可知，該輸油系統流程運行中，當終點進罐閥門發生故障關閉或者出現緊急情況人為關閉閥門時，終點油品的流動突然停止，使泵出口管線末端油品的動能轉化為勢能，對閥門閥板造成沖擊，形成沖擊波，此時所產生的沖擊波稱為勢涌水擊，并且管線中油品的流速越快，產生的勢涌水擊壓力越高。但在沖擊波壓力返回到上游的過程中，輸送泵仍在運行中，泵出口管線末端因壓力急劇升高發生彈性膨脹，繼續容納泵輸送來的油品，管壁繼續膨脹，管線中油品也被不斷壓縮，由于這種繼續充裝產生的壓力稱為充裝式壓力。泵出口管線排布高低起伏落差越大、管線越長，產生的這種充裝壓力越高。而泵出口管線終點閥門閥板的水擊壓力為充裝式壓力和勢涌式壓力的總和，部分管段因為流量突變所引起的壓力升降的頻率較高，可能會超過管線的正常壓力，該壓力的變化幅值可以達到管道正常壓力的幾倍、幾十倍甚至百倍。而且會使管道內出現負壓，壓強大幅度波動，導致管道內出現噪音、造成管道的強烈振動，會造成閥門毀壞、管件接口、焊縫等承壓能力較低的部位斷裂，甚至造成管道炸裂等重大事故，危及員工生命，而且會對當地環境造成破壞。

圖2 產生水擊時閥門9 閥板所受壓力波動

由圖3 可知，該輸油系統流程運行中，當終點進罐閥門發生故障關閉或者出現緊急情況人為關閉閥門時，泵出口管線高程最大處管段的壓力波動主要由3 部分構成：短線末端造成水擊后返回的沖擊波壓力；泵運行中提供流量帶來的壓力；管線中油品由于高程差具有的重力勢能。當由末端返來的沖擊波壓力繼續返回時，會帶動高程管段中的油品迅速轉換為動能沖向管線末端，從而造成高程管線出現負壓環境，如此反復，隨著管線末端充裝壓力逐漸接近飽和狀態，7 s 后高程管段中的壓力波動急劇升高，逐漸接近管線設計壓力。

圖3 產生水擊時高程較大處管段所受壓力波動圖

3.2.4 模型的修正對比

現采取加蓄壓腔的方式對水擊現象進行修正，見圖4，在管路系統中加上蓄壓腔裝置。標號為12、13、14 的裝置均為蓄壓腔。由圖5 所示，修正前高程較大處管段的壓力波動的最大幅值約為修正后該管段壓力波動最大幅值的1 000 倍。將未采取避免水擊措施修正時高程較大處管段的壓力波動圖和采取了避免水擊措施修正時高程較大處管段的壓力波動圖放到同一個坐標系中進行對比分析。如圖6 所示，可以直觀的看到，修正前該管段的壓力波動很大，壓力波動最大幅值超過100 bar,而修正后該管段的壓力波動較于修正前趨近于一條直線，基本沒有壓力波動。所以采取避免水擊措施修正后該管段基本不發生水擊作用。

圖4 修正流程

圖5 高程較大處管道修正后得到的壓力

圖6 高程較大處管道產生水擊修正前后對比

3.3 采取避免水擊措施的必要性

通過以上模擬分析，可以清楚的看出，采取了避免水擊的措施后，增加了管道、閥門以及輸油泵的使用安全，很大程度上減少了危險事故的發生，保護環境不遭到破壞。延長了管道、閥門以及輸油泵的使用壽命，減少了不必要的經濟損失，使輸油系統更加經濟。

4 結論

本研究首先探究了原油管道在現實生活中占據無可替代的地位并且迅速發展的現狀，然后分水擊產生的原因可知，只要是原油管道輸送系統，在運輸原油的過程中，必然少不了閥門的快速關閉又啟動、管道通過翻閱點以及偶爾停電等環節，然而這些環節造成的水擊現象是非常嚴重的。本研究用Flowmaster 軟件對水擊現象進行數值模擬、計算分析，Flowmaster 具備對復雜及普通管路系統的計算分析能力，能夠在較短的時間內將需要處理的問題轉化成軟件所能夠識別的模型，通過軟件計算處理，最終給出人們所關心的結果，減輕了設計者的工作量，提高了工作效率。

通過模擬出來的水擊現象可以看出，水擊壓力通常會增加到原來運輸壓力的十幾倍甚至幾十倍，當水擊壓力超過管道的耐壓強度時就會發生管道的破裂，引發重大安全事故并造成嚴重的經濟損失，還會帶來環境污染。所以對原油輸送系統必須采用水擊防護措施。本研究主要采用泄壓的方式來防護水擊現象，在容易發生水擊現象的管段處安裝蓄壓腔來釋放管道中的水擊壓力。通過對比分析模擬結果可以明顯的看出，在此方式下，管路內的壓力波動得到了較好的抑制，波動減緩，得到了幾乎穩定的壓力圖，該防護措施有效的消除了水擊現象，從而有效地保護了原油輸送系統的安全性。