長輸管道水擊分析及其控制研究

張 陽

(中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營 257026)

摘要：在長距離輸油管道運行中，防止水擊發(fā)生是管道安全平穩(wěn)運行的重要保證。通過分析長輸管道水擊的形成過程、原理、特點及其危害，提出了水擊波攔截、自動泄壓保護、自動調(diào)節(jié)保護、順序停泵保護及加強管道水擊防護等方法，可有效防止水擊的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：長輸管道；水擊；形成過程

0 引言

長距離管道在密閉輸送過程中，出現(xiàn)非正常停泵、誤關(guān)閥門及混油界面經(jīng)過泵等均會引起水擊現(xiàn)象。水擊波沿管道傳播，極易導(dǎo)致管道局部超壓而造成管道破裂、損壞設(shè)備等，水擊保護成為長輸管道密閉輸送關(guān)鍵性的工藝技術(shù)之一。東營港-中海瀝青(濱州)原油/成品油管道在全線水擊保護控制方面采用了首站出站壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、出站壓力超高泄放系統(tǒng)、進站低壓泄放保護系統(tǒng)、進出站壓力超限停泵聯(lián)鎖保護系統(tǒng)來保證管道事故工況時的安全。

1 水擊危害分析

水擊對輸油管道的直接危害是導(dǎo)致管道超壓，包括2種情況：水擊的增壓波有可能使管道壓力超過允許的最大工作壓力，使管道破裂；減壓波有可能使穩(wěn)態(tài)運行時壓力較低的管段壓力降至液體的飽和蒸汽壓，引起液流分離，還可能造成下游泵站進站壓力過低，出現(xiàn)輸油泵汽蝕等問題。

2 水擊波的水擊壓力和速度計算

2.1 水擊波的傳播速度

水擊產(chǎn)生的壓力波在管內(nèi)液體中的傳播速度取決于液體的壓縮性和管壁的彈性，其關(guān)系式為

c=

(1)

dcp=0.5(D+d)

式中:c為壓力波傳播速度，m/s；ρ為液體的密度，kg/m3；K為液體的體積模量，Pa；E為管材彈性模量，Pa；d為管道內(nèi)徑，mm；δ為管壁厚度，mm；D為管道外徑，mm。

以東營港-中海瀝青(濱州)原油/成品油管道工程成品油管道為例，D=273.1 mm，δ=5.6 mm，在輸送柴油時(ρ=840 kg/m3，K=1.5 GPa，E= 2×1011 Pa)，根據(jù)式(1)求得壓力波的傳播速度為1 146.6 m/s。

2.2 水擊波的沖擊壓力

在液體流速發(fā)生突變時(干線截斷閥突然關(guān)斷)，管道的壓力也會發(fā)生突變，這種壓力突變在管道的低洼處和正常運行時的高壓力管段，都可能引發(fā)管道破裂，也可能使下游站的進站壓力急劇下降，導(dǎo)致泵的進口壓力超低保護而甩泵。

根據(jù)茹科夫斯基公式，可以計算因流速急劇變化引起的壓力變化為

Δp=ρ·c·Δv

(2)

式中Δv為流速變化。

東營港-中海瀝青(濱州)成品油管道以213 m3/h的流量輸送柴油，油品流速為v=4Q/(π·d2)=1.1 m/s，即在干線截斷閥突然關(guān)斷時，柴油流速的變化為Δv=1.1 m/s，由式(2)計算得到由于干線截斷閥突然關(guān)斷引起的壓力變化為Δp=1.06 MPa。由于管道的正常操作壓力為5.8 MPa，干線截斷閥突然關(guān)斷引起的壓力變化1.06 MPa，此時超出設(shè)計壓力(6.8 MPa)，即有水擊發(fā)生。

3 水擊的原因及特點

3.1 水擊產(chǎn)生的原因

水擊是在壓力管道中，由于某種原因而引起的管內(nèi)壓力的突然變化。如閥門的快速啟閉、泵機組的突然起停、清管器突然“卡死”等，均會引起管道中油流的驟變，這種變化產(chǎn)生一種壓力波，在管線中迅速傳遞，產(chǎn)生水擊。水擊壓力是由于慣性造成的，其實質(zhì)是油流在管道中的動能和壓力能的相互轉(zhuǎn)換。

3.2 水擊的特點

3.2.1 水擊波反射的間隔時間比較長

長輸管道的泵站間距一般都在幾十、上百km，以水擊波傳播速度為1 000 m/s估算，某站發(fā)生的水擊波要經(jīng)過約幾十、上百s才能傳到相鄰的泵站，然后再發(fā)生反射，所以反射的間隔時間比較長。

3.2.2 勢涌水擊和管道充裝

假設(shè)某長輸管道終點閥門突然關(guān)閉，油品的流動突然停止，引起動能轉(zhuǎn)化為勢能所產(chǎn)生的壓力稱為勢涌水擊，介質(zhì)的流速越高，勢涌水擊越強。在終點閥門突然關(guān)閉水擊波到達上游泵站之前，泵站仍然正常輸油，此時終點管段因壓力升高發(fā)生彈性膨脹，容納上游來油，這種現(xiàn)象稱為管道充裝。在充裝時管壁不斷膨脹，液體不斷被壓縮，由此產(chǎn)生充裝壓力。管道越長，充裝壓力越高。管道終點閥門處的水擊壓力是勢涌水擊與充裝壓力之和。

3.2.3 可能發(fā)生瞬變壓力的同步和疊加

目前，輸油管道均采用泵到泵的密閉輸送工藝，管道沿線某處如果發(fā)生水擊，全線都將受到影響。如果關(guān)閉管道終端閥門，其上游泵站的輸量則會急劇下降。進站壓力迅速升高，進站壓力疊加在泵壓上，使得出站壓力進一步升高。這種同步與疊加的往復(fù)，將會加速破壞管道。

3.2.4 中間站意外停泵使進站超壓和下游站抽空

對于長輸管道，如果中間泵站意外停機，猶如在管道中間突然關(guān)閥，阻礙了上游流體的流動，由此產(chǎn)生的增壓波使事故站的進站壓力迅速上升，對于下游站，則是停止液體供應(yīng)而產(chǎn)生減壓波，使出站壓力迅速下降。而出站方向的減壓波則可能使沿線動水壓頭較低的地段產(chǎn)生氣穴流和液柱分離，也可能使下游站進站壓力過低而發(fā)生氣蝕或抽空[1]。

4 水擊事故的控制方法

長輸管道的劇烈水擊可能造成相關(guān)設(shè)施的破壞而引發(fā)水擊事故。水擊事故可能由意外的原因引起，例如停電、誤操作等。水擊的傳播速度非常快，因而，水擊事故很難預(yù)警，也不能用人工操作方法處理事故，最有效的防護手段是依靠管道的自動保護系統(tǒng)[2-4]。

4.1 水擊波攔截

如果長輸管道某中間站(事故點)停泵，將會向上游傳播增壓波，向下游傳播減壓波。如果事故點的壓力持續(xù)增加，管道就會受到破壞。對此，可以在事故點的上下游站采取部分停泵的方法制造新的水擊波，因為新的水擊波與事故點的水擊波疊加后相互抵消，使水擊波受到攔截，從而消除或減弱水擊的危害。水擊波攔截技術(shù)的關(guān)鍵是準確判斷水擊，適時向事故點上下游泵站發(fā)出相關(guān)動作(停泵)的指令。在管道實際運行中，應(yīng)將水擊波攔截技術(shù)作為水擊保護方案中的一種方法編入SCADA系統(tǒng)中，依靠其功能自動進行事故辨認，對各泵站的主泵等設(shè)備直接下發(fā)操作指令，及時消除水擊危害。

4.2 自動泄壓保護

在輸油過程中會產(chǎn)生進站壓力超低和超高的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象雖多屬低強度水擊，但會導(dǎo)致管道不穩(wěn)定運行，嚴重時會使管道運行工況失控。因此，長輸管道各泵站都設(shè)有自動泄壓罐，當管道運行壓力超出泄壓閥的設(shè)定值時，泄壓閥自動開啟，管線中的部分或全部油品泄入到泄壓罐，以降低管道運行壓力。東營港-中海瀝青(濱州)原油/成品油管道首站出站段、末站進站段都安裝了泄壓閥，當進出站壓力大于泄壓設(shè)定值時，泄壓閥自動開啟泄壓。當進出站壓力恢復(fù)到正常設(shè)定值時,泄壓閥自動關(guān)閉,從而保證了管道的安全運行。

4.3 自動調(diào)節(jié)保護

當管道發(fā)生低強度水擊擾動時，管道的運行參數(shù)在接近超限的情況下，SCADA 系統(tǒng)能自動向泵站發(fā)出調(diào)節(jié)閥門或電機的指令,保持管道運行穩(wěn)定。

4.4 順序停泵保護

為了減少水擊對管道系統(tǒng)的沖擊，管道運行參數(shù)或泵站運行參數(shù)嚴重超限時就要停泵。對應(yīng)不同的工況和要求，應(yīng)建立相應(yīng)的停泵順序邏輯，盡量保證管道在瞬變過程中平穩(wěn)過渡。

4.5 加強輸油管道水擊防護

長輸管道的水擊防護一般是在采用SCADA系統(tǒng)控制下，以水擊波攔截技術(shù)為主。以調(diào)節(jié)為輔的綜合防護。SCADA系統(tǒng)中有水擊保護程序，但管道的某些運行控制參數(shù)需要管道操作人員提供。例如，調(diào)節(jié)閥出站壓力設(shè)定值、泄壓閥進出站壓力設(shè)定值以及順序停泵進出站壓力設(shè)定值。在實際應(yīng)用中，保護程序自動運行的功能有2個(監(jiān)測管道的異常信號判斷事故；根據(jù)事故的程度下達保護動作命令)，這就要求通信可靠，自動控制設(shè)備操作準確。在長輸管道的設(shè)計與運行管理中，準確地掌握水擊工況參數(shù)，可以避免因估計不足而加大安全系數(shù)引起的嚴重事故[5-6]。

東營港-中海瀝青(濱州)原油/成品油管道工程，設(shè)計過程中按照不同水擊工況進行預(yù)測和計算，采取水擊波攔截、自動泄壓保護、自動調(diào)節(jié)保護、順序停泵等水擊保護方法，有效防止水擊的發(fā)生，制定運行規(guī)程和調(diào)度方案，為自控系統(tǒng)提供各種工況下的運行參數(shù)。

5 結(jié)論

壓力管道系統(tǒng)的水擊危害很大，為此在設(shè)計上考慮水擊的影響是很有必要的。另外，要嚴格執(zhí)行操作規(guī)程，將水擊發(fā)生的頻率和水擊所造成的損失降至最低。

參考文獻：

[1] 張國權(quán)，劉凱．成品油管道的水擊及其防護措施[J]．油氣儲運，2006，25(12)：61-62．

[2] 趙?？?，邰寶杰．成品油管道水擊保護[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2008(5)：18．

[3] 楊筱蘅．輸油管道設(shè)計與管理[M]．東營：中國石油大學出版社，2006：376-379．

[4] 曾多禮．成品油管道水擊保護[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2005(4)：26-29．

[5] 王瑋，馬貴陽．輸油管網(wǎng)水擊危害及其防治[J]．油氣田地面工程，2010，29(3)：46．

[6] 劉靚，田遠，王群雁．日照-儀征原油管道水擊分析與保護[J]．油氣儲運，2014，33(8)：909-911．

Long-distance Pipeline Water Hammer Analysis and Control Research

ZHANG Yang

(Shengli Engineering&Consulting Co.,Ltd., Dongying 257026,China)

Abstract:In the long-distance oil pipeline running, preventing water hammer occurred is important to ensure the smooth and safety running of the pipeline. By analyzing the long-distance pipeline water hammer forming process, principles, characteristics and hazards, the method of water hammer wave interception, automatic pressure relief protection, automatic adjustment protection, pump stop equence protection and strengthen pipeline water hammer protection were proposed, effectively preventing the occurrence of water hammer.

Keywords:long-distance pipeline; water hammer; forming process

收稿日期：2016-04-08

中圖分類號：TE832

文獻標識碼：A

文章編號：1004-9614(2017)01-0013-02

作者簡介：張陽(1982—)，碩士研究生，從事石油天然氣管道設(shè)計工作。 E-mail:11zhangyang@163.com