輸油管線的水擊保護

張濤（北京中航油工程建設有限公司）

一、水擊產生原因

封閉的輸油管道流程使全線管道成為一個水力系統，封閉輸油管線任何一點的流動參數變化都會使輸油管線產生瞬時變化壓力脈動。壓力脈動從該干擾點沿輸油管線上游、下游同時傳播，將引起管線的瞬變流動，管線瞬變流動引起的壓力波動稱為水擊。

管線在瞬間產生的流量變化量越大，變化越短暫，產生的瞬變壓力波越強烈。輸油管線事故引起的流量變化是管線產生水擊主要原因。有很多種因素可以是管道流量突然變化，大致分為兩類：一類是有合理的進度安排調整輸油量或改變輸油流程；另一類是突發事故產生的流量變化，比如泵站突然停泵、輸油泵故障停泵、輸油管線閥門故障關閉、出口調節閥調節失靈引起閥門關閉等等。同時，輸油管線更換油品也會在管道內產生瞬變流動。對于有合理的進度安排調整輸油量或改變輸油流程，可以人為地提前根據制定好的措施采取行動，預防或減少介質壓力的波動，使產生的壓力波動控制在合理的范圍之內。

對于突發事故產生的流量變化，產生的瞬變流動變化是否產生需要采取措施，取決于是否壓力變化引起的瞬變壓力超過輸油管線允許的工作范圍，如果壓力變化超過范圍，需要對管道系統采取相應的保護措施。

二、水擊的危害

當發生水擊現象時，輸油管線會有一個急劇的壓力波動，其壓力數值可能超過額定工作壓力的幾十倍甚至幾百倍，使管道及管道上的工藝設備承受很大的壓力，強大的壓力會使管壁發生擴張和收縮，并伴有強烈的振動和噪音，就像管道受到錘擊所發出的聲音。同時，高頻不斷變化的壓力作用在管壁上，加上強烈的管道振動和介質流體的沖擊，使金屬表面產生很多微小的破壞。如果此輸油管線存在缺陷，則有可能對管線或工藝設備造成破壞。水擊現場的產生嚴重危及輸油管線及相關工藝設備的安全運行。

三、水擊分析

輸油管道中發生的水擊，從產生的原因有許多種，但對管道與設備安全構成威脅的有兩種：

1.中間泵站因動力中斷，輸油泵突然關閉，在泵站進口側產生高壓波，泵站出口側產生低壓波；

2.干線截斷閥或中間泵站因誤操作進站閥門突然關閉，閥前產生高壓波。水擊時的高壓波、低壓波分別沿管道傳播，高壓波與管道中原有輸油壓力疊加產生異常的正壓，低壓波則可能在管道造成負壓。以上兩種水擊是密閉輸送輸油管道需要重點進行分析和保護的。

分析的主要目的

（1）在上述兩種水擊狀態下，無任何水擊保護措施時，分析輸油管道可能發生的最高與最低壓力，以確認是否需要采取水擊保護措施；

（2）當采取某種水擊保護措施時，分析輸油管道各處可能發生的的最高與最低壓力，以判斷保護措施是否得當合理。

對輸油管道的水及分析利用專門編制的計算機程序進行。分析所提供的成果

（1）無任何保護措施情況。

中間泵站突然關閉時，管道各處在任何時間的最高與最低壓力線圖(也稱包絡線圖)；

末站關閉時，管道各處任何時間的最高與最低壓力線圖。

（2）采用泄放閥保護情況。

當中間泵站突然關閉及末站突然關閉時：管道各處任何時間的最高與最低壓力線圖；

各中間泵站壓力-時間曲線；各中間泵站流量-時間曲線；泄放閥泄放速率；泄放閥累積泄放量。

（3）采用超前保護。中間泵站突然關閉與末站突然關閉。管道各處任何時間的最高與最低壓力線圖；各中間泵站壓力-時間曲線；各中間泵站流量-時間曲線。

四、水擊保護

根據水擊分析所提供的結論，工藝及自控專業，采取相應的防護措施，主要措施有以下幾點：

1.水擊保護工藝措施

（1）在泵出口處設泄壓閥，當水擊產生的壓力過大采用被動的泄壓方式釋放多余壓力，從而保護管道和泵體。

（2）在循環泵前、后安裝帶止回閥的旁通管，可有效阻止突然停泵引起的水擊現象。

（3）在管線上采用緩閉單向閥，延長閥門關閉所需的時間，減少由于誤操作引起閥門關閉時產生的瞬時壓力。

（4）在較長管道中增設調壓室，相對的減少管道長度，緩和水擊壓力。

（5）在輸油管線上安裝排氣閥，可以有效的避免輸油管道局部產生集氣現象。

（6）適當加大輸油管道管徑，減少管道流速可有效減少瞬時壓力的變化，減少水擊強度。

（7）建立合理的安全操作規則

2.水擊保護自控系統措施

（1)分析所需基礎數據

自控系統對管道瞬間變化流動分析需要利用管道各種特征的一系列數據。所需要的數據一般如下所列：

①管道輸送量

規定設計管道油料輸送量、計算輸送量。

②原油物性

密度、凝點、運動粘度-溫度數據組、反常點、流變指數、稠度系數等。

③管道參數

線路縱斷面(高程-里程)數據組，各泵站間距、管徑、壁厚、管壁粗糙度，鋼材屈服極限，保溫層厚度、保溫層導熱系數，地溫、管道總傳熱系統等。

④管道主要設備布置簡圖

輸油泵臺數及工作方式（并、串聯），加熱爐臺數，全線各泵站輸油泵、調節閥、加熱爐及泄放閥的相互連接關系圖，泵站內部局部摩阻值及其分布。

⑤設備特性

輸油泵型號，泵額定流量、揚程與效率，泵轉矩與轉速慣性矩。加熱爐額定流量時壓降。

調節閥型號、閥額定流量時壓降、全行程時間、調節特性、調節器的特性系數。

泄放閥給定壓力值、不同超壓百分數時的流量系數。

f.設計給定值

泵站進、出站壓力給定值，越站輸送時各泵站的壓力限制。

泵站進站油溫。

（2)輸油管線在線監測

①沿管線布置一條光纖，將管線的首站、末站、中間泵站、中間閥室串聯起來，同時為了保證自控系統的可靠性，在各個站布置GPRS或者租用外部電信運營商，建立備用通訊回路，但發生故障的時候，快速切換著另一路通訊回路，同時不斷監測兩條通訊回路的可靠性，一旦其中一條發生故障，馬上報修進行恢復。

②管線上各個閥門的開閉狀態，手/自動控制權限。

③輸油泵狀態信號，手/自動控制權限。

④輸油管線首站、末站、中間泵站、中間閥室管線壓力及流量監測。

（3)輸油管線防水擊自控模型

自控系統根據基礎數據、在線監測的參數分析出水擊現象是否發生。

當發生水擊現象時，分析出當前發生水擊類型，根據不同的類型，控制管線的電氣設備及工藝設備減少水擊壓力。

結論

本文介紹了水擊現象的危害及在工程設計中如何進行水擊防護的設計步驟，水擊分析是工程設計中重要而關鍵的環節，為工藝設備及自控檢測提供了理論基礎，在最大危險情況下，有效的減少水擊壓力，實現超前調節。

[1]張國忠《長輸管道水擊壓力計算方法分析》石油大學學報1993（3）.

[2]陳貴清《壓力管道水擊危害及其防治》河北理工學院學報2005（2）.

[3]孟安波《一種新的彈性水擊計算方法》華北水利水電學院學報 2003（4）.

[4]付六生《減少管路中回流水擊現象》西南造紙2001（6）.

[5]路勝《管道水擊壓力測試技術》液體工程1993（21）.