降低海上平臺消防泵出口水擊力研究

毛偉志

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

降低海上平臺消防泵出口水擊力研究

毛偉志

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

荔灣某平臺調試消防泵時出現了玻璃鋼管線嚴重振動并突然發生破裂的情況。針對這一問題，進行了理論上的分析，提出了降低水擊力大小的可能措施，然后建立了消防泵及出口管線PIPENET模型，計算出了消防泵出口消防管網水擊力的大小。進一步對降低水擊力大小的措施進行了研究，提出了最切實可行、適合海洋平臺的消防泵出口管網水擊防控措施。

消防泵；振動；水擊力；海上平臺；PIPENET模擬

0 引 言

消防泵是海上平臺整個消防水系統的心臟。為提高平臺的綜合處理能力，目前海上平臺的規模都較大，因此所需的消防水量也較高。由于大排量的電動消防泵受到啟動電流大的限制，所以一般都會使用柴油消防泵引水來滿足大的消防水量要求。近幾年在多個項目柴油消防泵調試過程中，發生消防泵出口水擊力較大導致玻璃鋼管線破裂問題。以荔灣某平臺為例，海上調試柴油消防泵B泵期間，在啟動大約1 min，泵出口壓力剛到1 000 kPa時，在壓力調節閥法蘭口與玻璃鋼管線法蘭口連接處突然發生破裂，致使海水直接噴出至泵橇周圍區域，在調試A泵其出口壓力達到1 000 kPa時，排海管線振動過大，調試立即停止。因此，研究如何降低泵出口管線振動就顯得尤其重要。

針對近年來多個項目柴油消防泵調試過程中，發生消防泵出口振動較大導致玻璃鋼管線破裂或變形的問題，對其進行了原因分析[1]，結果如下。(1)啟停泵：由于泵后的管線到止回閥的管段均存在空氣，這樣在泵啟動的瞬間，會引起管內壓力的突然變化及系統壓力和流量的波動；當突然停泵的時候，管路中的水流速將發生遞變，從而引起壓力遞變，進而產生水擊[2-3]。(2)閥門的操作：無論是開閥還是關閥、開大或關小都可能引起壓力波動，并在管路內傳播，從而形成不穩定流，進而產生水擊[4]。(3)人為操作原因：閥門操作過快或者突然啟停消防泵都容易產生較大的水擊力，從而對管道產生嚴重的破壞。

根據上述原因分析，不管是啟停泵、閥門的操作還是人為操作原因，根本原因都是管路中的水流速發生了遞變，產生了較大的水擊力，而玻璃鋼管線的強度較弱，所以發生了嚴重的振動現象，甚至會發生管線破裂。因此本文將針對這種情況，以荔灣某平臺為例，對消防泵的調試工況及水擊力減小措施的效果進行模擬，從而得到較為適合海上實施的措施。

1 荔灣某平臺測試工況簡介

荔灣平臺的消防泵設計如圖1所示。本文僅針對消防泵的測試工況進行模擬計算。當消防泵進行測試的時候，慢慢調節測試管線上的蝶閥的開度進行憋壓，當壓力上升到1 000 kPa左右時，測試管線出現明顯的振動情況。下面應用PIPENET1.6動態模型對消防泵測試工況進行模擬[5]。

圖1 荔灣平臺消防泵PID圖Fig.1 Fire water pump PID of LW platform

2 PIPENET水擊模型模擬計算

2.1 未采取措施的PIPENET水擊力模擬研究

根據現場實際情況建立模型，如圖2所示[6]。

經過計算可以得到，調節閥前后的彎頭水擊力F2為91 929 N,F3為78 001 N(如圖3)，水擊力較大，會產生非常強烈的振動。

2.2 采取鵝管的PIPENET水擊力模擬研究

根據上述分析，在原有模型的基礎上在F2彎頭處增加鵝管，其他的參數設定不變，建立模型如圖4所示。

目前工程實踐中常用的鵝管管徑尺寸為2英寸(1英寸=2.54 cm)，長度為2 m，模擬計算時，采用此數據作為鵝管的輸入數據。按照相同的操作步驟對消防泵測試工況進行模擬，得到的計算結果F2為27 655 N，F3為22 392 N(見圖5)。

圖2 PIPENET模型Fig.2 PIPENET model

圖3 對應圖2的PIPENET計算輸出結果Fig.3 Calculation result according to Fig.2

圖4 增加鵝管工況的PIPENET計算模型Fig.4 PIPENET calculation model with the goose neck pipe added

圖5 對應圖4的PIPENET計算輸出結果Fig.5 Calculation result according to Fig.4

為了進一步研究鵝管的作用效果，將分以下兩種情況進行研究：

(1) 長度仍然選取2 m不變，改變鵝管的管徑尺寸，分別選取1、3、4、6英寸，對鵝管的作用效果進行研究。

(2) 保持鵝管管徑尺寸2英寸不變，改變鵝管的長度，分別選取1、4、6、8 m，對鵝管的作用效果進行研究。

兩種情況下所得結果如表1和表2所示。

表1 鵝管管徑尺寸變化的模擬結果Table 1 Calculation result for the size changing of the goose neck pipe

表2 鵝管長度變化的模擬結果Table 2 Calculation result for the length changing of the goose neck pipe

由上述數值可以看出，鵝管的管徑尺寸和長度對水擊力的大小有一定的影響，但是管徑和長度的影響并未呈現線性或者有規律的關系，仍然需要根據項目的實際情況，建立模型核算出比較經濟可靠的鵝管管徑尺寸和長度。

2.3 采取呼吸閥措施的PIPENET水擊力模擬研究

根據上述分析，在原有模型的基礎上在F2彎頭處增加呼吸閥[7-8]，其他的參數設定不變，建立模型，如圖6所示。

圖6 增加呼吸閥工況的PIPENET計算模型Fig.6 PIPENET calculation model with the breather valve added

目前工程實踐中常用的呼吸閥尺寸為2英寸，模擬計算時，以此數據作為呼吸閥的輸入數據。按照相同的操作步驟對消防泵測試工況進行模擬，得到的計算結果F2為1 352 N，F3為22 934 N(見圖7)。

圖7 對應圖6的PIPENET計算輸出結果Fig.7 Calculation result according to Fig.6

為了進一步研究呼吸閥的效果，改變呼吸閥的尺寸，分別選取1、3、4、6英寸，對呼吸閥的作用效果進行研究。所得結果如表3所示。

表3 呼吸閥尺寸變化的模擬結果Table 3 Calculation result for the size changing of the breather valve

由表3數值可以看出，理論上呼吸閥的尺寸對水擊力的大小沒有影響。

2.4 增加U型彎措施的PIPENET水擊力模擬研究

根據上述分析，在原有模型的基礎上在F2彎頭前方管線及F3彎頭前方管線增加U型彎結構，其他的參數設定不變，建立模型，如圖8所示。

將U型彎結構的長度設定為1 m，按照相同的操作步驟對消防泵測試工況進行模擬計算，得到的計算結果F2為44 351 N，F3為75 897 N(見圖9)。

圖8 增加U型彎結構工況的PIPENET計算模型Fig.8 PIPENET calculation model with the U structure added

雖然U型彎結構具有一定的效果，但是單一的U型彎結構效果不明顯，尤其是豎直方向的U型彎結構。為了進一步研究U型彎結構的效果，下面將增加U型彎結構的數量(2個、3個)，建立模型，如圖10和圖11所示。

圖9 對應圖8的PIPENET計算輸出結果Fig.9 Calculation result according to Fig.8

圖10 增加2個U型彎結構的計算模型Fig.10 Two U structures calculation model

圖11 增加3個U型彎結構的計算模型Fig.11 Three U structures calculation model

增加U型彎數量工況下得到的模擬結果如表4所示。

表4 增加U型彎數量的模擬結果Table 4 Calculation result for adding the U structures

由表4數值可以看出，理論上U型彎結構的數量越多對減小管線中的水擊力越有利。增加足夠的U型彎結構，也能達到降低水擊力的目的。

3 結 語

(1) 由上述研究可以看出，在海上工程設計中，理論上采取增加鵝管的方式對于消防泵測試工況的消防水管線中的水擊力影響較大，可以很好地達到減小管線中水擊力的目的。而且鵝管的尺寸和長度對水擊力的大小有一定的影響，但是尺寸和長度的影響并未呈現線性或者有規律的關系，仍然需要根據平臺設計的實際情況，建立模型核算出比較經濟可靠的鵝管尺寸和長度。

(2) 在海上工程設計中，理論上采取增加呼吸閥的方式同樣對于消防泵測試工況的消防水管線中的水擊力影響較大，可以很好地達到減小管線中水擊力的目的。但是呼吸閥的尺寸對水擊力的大小影響不大。

(3) 雖然在理論上U型彎結構的數量越多對減小管線中的水擊力越有利，增加足夠的U型彎結構，也能達到降低水擊力的目的，但是在實際的海上平臺工程中，由于受到占地、管網規劃、管道支撐等因素的影響，多U型彎結構的管線很難實現，尤其是垂直的排海管線，多U型彎結構的管線將無法支撐。

[1] 鄭克敬. 泵站水錘現象及其防護措施[J]. 人民黃河,1983(3):36.

[2] 劉斌. 淺談停泵水錘的危害及防護[J]. 山西建筑, 2009,35(24):182.

[3] 張杰. 停泵水錘壓力計算及其防止措施[J]. 給水排水,1981(4):33.

[4] Wood D J. Waterhammer analysis—essential and easy (and efficient) [J].Journal of Environmental Engineering, 2005,131:1123.

[5] 李立婉, 高永強, 萬宇飛. 水擊分析方法及保護措施[J]. 當代化工, 2014,43(7):1367.

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[7] 柯勰, 胡云進, 萬五一. 空氣閥防護水錘的研究進展[J]. 人民黃河, 2010,32(12):229.

[8] 羅思·肯尼迪, 肖宇. 放空閥在“水擊”控制中的應用[J]. 新疆石油科技, 1993(3):95.

ReductionofWaterHammerontheOutletPipesofFireWaterPumpforOffshorePlatforms

MAO Wei-zhi

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

According to the severe vibration and damage of the fiber reinforced plastics pipes during the test of fire water pump on the LW platform, theoretical analysis is carried out, and the possible methods for the reduction of water hammer are discussed. Then a PIPENET model is built to obtain the value of the water hammer of the outlet pipes of the fire water pump. The best way for water hammer reduction of outlet pipes of the fire water pump on the offshore platform is proposed.

fire water pump；vibration；water hammer；offshore platform；PIPENET simulation

2015-09-11

毛偉志(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事海上油氣田安全方面的研究。

P742

A

2095-7297(2015)05-0337-05