新疆化—王成品油管道事故瞬態(tài)分析

張 寧，馮玉華，鄧 靜，邱宗君

（新疆石油勘察設計研究院（有限公司）， 新疆維吾爾族自治區(qū) 烏魯木齊 830000）

新疆化—王成品油管道事故瞬態(tài)分析

張 寧，馮玉華，鄧 靜，邱宗君

（新疆石油勘察設計研究院（有限公司）， 新疆維吾爾族自治區(qū) 烏魯木齊 830000）

以某成品油管道（化—王D273成品油管道）為例，應用 SPS 軟件（Stoner Pipeline Simulator）建立了管道系統(tǒng)物理模型。動態(tài)分析了該管道末站進站ESD閥意外關斷時的工況，并結合瞬變流動理論，優(yōu)化水擊保護控制程序，提出了不同事故工況下的水擊控制方案。研究表明：對于末站進站ESD閥意外關斷，提出了兩種方案并進行安全性分析，最終采用對該管道實施末站泄壓保護和水擊超前保護雙重措施這一方案，沿線最高瞬時壓力不超過管道最大允許瞬時壓力，穩(wěn)定后的壓力不超過管道設計壓力，且管道全線瞬變過渡過程平穩(wěn)快速，無負壓點，滿足管道安全運行要求。

SPS；成品油管道；水擊保護；工藝分析

輸油管道的密閉輸油流程使管道全線成為一個整體的水力系統(tǒng)，管道沿線某一點的流動參數(shù)變化會在管內(nèi)產(chǎn)生瞬變壓力脈動。該壓力脈動從擾動點沿管道上下游傳播，即引起管道的瞬變流動，管道瞬變流動引起的壓力波動稱為水擊。

水擊壓力和速度的變化與流動質(zhì)量和動量有關，輕微時只表現(xiàn)為噪音和振動，嚴重時會使管道破裂。水擊會引起管道中的液體密度、管道壓力及管子截面積同步發(fā)生周期性的增減變化，不論造成管道壓力過高或過低，還是造成管道振動，都可能引發(fā)嚴重的后果[1-5]。

1 管道運行現(xiàn)狀

新疆烏石化—王家溝成油品支線，管道起點為烏魯木齊石化公司東側(cè)，終點位于王家溝油庫東側(cè)，線路全長38.5 km，管道規(guī)格為D273.1×5.6，管道設計壓力4.0 MPa，設計輸量為200×104t/a，全線設首末站各1座。首站外輸泵至下游閥門及管件設計壓力均為5.0 MPa，末站進站管件承壓為1.6 MPa。

2 事故分析

模擬油品：0#柴油，20 ℃時油品密度為850 kg /m3，粘度為8 mm2/s，本論文僅針對設計輸量下，利用SPS軟件模擬末站進站ESD閥意外關斷時，對管道首末站的影響并提出處理方案。

2.1 無水擊保護措施

在末站沒有任何保護措施情況下，對事故工況進行模擬，如圖1。

由圖1可知，事故后，管道全線歷史最大壓力全線超過設計壓力 4.0 MPa和最大瞬時壓力 4.4 MPa。由此可知，在此工況下，會導致管線停輸，管道已經(jīng)不滿足安全運行的條件。

2.2 增設末站泄壓保護系統(tǒng)

在末站ESD閥前增設泄壓閥，泄壓壓力為1.6MPa，模擬結果如圖2。

圖1 事故后管道線路沿線歷史最高和最低壓力圖Fig.1 The diagram of the max pressure and the min pressure after theaccident

圖2 事故后管道線路沿線歷史最高和最低壓力圖Fig.2 The diagram of the max pressure and the min pressure after theaccident

由圖2可知，當泄壓閥泄放壓力為1.6 MPa時，管道沿線歷史最大壓力超過可允許的最大瞬時壓力，所以在此工況下，管道已經(jīng)不滿足安全運行的條件。

根據(jù)計算，如果要使管線壓力不超過最大可允許瞬時壓力4.4 MPa，則需要設置泄壓閥泄放壓力不高于1.48 MPa。

2.3 增設超前保護措施

經(jīng)過上述計算與分析，優(yōu)化方案如下：設置當末站入口壓力為0.8 MPa時實現(xiàn)報警，在末站入口壓力為1.2 MPa時實現(xiàn)停泵并同時關閉首站出站閥門，達到1.4 MPa時開始泄壓。

注釋：

STANDARD.FLOW：標態(tài)下的管道流量；

HEAD：壓頭線；

ELEVATION：高程線；

B0114:P+：首站出站壓力；

B0301:P-：末站進站壓力；

B0114:Q+：首站出站流量；

B0301:Q-：末站進站流量；

MAOP：最大可允許操作壓力，選定為設計壓力4 MPa； MASP：最大可允許瞬間壓力，為設計壓力的 1.1倍； MAX.PRESSURE：管線各點在時間段內(nèi)達到的最大壓力；

MIN.PRESSURE：管線各點在時間段內(nèi)達到的最小壓力

圖3 事故時烏石化首站出站壓力及王家溝末站進站壓力圖Fig.3The diagram of outbound pressure in the first station and inbound pressure in the last station on the accident

圖4 事故時烏石化首站出站流量及王家溝末站進站流量圖Fig.4The diagram of outbound flow in the first station andinbound flow in the last station on the accident

圖5 事故后管道線路沿線歷史最高和最低壓力圖Fig.5The diagram of the max pressure and the min pressure after the accident

圖6 事故后泄壓閥入口流量變化圖Fig.6The diagram of inbound flow in the relief valve after the accident

（1） 由圖4可知：在末站增加泄壓閥后并設置超前保護后，末站進站ESD閥意外關斷后，管線流量降為0，造成管線停輸。

（2） 由圖5可知，此時，管道沿線歷史最大壓力沒有超過設計壓力

（3） 由圖3可知，末站進站ESD閥意外關斷30 s后，末站進站壓力瞬間上升到0.91 MPa，并在事故發(fā)生后約0.75 min（45 s）時，末站進站壓力升至1.2 MPa，此時超前保護程序啟動，停泵并且關閉首站出站閥門；在事故發(fā)生后8.3 min（498 s），泵出口壓力降到0.24 MPa，與泵入口壓力相同；首站出站壓力與泵出口壓力同時下降，但在事故發(fā)生后1 min（60 s）時，由于泵后水錘的作用壓力突然上升至2.61 MPa，之后才開始下降。

（4） 在事故發(fā)生后約1 min（60 s），末站進站壓力達到1.4 MPa，此時泄壓閥開啟，開始泄壓，在事故發(fā)生后4.3 min（258 s），末站進站壓力首次低于1.4 MPa，此時，泄壓閥關閉，停止泄放。由于泄壓閥關閉而引起的水力波動，使得首站出站壓力與末站進站壓力成反比例變化，并由2.3-2可知，經(jīng)過一段時間波動，首站出站壓力和末站進站壓力開始緩慢下降。

（5） 由圖4可知，末站進站ESD閥意外關斷30 s后，末站進站流量瞬間下降為0；首站出站流量在停泵后由于水錘的作用立刻下降負值，之后上升為0，并穩(wěn)定。

（6） 由圖6可知，泄壓閥流量從事故發(fā)生后1 min（60 s）開始上升，到事故發(fā)生1.85 min（111 s）升至最大值173.6 m3/h，在事故發(fā)生后4.3 min（258 s），泄壓閥關閉，流量降為 0。經(jīng)計算，泄壓時間為198 s，泄放總體積約為4.7 m3。

綜上所述，可知：

設定泄壓閥泄放壓力為 1.4 MPa，并設置超前保護的工況下，會造成停輸，而且管道沿線歷史最大壓力不會超過設計壓力，可以滿足安全運行要求。

3 結束語

泵機組的非正常停運，閥門突然開啟和關閉、開大和開小，物性不同的油品分界面經(jīng)過泵、管道泄壓后重新充液排氣時，都會造成水擊，導致管道的不穩(wěn)定流動過程。水擊波的傳播速度非常快，因而，水擊事故很難預警，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)。

王家溝末站進站ESD閥意外關斷，分別就無水擊保護措施、增設泄壓保護措施、增設超前保護措施等三種情況進行分析計算，最終選定保護方案：在王家溝末站進站ESD閥前增設泄壓閥，泄放壓力為1.4MPa，同時增設超前保護措施，程序為設置當末站入口壓力為0.8MPa時實現(xiàn)報警，在末站入口壓力為1.2MPa時實現(xiàn)停泵并同時關閉首站出站閥門。

［1］張國權，劉凱.成品油管道的水擊及其防護措施[J].油氣儲運，2006，25(12)：61-63.

［2］趙竟奇.管道產(chǎn)生水擊的原因分析[J].油氣儲運，1999，18(5)：35-41.

［3］鐘仕榮，王建華，卞保武，等.甬滬寧原油管道水擊分析與超前保護[J]. 化工自動化及儀表，2005，32(6)：48-50.

［4］甄潔，張茂林，尚增輝, 等.三塘湖輸油管道大落差地區(qū)的水擊保護[J].油氣儲運，2013，32(1)：101-104.

［5］王立憲，陳常洲.停泵水錘的防護措施[J].化工給排水設計，1995(4).

Transient Analysis on Failures of Hua-wang Products Pipeline in Xinjiang

ZHANG Ning，F(xiàn)ENG Yu-hua，DENG Jing，QIU Zong-jun

（Xinjiang Petroleum Investigation Design and Research Institute( Co.,Ltd.),Xinjiang Urumchi 830000，China）

Taking a oil product pipeline from Urumqi petrochemical company to Wangjiagou as an example，a physical model of the piping system was established by SPS software (Stoner Pipeline Simulator).Water hammer of the pipeline occurred in working condition was dynamically simulated, and protection procedures of water hammer were optimized combined with the transient flow theory. The study shows: the pressure relief protection of end station and advanced protection of water hammer should be applied into the pipeline. Steady pressure does not exceed the design pressure of the pipeline, and the transient process of the whole pipeline is steady and rapid, and there is no negative point.

SPS; Product oil pipeline; Water hammer protection; Technology analysis

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0629-03

2014-10-21

張寧（1988-），男，新疆烏魯木齊人，助理工程師，碩士，2013年畢業(yè)于遼寧石油化工大學油氣儲運專業(yè)，研究方向：從事油氣長輸管道設計研究工作。E-mail：329627023@qq.com。