某回流管道與閥體出現砂眼的理論分析與對策

崔 正，寇子建，張 彪

(中海石油(中國)有限公司 天津300452)

某回流管道與閥體出現砂眼的理論分析與對策

崔 正，寇子建，張 彪

(中海石油(中國)有限公司 天津300452)

中海石油(中國)有限公司某平臺生產水前濾水罐通過自動調節閥開關控制回流污水流量，以穩定罐內液位。而由于管線布局設計缺陷，調節閥門頻繁動作導致污水沖擊管道內截留氣團，造成閥門及管道多次出現砂眼刺漏，存在安全環保生產隱患。通過建立水流沖擊管道內滯留氣團模型并進行水擊壓力計算，分析頻繁出現砂眼刺漏的原因，并通過針對性的自主改造設計成功解除了此處隱患。

自動調節閥 水擊 滯留氣團 瞬變流

1 概 況

中海石油(中國)有限公司某平臺前濾水罐位于平臺下甲板，操作壓力為3,kPa，操作溫度為61,℃；通過下游生產水輸送泵(揚程為40.8,m)出口位于中甲板的自動調節閥開關，控制回流污水流量以穩定罐內液位(見圖1、2)。通過PCS系統控制自動調節閥，閥門動作平均耗時3,s，動作間隔3,min/次。

該平臺于2010年2月投產，但在2011年初前濾水罐回流調節閥下游管道就出現多處砂眼刺漏，補焊后仍刺漏頻繁。2013年1月該調節閥閥體刺漏，遂將該閥體及下游管件進行更換。發現原管件上密密麻麻遍布著不同程度的孔洞(見圖3)。

但更換后投用僅7個月，新管線段又出現砂眼刺漏。之后兩年時間已經補焊10余次。

圖1 前濾水罐流程圖Fig.1 Flowchart of front filtration tank

圖2 前濾水罐與回流調節閥布局示意圖Fig.2 Layout of front filtration tank and backflow adjustment valve

圖3 管線內部分布密密麻麻的砂眼Fig.3 Sand holes within the pipeline

2 原因分析

前濾水罐位于平臺下甲板，而回流管段的液位調節閥LV-3031位于中甲板，液位調節閥LV-3031高出罐頂約3.5,m(見圖2)。由于調節閥后管道較短，在調節閥關閉動作時，管道內存在水擊現象。調節閥頻繁動作，水擊反復作用于閥體，影響使用壽命，懷疑為閥門頻繁刺漏的原因之一。

而當調節閥由關至開的過程中，因管道無液體緩沖，生產水流將直接沖刷調節閥閥體及下游管道，且動作速度較快，罐內滯留氣體來不及排出，將出現水流沖擊滯留氣團現象。在這種瞬變過程中，氣團的壓縮變形使得水流積聚了較大的沖量，管道內將會出現大幅值的壓力波動，可能導致管道出現砂眼。

本文將分別針對以上兩種情況，在流體力學理論基礎上進行定量計算，直觀地表示出閥體與管道所受應力沖擊。

3 閥體與管道出現砂眼的流體力學分析

3.1 調節閥關閉時管道內水擊壓力計算

現將液位調節閥關閉過程簡化為流體力學中水擊波典型模型(見圖4)。其中L1是調節閥中心至上游管道彎頭處距離，管道內生產水以速度v運動，調節閥突然完全關閉，管道內液體質點速度從閥門處開始向上游以速度a逐步變化，緊靠閥門處液體質點壓力突然上升Δp。引入水擊壓力計算公式，即儒可夫斯基公式：

式中：Δp——水擊壓力；a——水擊波傳播速度；ρ——管道內液體密度。

圖4 水擊發生簡化圖Fig.4 Schematic of water hammer

式中：E——液體體積彈性模量，2× 109Pa ；D——管道內徑，150,mm；e——管壁厚度，4.5,mm；ρ——管道內液體密度，1.025×103 kg/m3；K——管道彈性模量，19.6× 1010Pa。

將數值帶入公式(2)，得出水擊波傳播速度a≈1206 m/s。液體在管道內流動速度取較大值v＝3。

將計算結果帶入公式(1)，得出Δp=3,708,kPa＝3.708,MPa。

上述分析在液位調節閥瞬間關閉的假設條件下計算得出，而實際閥門關閉需要時間t，t越大，管中液體流速越不會很快變為零，水的壓縮性以及管壁的彈性將緩解水擊壓力。

水擊波傳播周期T＝0.001,7,s＜3s，因此按照間接水擊進行計算，算出水擊壓力Δp=2.10,kPa。

因管道內壓力約為P＝500,kPa，遠遠大于水擊壓力Δp，所以可以忽略水擊對調節閥的影響。

3.2 調節閥開啟時管道內壓力水流沖擊滯留氣團計算

針對液位調節閥打開過程中管道內出現壓力水流沖擊滯留氣團現象這一過程，本文將計算閥門開啟后氣團瞬間絕對壓力(以水柱高度表示)，并在下列假設條件下建立數學模型：①剛性假定，即水體和管壁的彈性可忽略不計；②管道全線等斷面，且沿程摩阻系數不變；③氣、水交界面與管中心線垂直，管內水、氣互不摻混；④在恒態和瞬態情況下，管內水流阻力特性不變；⑤氣團狀態變化可由理想氣體狀態方程描述，且多變指數m為常數。

根據上述基本假定，管道內水流沖擊滯留氣團的任一瞬變狀態始終由氣團、氣-水交界面及水流3部分的瞬變狀態所組成。其中，描述氣團瞬變狀態的控制方程即理想氣體狀態方程為：

式中：Ha、Va、La分別為閥門開啟后t時刻氣團的瞬態絕對壓力(以水柱高度表示)、體積和在管道內的長度；m是理想氣體的多變指數；Ha0、Va0、La0分別為Ha、Va、La在初始狀態的值。其中，La0=La+x。這里x為t時刻管道內充水段增長段的瞬態長度(見圖5)。

圖5 含滯留氣團的有壓管道系統示意圖Fig.5 Schematic of pressure pipeline with air sacs

描述氣-水交界面瞬變狀態的控制方程，即交界面兩側的流量連續方程和壓力平衡方程為：

式中：Q、U分別為閥門開啟后t時刻水流的瞬態流量和流速；t為時間變量；Hwc、Zc分別為氣-水交界面處的水壓力和管中心高程。上文已得出，水擊壓力遠遠小于管道壓力，可忽略不計。因此，可忽略管壁和液體彈性，導出其“剛性數學模型”。

在計入局部水頭損失、閥門開度和管道高程變化等因素的完整的水流瞬變狀態控制方程為：

式中：Hu——管道內壓力表示的水柱高度，Hu=，其中P是管道內壓力；D——管道直徑；f ——管道沿程摩阻系數；g——重力加速度；ΔHV——閥門水頭損失，，vε為水頭損失系數；Lx——閥門瞬間開啟后t時刻充水段的瞬態長度，Lx=，vε為水頭損失系數。

當閥門過流特性和開啟規律給定時，sv即為時間t的單調連續函數，可寫成εv=εv(t)；Zc是氣-水交界面處的管中心高程，是關于Lx的連續函數，即Zc=Zc(Lx)；εj是管內水流局部水頭損失系數總和，是關于Lx的階梯型函數，即εj=εj(Lx)。因此，式(7)可改寫成如下形式：

L2為初始狀態充水段長度，即液位調節閥LV-3031開啟前管道水平段長度(見圖7)；Lx= L2+x+L2+La0?La；將該式及式(4)代入式(8)，可整理成形式，這里Φ是未知量U、La的函數，然后將其與式(5)聯列，利用四階隆格庫塔法積分，即可求出任意t時刻的解。其初始條件是：t＝0，U=0、La=La0。

在本文中各項參數為：L2=1.05m，P＝500,kPa，ρ=1.025×103 kg/m3，g＝9.8,m/s2，f=0.02，m＝1.4，D＝0.15,m，閥門開啟時間t＝3,s，線性開啟，εj=0.5(U≥0)，1(U＜0) 。

代入各項參數，計算結果為：Ha=92.67 m即調節閥LV-3031開啟后，氣團的瞬態絕對壓力最大值為Pa=0.93,MPa。

3.3 結論分析

此調節閥關閉過程產生的水擊為間接水擊，計算水擊壓力遠小于管道內生產水壓力，可忽略不計，水擊現場不是造成閥體損壞的原因，且實際中頻繁出現砂眼在調節閥后，間接印證理論的正確性。

理想狀態下氣團的瞬態絕對壓力計算值高達0.93,MPa。調節閥頻繁動作，滯留氣團將持續沖擊壓力管道與調節閥閥體。

閥體與管道內徑不同，調節閥內徑較大，閥門開啟后水流沖擊將形成大量的空泡，空泡潰滅過程瞬間產生極高的壓力(可達幾千個大氣壓力)。若空泡潰滅發生在固體邊界，潰滅時的高壓作用對管壁與閥體將產生一定程度的破壞。

調節閥開啟時水流沖擊壓力管道內滯留氣團，以及水流沖擊不平順管道形成的空泡潰滅，是造成壓力管道與調節閥閥體砂眼刺漏的主要原因。

4 流程優化改造

將前濾水罐回流調節閥管線布局進行重新設計，呈“倒U”型(見圖6)。調節閥關閉后，閥后垂直管段將大部分充滿生產水，閥開后不會形成水流沖擊滯留氣團和空泡現象。這就從理論上解除了以上現象對管道的剝蝕作用。

圖6 改造后前濾水罐回流管線布局改示意圖Fig.6 Layout of transformed backflow pipeline of the front filtration tank

5 改造效果

自2015年10月改造后至2016年6月，管道及閥門未出現砂眼刺漏現象，使用周期高于投產初期。且結合2016年管道探傷結果可知，管道壁厚保持原值(見表1)。

表1 2016年超聲波管道測厚結果Tab.1 Results of ultrasonic thickness measuring in 2016

通過此次管線布局改造，每年可節省維修費用15萬，減少維修工作量100工時，并徹底解除了安全生產環保隱患。

6 結 語

本文針對回流管道與調節閥閥體出現砂眼這一現象，建立流體力學模型進行理論分析。定量分析設備損壞的原因，并據此提出合理的流程升級改造建議，以節省維護與更換費用，保證安全生產。■

［1］ 李演科. 淺談板橋泵站出水管的水錘計算[J]. 陜西水利，2012(6)：128-129.

［2］ 劉德有，索麗生. 水流沖擊管道內滯留氣團的剛性數學模型[J]. 水科學進展，2004(11)：717-722.

［3］ 王家楣，張志宏，馬乾初. 流體力學[M]. 大連：大連海事大學出版社，2002.

The Analysis and Solution of the Blister in the Backflow Pipeline and Regulator

CUI Zheng，KOU Zijian，ZHANG Biao
(China National Offshore Oil Corporation(CNOOC)，Tianjin 300452，China)

On one of the offshore platforms of CNOOC , the level of pre-filter water tank is controlled by automatic regulator to maintain its stability. However, due to design defect, frequent adjustments of valve will result in air sac(s) withheld in the pipeline impacted by sewage pressure, damaging the pipeline and the regulator, and causing sewage leak. It would be a serious environmental threat and safety risk. This paper establishes a mathematical model of water pressure impacted dash air sac(s) in the pipeline, and analyzes the reason of pipeline damages. Besides, the pipeline was redesigned based on the mathematical model for solution.

automatic regulator；water hammer；dash air sac；transient flow

TV131.3

：A

：1006-8945(2016)10-0011-04

2016-09-09