輸油管道水擊分析與防護

葉富艷(中國石油工程建設有限公司青海分公司,青海 海西 817000)

1 引言

長距離輸油管道采取密閉輸送工藝，輸送過程中各節點的流速和壓力均隨著時間的變化而變化，運行操作時，閥門突然開啟、關閉及泵機組發生故障等，使流體的運行狀態發生瞬時變化，易引起水擊，導致管道局部超壓、液柱分離及泵汽蝕等危害。研究輸油管道瞬時水擊壓力變化的產生原因，分析水擊壓力對管路運行工藝設施的影響，采取措施防止或減小水擊危害，對輸油管道的安全運行有重要意義。

2 水擊計算方法研究

2.1 水擊產生的原因

密閉輸油管道及設備處于一個水力系統中，全線各站泵的啟用臺數、揚程、管道的調節形式等決定著輸油管線的運行狀態，一旦運行工況發生突變，管路內流體由于流速變化引起壓力急劇變化，急速變化的壓力波會在管道系統內往復傳遞、循環震蕩，嚴重破壞管道系統。目前輸油管道系統中可能影響水力工況的主要因素如下：

(1)泵啟停輸操作時，產生壓力波。

(2)站間截斷閥的開啟與關閉。

(3)突然停電或泵機組發生故障、調節閥失常。

2.2 水擊對輸油管路工藝的影響與危害

輸油管道某處或中間某個站場發生水擊，都會波及全線，引起管道沿線壓力、流量、流速的急劇變化，造成如下危害：

(1)導致管道局部超壓，破壞管道強度。

(2)發生液柱分離，使管道失穩，產生變形。

(3)使中間泵站的泵發生氣蝕，影響下游泵機組工作。

2.3 水擊壓力與波速計算方法

為減少輸油管道水擊危害，對管道運行過程中可能出現的水擊壓力進行計算，以便采取相應的保護措施。

2.3.1 水擊壓力計算

本文以某一輸油管道為研究對象，分析其發生水擊后，產生的水擊壓力，示意圖見圖1。

圖1 水擊壓力計算示意圖

圖1 中，p0為流體原有壓力，ν0為速度，d為管徑，由動量定律得出如下公式：

式中：ρ為密度，為水擊波的傳播速度。

若用液柱高度表示水擊壓強，如下：

水擊最大壓力計算，如下：

2.3.2 水擊波速計算

水擊壓力與壓力波傳播速度成正比關系，如要計算水擊壓力，需先求得水擊波的傳播速度a，本章節仍以上章節圖1 為研究對象，根據質量守恒定律得出：

式中：A為管道橫截面積為管壁的彈性系數為流體的壓縮性系數，Kp為流體的體積彈性模量，E為管壁的彈性模量，δ為管壁厚。

2.4 輸油管道水擊分析

輸油管道系統的水擊現象為有壓管道的非穩態問題，其數值解法主要有特征線法、有限差分法、有限體積法。特征線法因其計算精度較高，邊界條件易于處理，適應范圍較廣，為目前輸油管線水擊計算處理的主要方法。

2.4.1 特征線水擊模型的建立

基于輸油管道中任一微元管段流體在發生水擊時，受力及質量變化情況，建立水擊基本微分方程組。

連續性方程：

運動方程：

式中：V為管道流體流速，a為水擊波傳播速度，H為管路揚程，f為管路摩阻系數，α為管路與水平面夾角，x為水擊波傳播的距離，t為水擊波傳播的速度，d為管徑，g為重力加速度。

2.4.2 特征線水擊模型的求解

將2.4.1 節偏微分方程組轉化為全微分方程，然后再轉化為一階有限差分方程，求其近似解。

特征線方程：

求解過程是沿著特征線C+和C-進行，見圖2，將上述微分方程沿特征線C+從A點到P點進行積分，C-從B點到P點進行積分，考慮到水擊的發生和衰退是在較短的時間完成的，得出式14、式15 有限差分方程。

圖2 x-t坐標系中的特征線

圖3 簡化差分方程的矩形網格

用i-1 代替上述公式中的A，i+1 代替公式中的B，Pi代替P，考慮到管段初始時刻的已知參數，公式簡化后，得出：

計算上述有限差分方程，將x-t坐標圖中的特征線用矩形網格表示出來，網格的對角線為特征線，見圖3，從初始時刻t0=0開始計算，由已知量Q0、H0計算出t0+Δt時的Q、H，依次重復計算，得出網格中各個節點的運行參數。

3 水擊防護措施

水擊的傳播速度非常快，引起的水擊事故難以預測，最有效的防護手段是依靠輸油管道的自動保護系統。

(1)水擊波攔截。在水擊發生位置處，上下游站采取部分停泵等方法，產生新的水擊波，并將這種技術應用到SCADA 系統中，自動對水擊事故進行辨別，對各泵站的設備下發指令，順序停泵、調節閥門或電機轉速等，消除或減弱水擊危害。

(2)自動泄壓保護。輸油過程中，經常發生進、出站管道壓力超高或超低現象，如泵站出、入口壓力過高，開啟泵出、入口處泄壓閥，直至壓力降至正常運行值，反之。

(3)增加水擊超前保護系統。提高輸油管道的檢測能力，提供可靠的控制和通訊手段，編制開發工況分析與水擊保護的控制軟件及專家診斷系統，提供各種工況下的運行參數，為水擊超前保護提供必要的支持。

(4)嚴格執行操作規程。防止或減少因設備誤操作及設備故障引起的水擊。

4 結論

(1)在密閉輸油管路中，泵啟停輸、閥門的開啟及關閉、泵機組發生故障、調節閥失常等都會引起水擊，導致管道局部超壓、液柱分離及泵汽蝕等危害，嚴重影響輸油管道的安全、可靠運行。

(2)對水擊壓力與波速計算公式進行推導，用特征線法對水擊問題進行求解，為后續輸油管道的水擊分析提供理論支撐。

(3)水擊波攔截、順序停泵、自動泄壓保護及水擊超前保護等措施，可以減少或防止水擊的發生，為輸油管道水擊防護提供技術指導。