起伏地形管道水流沖擊氣囊試驗研究

李金乘 陳旺

摘要 為了研究起伏地形水流沖擊氣囊形成壓力脈沖的機理，設計并建造了水流沖擊氣囊試驗模擬系統，并且通過控制不同試驗在不同條件下進行的沖擊試驗，研究了壓力脈沖變化的規律與背壓、氣囊位置和氣囊大小、傾角、開關閥等影響因素的關系對試驗管道末端最大瞬時壓力的影響。本文研究揭示了試驗管道末端產生瞬時高壓的機理：傾角水平的時候壓力較大，而傾角越往上壓力越小;氣囊越大壓力越大;背壓和開關閥都對壓力有較為顯著的影響。

關鍵詞： 起伏管道、水流沖擊、氣囊、水力脈沖

一、概述

管道輸送作為五大運輸方式之一，在國民經濟發展中發揮著越來越重要的作用。我國油氣長輸管道網絡已初步建成，截止至2018年年末，我國累計建設油氣長輸管道里程數為13.6萬公里，其中，“十一五”期間新增3.45萬公里，“十二五”期間新增3.02萬公里。其中部分依地勢而建的管道便形成了起伏，甚至大落差。

起伏管道需要加壓設備提供更多的能量克服重力勢能，同時在高點處巨大的重力勢能將繼續轉換成動能和壓力勢能，這對管道的控制和保護提出了更高的要求。此外起伏管道運行期間可能有空氣或蒸發油氣滯留聚集在管道的局部高點或低壓區，進而隨液體流動進入到高壓區中，其中的高壓力擠壓氣泡破碎，形成類似于泵入口氣蝕的壓力脈沖，導致水力沖擊壓力的急劇升高，從而對管路造成巨大的破壞。

探求起伏管道兩相流動沖擊可以通過理論研究或試驗研究的方法，由于理論研究中引入很多假設條件，而這些假設條件與實際情況之間存在一些出入，因此僅僅依靠通過理論分析建立數學模型并進行數值計算的研究方法還不夠，必須將理論研究與試驗研究結合起來，通過觀察試驗現象分析試驗結果，總結規律弄清機理，從而校正理論研究的數學模型，因此試驗研究是探究起伏管道試壓排水爆管機理的重要手段，是不可或缺的一個環節。

二、試驗裝置及試驗方案簡介

本次起伏地形管道水流沖擊氣囊試驗研究在不同條件下起伏管道水力沖擊時管路在沖擊過程各個主要參量的變化情況，主要探討背壓、傾角、體積和氣囊位置對于起伏管道末端最大瞬時壓力的影響。試驗裝置由四大部分組成：試驗管道系統、注氣及儲氣、排氣系統、供水及排水系統、測量及數據采集系統組成。

試驗管道系統采用大落差、陡傾斜設計，主管道是上游水柱沖擊過程中流經的管道，是一個下傾管道、彎管以及水平管道的組合，其中大部分使用有機玻璃管，以方便對上游水柱進行測速;主管路下端、彎頭以及后端的管路部分使用不銹鋼管，保證承壓能力;中間連接一個高強度橡膠彎頭，方便對角度進行調節。

注氣及儲氣系統包括空壓機、緩沖罐、壓力表、快接蝶閥，提供排水時清管器運移的動力.注氣系統使用緩沖罐來控制注氣壓力，包括兩個緩沖罐組，一級緩沖罐直接與注氣管路相連，二級緩沖罐和空壓機相連，每次操作使用二級緩沖罐給一級緩沖罐補充氣體，這樣避免了頻繁啟停壓縮機對壓縮機造成的傷害，也使得控制精度更高、操作更為簡單。儲氣系統采用鋼管和快接蝶閥的組合，快接蝶閥間的鋼管用于儲氣，快接蝶閥用于密封以及快速開閉。排氣系統在管路的上端以及水平的4段不銹鋼管路上安裝排氣閥，分別用于在試驗準備階段向管路注水的過程、試驗沖擊過程時對現場開排氣泄壓閥的、以及試驗做完之后對管路泄壓這三個階段的排氣;排氣管路和一個小型水箱相連，對高壓氣液混合物進行緩沖。

供水系統試驗采用逆向注水的方式，直接在管路末端連接自來水管向上注水，管內氣體在上端排氣閥排出，這樣管道連接方便，操作主要集中在危險較小的地面，排氣效果也較好，操作簡單、穩定。排水過程包括沖擊過程在管路末端的排水以及對空氣段管線的放空。由于需要探究管段中含氣量以及氣段位置對管道末端最大瞬時壓力的影響，在注水的過程，應盡量能夠準確控制管道內的氣體體積，要先將整個管路注滿水，關閉兩端蝶閥，并通過位于該管路下部的排水閥放空管內積水，達到控制氣體體積的目的。管路的末端和高壓氣罐連接，在管道有殘余水無法排空時使用高壓氣體進行排水。

測量與數據采集系統包括壓力表、壓力傳感器、高速攝像機、數據線、數據采集卡及計算機，以實現控制、顯示并記錄注氣排水過程中的氣液流動狀態參數值。

和其他研究氣囊沖擊和斷路彌合水錘的試驗相比，本試驗設計具有三個特點，一是可以調節氣囊的位置，因而可以研究氣囊位置對彌合水錘的影響;而是通過有壓氣體推動水柱沖擊，而其他研究者為了維持沖擊過程壓力不變，需要維持很高以及很穩定的液位，造成了浪費，也無法很好的研究背壓對于沖擊壓力的影響;三是實現了對末端管路傾角，這是研究這方面的前人沒有研究的因素，這個因素和其他因素比如壓力、氣囊大小等因素結合時，對末端管路會產生很顯著的影響，研究管路傾角，有助于我們對氣囊沖擊以及斷路彌合水錘的機理有一個更好的認識。

三、結論

影響起伏管道水力沖擊試驗管路末端的瞬時最大壓力的因素有很多，考慮到各因素的影響程度及實驗室模擬條件的限制，本試驗考慮的因素有背壓、氣囊大小和氣囊位置、傾角、開閥關閥。其中傾角的變化范圍為-5。、0。、10。、20。、30。;背壓的變化范圍為0.75MP、0.51MP、0.31MP;發閥門狀態有開閥、關閥;氣囊的長度變化范圍為42cm、84cm、126cm、168cm，氣囊的位置分為左、右兩個狀態，5個變量進行組合，共有5×3×2×4×2=240組試驗。

通過觀察試驗現象及分析試驗數據，得出了如下結論，并提出了相應的改進建議：

（1）氣體的存在使得管道末端產生瞬時高壓，遠遠高于氣體不存在的情形，沖擊前端和沖擊末端都產生了明顯的壓力尖波。壓力脈沖的機理是上游水柱的壓能轉化為動能的過程，水柱的壓力下降。加速到一定的速度之后，水柱開始沖擊氣囊，這個彌合過程導致壓力激增，遠遠大于背壓。通過高速攝像機我們可以看到沖擊過程并沒有一個很明確的界面。一打開閥之后，就會出現一個小型的由分散水滴楔子沖入氣囊中，此時液滴較分散。之后就會出現一個較為密集的氣泡沖擊，可以用肉眼觀察得到。氣泡沖擊持續了一段時間之后，液量增加，氣泡較少分別在液體里，出現了氣液的分界面。形成了如同波浪流的多相流態，此時沖擊過程已經接近尾聲。

（2）開關閥這個因素對管路的壓力變化具有最直接的因素，在我們試驗的各個工況，壓力都發生了顯著地下降。因而在實際的工作過程中，如果存在大量的氣體析出或者是可能有大量的氣體滯留，可以考慮安裝排氣閥進行排氣，可以有效降低可能發生的水力沖擊的壓力。

（3）氣體沖擊壓力的大小和具體的沖擊機理有密切的關系，這體現在氣囊位置和氣囊大小的不同上，在此基礎上，傾角和背壓對水柱沖擊的影響各有不同。試驗中觀察得到，當存在兩段液柱彌合水錘的水柱沖擊時，作用機理和影響因素都與水柱沖擊盲端氣囊不相同，特別是當末端管路的角度較大的時候，差別更加明顯。因而在實際過程中，需要首先對沖擊的類型進行一個大致的了解，再通過合理地選擇設置管路傾角、調節背壓等的方式來減小沖擊壓力。