基于AFT-Impulse的FPSO生活水系統水錘防護設計

張歡，周波，劉海冬

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

生活水管網系統的鋪排受限于船艙空間，使得管路彎曲多，輸水距離長，加之閥門啟閉頻繁或事故停泵工況，極易造成管道壓力劇烈交替變化，形成管道水錘。由水錘引起的壓力異常，會直接造成管線破裂、設備損壞等不良后果，嚴重影響管網系統的正常運轉[1]，考慮以某FPSO生活水管網系統為例，運用動態流體分析軟件AFT-Impulse，對其管網系統的承壓能力和抗水錘能力進行模擬計算，分析水錘現象的影響因子，明確水錘現象的主控因素，并基于該主控因素，對系統關鍵管路提出最優水錘防護措施。

1 模擬軟件及數學模型

1.1 AFT-Impulse軟件

利用AFT-Impulse軟件可對不可壓縮流體進行穩態及瞬態分析，計算管網系統中由水錘引起的瞬態壓力及水錘大小[2]。本文采用AFT-Impulse軟件對影響水錘壓力的相關因素(如管道直徑、流體波速、管道長度、管道粗糙度，以及關閥時間)，實現多工況多場景的穩態分析和瞬態分析，確定水錘的主控因素。

1.2 數學模型

水錘是一種典型的非恒定流，其基本微分方程由運動方程和連續性方程組成，用于水錘計算的方法主要有圖解法、解析法，以及特征線法。其中，特征線法是常用的水錘數值計算方法，結合初始條件和邊界條件求解非恒定流基本微分方程[3]。本文采用的AFT-Impulse軟件就是一款基于特征線法的流體動態分析軟件。

2 水錘影響因素模擬分析

2.1 水錘現象

在壓力管道系統中，管內流體在慣性、可壓縮性、管壁彈性，以及系統阻力作用下，其壓力和密度不斷交替變化，直至穩定，該過程中，管內流體流速的劇烈變化引起動量交換，致使流體沖量改變，對管壁、水泵，以及閥門等附件產生巨大的沖擊力，該現象即為水錘現象[4]。管道水錘現象的產生，使得管線壓力增大，管線及設備損壞的風險較大提升。為有效消減水錘風險，從管道壓力上升的根源出發，尋求規避水錘危害的方法[5]。基于經典水錘理論，假定管道的剛性足夠，不考慮管道的動力學效應對流場的影響[6]，從管道直徑、流體波速、管道長度、管道粗糙度，以及關閥時間幾個方面著手，考察上述因素對水錘現象的影響程度。

2.2 水錘影響因素數值模擬

關于水錘研究的技術問題中，預測管道的最大壓力和最小壓力至關重要，可以有效避免因管道壓力過大而導致的管道破裂，以及因內部真空條件下壓碎大直徑管道。所以，采用AFT-Impulse軟件創建水力學模型，見圖1。

圖1 水錘模型

模型中流體介質為淡水，溫度為38 ℃，管道為碳鋼管，流體波速的計算公式[7]如下。

(1)

式中：K為流體體積模量；ρ為流體密度；E為管材彈性模量；e為管壁厚度；C1為管線膨脹系數；D為管材內徑。

由式(1)可知，同一系統內，管徑尺寸與流體波速成對應，所以在考慮水錘影響因素時，只需在管徑尺寸和流體波速中選擇一種進行考察。故選擇管徑尺寸為考察因素。通過調整管道直徑、管道長度、管道粗糙度以及關閥時間的參數，實現多工況模擬，獲得各影響因素對管道最大壓力的影響程度。工況設置及對應的計算結果見表1。

表1 工況設置

將表1中，工況1～5為關閥時間對最大壓力的影響情況，工況4和工況6～9為管道粗糙度對最大壓力的影響情況；工況4和工況10～13為管道長度對最大壓力的影響情況；工況4和工況14～17為管材內徑對最大壓力的影響情況。對比結果見圖2。

圖2 各因素對管道最大壓力的影響程度

由圖2可知，上述4種因素中關閥時間對于管道最大壓力的影響最大，管道長度第二，管道直徑次之，管道粗糙度對最大壓力影響最小。

3 FPSO生活水管網系統

FPSO生活水系統中的生活水主要由淡水和蒸餾水組成，以某FPSO生活水系統中的淡水供應系統為例，進行基于水錘影響因素分析的防護設計。該淡水供應系統包含2臺淡水泵、各類閥件和元件及輸送管線等。其中，淡水泵的額定流量為15 m3/h，揚程為0.88 MPa；輸送管路的材質為碳鋼，其最大設計壓力為1.96 MPa。根據ASME壓力管道規范B31.3工藝管道，管道最大超壓值不能超過該管道設計壓力的33%，所以，本系統中輸送管線最大允許水錘壓力為2.606 8 MPa。

由AFT-Impulse軟件創建的FPSO生活水系統穩態分析模型，淡水由淡水艙引出，經淡水泵抽吸，進入輸送管道，經過各類閥件的控制，實現不同工況。

考慮到生活水系統中淡水泵為一運一備，故選擇開啟一臺淡水泵，且為避免其他關閉支路對水錘分析的影響，采用簡化模型，見圖3。

圖3 FPSO淡水供應系統簡化模型

4 水錘防護方案設計

4.1 關閥方案設計

在管網系統正常運轉過程中，閥門的快速關閉，導致靠近閥門處的流體受到阻礙且被壓縮，使得流體流速快速降低，壓力急劇升高，管道出現膨脹，后面的流體由于慣性繼續向前運動，出現與靠近閥門處流體同樣的現象，流速降低、壓力升高，水體壓縮和管道膨脹。上述過程依次向管道起點處傳播，當這種升壓過程傳播到管道起點處時，管道中水的流速變為零，管道中水體的動能全部轉為為使水壓縮和管道變形的彈性勢能，這種水錘稱為關閥水錘[3]。關閥時間的確定對有效規避關閥水錘至關重要，結合FPSO生活水淡水供應系統特點，設置關閥方案見表2。

4.2 瞬態結果分析

根據上述關閥方案，采用AFT-Impulse軟件進行多工況穩態分析和瞬態分析，管網系統沿程穩態壓力、最大壓力和最小壓力見圖4。

表2 關閥方案

圖4 沿程壓力

從圖4可見，FPSO生活水系統管到最大壓力出現在閥門入口處，即6號管道出口處。各工況下6號管道出口壓力變化見圖5。

由圖5可知，工況1中，管道最大壓力為3.677 MPa，大于輸送管線最大允許水錘壓力，不符合要求；工況2中，管道最大壓力2.547 MPa，小于輸送管線最大允許水錘壓力，符合要求；工況3中，管道最大壓力為2.493 MPa，小于輸送管線最大允許水錘壓力，符合要求；工況4中，管道最大壓力為1.923 MPa，小于輸送管線最大允許水錘壓力，符合要求；在工況5中，管道的最大壓力1.392 MPa，小于輸送管線最大允許水錘壓力，符合要求；工況6中，管道最大壓力2.354 MPa，小于輸送管線最大允許水錘壓力，符合要求。

圖5 6號管道出口壓力的變化

上述結果中，工況5中管道最大壓力最小，依據管道水錘防護原則，管道最大壓力越小越不容易產生水錘，故而本文選擇工況5為最優工況，即采用2階段關閥，控制閥件開度，減小管道壓力，從而有效規避水錘的產生，為FPSO生活水系統的正常、安全運轉提供了有力保障。

5 結論

1)運用動態流體分析軟件AFT-Impulse，基于水錘影響因素進行多工況對比分析，獲得各因素對管道最大壓力的影響程度排序：關閥時間>管道長度>管道直徑(流體波速)>管道粗糙度，明確水錘現象的主控因素為關閥時間。

2)基于關閥時間因素，結合FPSO生活水管網系統特點，提出生活水管網系統關閥設計方案，以直線關閥和兩階段關閥兩種形式。

3)結合動態流體分析軟件，對比分析各方案管道最大承壓能力，明確生活水管網系統最優的關閥方案為1.5 s快速關閉80%，5.5 s關閉20%，總關閥時間7 s，可以有效規避生活水系統運轉過程中因水錘事件造成的不良后果，為FPSO生活水系統的正常、安全運轉提供有力保障。