原油码头管道输送水击问题的研究与分析

赵振智，王为民，李卫卫，郑翔文，王有龙

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

管道在输送油品过程中，常常因为各种原因引起管内流速发生突然的变化，如调节输量、管道泄漏以及停泵、启泵等都会引起流速变化，从而使管内压力急剧的变大或变小。这种现象叫做水击（水锤）。水锤产生的高压是正常工作情况下的几十倍，甚至百倍。另外还会产生超高的负压。几十倍的高压可导致管道系统产生强烈的振动、噪声；阀门破坏，管件接头破损、断裂等后果，严重时会引起管道爆裂。因此为确保管道安全、经济地运行，需要对管道输送时的水利工况进行分析[1,2]。

大连长兴岛30万t原油码头卸船、原油库区装船时，由于管线最高点高于油罐的最高液位（管线高点标高为52 m，油罐底标高最高30 m，储存最高液位为19.2 m，最高液位仅达到49.2 m，也没有超过高点管线标高），因此高点处的油会流到泄压罐中，并且考虑到管线如果充满高凝点油，需要送入伴热，因此管线的“死段”将造成管线憋压。如果管线出现空管线或憋压的情况，都会出现水利工况异常的现象，发生水击，这将严重影响高凝点油的安全操作管理。发油结束后，关闭两端的阀门，管内会滞留一部分原油，随着日光、气温的不断变化，原油会随着不断的收缩或膨胀产生压力。压力的变化会使管道内再一次的产生空洞，当下一次输送油品时便会产生水击。因此有必要对大型原油储库管线系统水利工况进行系统的分析研究，找到避免管线系统发生水击现象的方法和措施，确保管线正常平稳的运行。

1 水击产生的原因

水击产生的原因很多，例如；阀门的动作、空管道或含气管道填、泵的动力故障、管道的事故堵塞或泄漏、负压波时产生的空泡溃灭等[3]。卸船作业是由船方启泵，通过码头输油臂、工艺阀门、输油管线进入到原油罐区，在这种作业模式下，可能出现高点管线局部空线，这样很容易产生水击[4]，因此原油库产生水击的原因主要有以下几点：

(1)在开始到卸船作业前，船方及码头、库区岗位需导通卸油流程，即从船舱装卸口处至库区流程全部畅通。此时，即使整条管线开始处于全满状态，在导通流程的过程中，管线高点处的油会流向库区收油罐，造成高点处的管线空线。

(2)一条卸油船有时配载不同的油种，每票油种卸完后在换其他油种时，需要先停船泵，然后再切换船方和库区收油罐的流程，在这个过程当中也会造成高点出的管线空线的情况。

(3)每票油种收尾作业时，由于此时船泵排量很小，有时仅有几倍立方米/小时，也有可能造成码头至收油罐之间的管线空线。

(4)卸船作业全部结束时，由于是先停船，然后再关闭相应阀门，存在时间差，也会造成高点处流向收油罐加船方管线中（类似于第一种情况）。

(5)其他特殊情况。当油船突然发生停泵等意外情况时，都会造成高点出油流向收油罐中，从而引起水击。对于装船也同样会造成管线空线，原因类似于卸船的第1、3、4情况。

2 水击的危害

管道内产生不稳定流造成的水击现象通常会引起以下四种严重后果：

(1)管道充装。由于稳定流动时摩阻损失引起的压力坡降的存在，在管道水力瞬变过程中，增压波前锋经过后，管道容积和管内压力继续增加的过程为管道充装。管道充装形成的超高压对管道有很大的损害作用。

(2)液柱分离。水击产生的超低压波可使溶解在液体中的气体释放出来，当超低压降低到液相的饱和蒸汽压时，管内会逸出大量气体，进而形成很长的气穴。超低压能使管道变瘪，压迫管道。

(3)振动。水击最严重时引起的是振动，当流体产生的压力波与管道设备的固有频率接近相等时或压力波周期性的撞击管道时，所引起的振动非常剧烈，对管道的损伤极为严重。

(4)噪声等。

3 水击波的水击压力和速度计算

（1）水击波的传播速度。水击所产生的压力波的传播速度取决于液体的压缩性和管壁的弹性，关系式为[5]

式中：c — 压力被传播速度,m/s;

ρ —液体的密度,g/m3;

K —液体的体积模量,Pa;

E —管材弹性模量,Pa;

d —管道内径,m;

d —管壁厚度,m;

D —管道内径,m。

(2)水击波的冲击压力。当液体流速变化时（管线截断处阀门突然关闭），管道的压力发生急剧的变化，这种压力会发生在管道的低洼处和正常运行时的高压段。

根据茹科夫斯基H E公式，可计算出流速变化所引起的压力变化值[6]：

式中 :r—油品密度, g/m3;

c—水击波的传播速度, m/s。

例如流体的流速为4 m/s，突然关闭阀门时产生的水击为：

若管道内油品为汽油时，短时间的压力可达到3 MPa。此压力就可以使管道爆裂。

(3)水击膨胀压的计算：发油结束后，两端阀门关闭，油品被滞留在管内，由于日照和气温的变化，油品将随着膨胀或收缩。由于温度所引起的压力变化，管内的压力可由下式计算[7]:

式中：αT——液体温度膨胀系数，石油类 aL=(1 000～750 )´ 10-6℃；

αp——管材三维温度膨胀系数，钢管 ap=36 ´10-6℃；

K——液体等温压缩系数，煤油 k = 7 1 ´ 1 0-6M P a-1；

Dq ——温差；

D——管径，cm；

d——壁厚，cm；

E——管材弹性模量，MPa。

由公式可以计算出，膨胀时，当外界温度升高1 ℃柴油的膨胀压力为0.736～0.792 MPa油的膨胀压力为0.603～0.649 MPa缩时，油品收缩形成的空洞的体积由下式计算[7]:

收缩时，温度变化1 ℃时，油品的体积收缩约为 ，也就是说1 000 m长的管路，将有1 m长的空洞发生。空洞便被石油蒸汽和溶解气所充满，并形成液柱分离。这时若再输原油便会形成水击。

4 水击的防护措施

由于水击产生的主要原因是受泵的扬程、管道的长度、流速、阀门等相关因素的影响，所以在实际运行时应从设计、施工、管理三方面来预防水击。

4.1 设计阶段

(1)安装飞轮。泵安装飞轮的目的是增大泵的惯性，泵的回转惯性和能量相应就会增大，进而泵的回转速率、压力和流量均减小。

(2)改变管路的形状。将管道设计成均匀上升且略向下凹的平缓线路，就可避免出现负压，确保水击的安全。

(3)设置胀油管。于外界温度变化管内的油品会发生膨胀，油品便通过胀油管进入罐内，从而避免管内压力的上升；反之，油品从罐内注入管内就不会形成空洞。

(4)水击波拦截。管道的中间站停泵，输油管道的上游将会产生增压，下游产生低压。对此对上下游采取停泵的措施，这样形成的新水击波可以与中间站的水击波相互叠加，达到相互取消进而拦截了水击波。

(5)自动泄压保护。油管道难免会产生超低压波或超高压波，这种现象对管道的破坏性及其严重。因此输油管道的泵站均应安装自动泄压罐，当泵入口压力超过设定值时，泵入口泄压阀自动开启使一部分原油流入泄压阀，从而使压力降低至正常值；当泵入口压力小于设定值时，泵出口泄压阀自动开启将部分原油流入泵入口，从而将压力升高至正常值。当进出站压力恢复到正常压力时，泄压阀自动关闭，管道正行运行。

(6)自动调节保护。输油管道遇到超低压水击时管道的运行参数会接近设计值，调节阀会根据管道的压力进行自动的调节，从而保证了管道的平稳、安全运行。

(7)顺序停泵。管道或者泵站的运行参数已经严重超过设计值时，管道必须采取停泵的措施。针对输油管道不同的运行工况要求，建立起正确的停泵顺序可以保证管道在不平稳的顺便过程中安全的运行。

4.2 施工阶段

施工的好坏对于设计的结果和工程的运行有着很大的影响。施工过程中应该严格依照设计图纸、施工方法和工艺的相关规定的要求进行施工。在施工过程中，一定要杜绝为了节省施工成本而减少管壁厚度、更换不合格的阀门等相关的违规行为。另外，为了确保施工过程的安全性，监督和建设单位要严格的依照相关规定处理问题，切实履行责任，把技术质量放到第一位。

4.3 管理阶段

在实际的运行管理中，水击的发生主要是由于员工的操作不当、管道系统不稳定运行所引起的，因此在管道运行中很有必要对管道进行加强管理，避免水击的发生。

(1)工作前，要对员工进行相应的技术培训、教育指导，使员工能够严格的按照规定进行运行操作。

(2)定期的为运行管道进行相应的维护、清理和检修以及除去管道内的杂质，从而减小杂质对管道运行带来的影响。

(3)启泵时应该将管内的空气除去，打开泵出口处的所有阀门，然后在启动泵。 若在空管线启动泵，程序操作如下：首先泵的出口阀门应打开 15%～30%，然后启动泵，待管道充满油时在将阀门打开到相应的开度。

例如对于水击波的拦截保护，在管道实际运行管理中，将水击拦截保护方案的相关规定措施输入到SCADA系统中。对于调节阀的自动保护，调节阀的入口压力设计值、泄压阀的出口压力设计值和顺序停泵的进出口压力设计值都必须由专门控制运行参数的管理操作人员来提供完成。为了确保通信技术可靠、自动控制设备的准确性，在输油管道的运行管理过程中要准确的掌握水击工况的相应参数。

5 结 论

离输油管道的水击现象的发生在所难免，危害性及其严重。因此针对大连长兴岛原油码头卸船、原油库装船时产生的水击必须严格控制，通过实际情况分析了大连长兴岛码头油船产生水击的原因、水击的危害以及水击的波速和在不同工况条件下水击冲击压力的计算公式。最后提出了从设计、施工、管理三个阶段来进行避免水击的发生。对于员工一定要严格的遵守操作的相关规定，将水击的发生和危害性降低到最小。

［1］ 唐均,张洪明,王文全.长距离有压输水管道系统水锤分析[J].水电能源科学,2010(2):82-85.

［2］张国权,刘凯.成品油管道的水击及其防护措施[J].油气储运,2006,25(12):61-63.

［3］杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].东营:中国石油大学出版社,2011.

［4］郭光臣,董文兰,张志廉.油库设计与管理[M].东营:中国石油大学出版社,2006.

［5］张国忠,元强,长距离输油管道密闭输送与压力调节保护[J].油气田地面工程,2002(3):34-36.

［6］吴峰平,张显明,潘诗浪,等.管道水击压力的数值模拟[J].重庆工商大学学报（自然科学版）,2011(1):26-29.

［7］宣飞钗.油品输送管道的水击计算与处理措施[J].金山油化纤,1997(4):58-63.