水击分析方法及保护措施

李立婉, 高永强, 万宇飞

（1. 中国石油大学（北京）, 油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249； 2. 中石化石油工程设计有限公司, 山东 东营 257026）

水击分析方法及保护措施

李立婉1, 高永强2, 万宇飞1

（1. 中国石油大学（北京）, 油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249； 2. 中石化石油工程设计有限公司, 山东 东营 257026）

可靠的水击安全保护措施对密闭输送管道的安全性具有重要意义。对水击分析方法以及国内外研究现状进行概述，同时总结了管道输送过程中的水击保护措施。

密闭输送；水击；分析；保护措施

密闭输油管道是一个整体的水力系统，稳态下流量一致，运行状态由全线各站泵的运行台数、扬程及管道调节情况确定。管道沿线某一点的流动参数变化会在管内产生瞬变压力脉动，从而引起水击。造成水击现象的原因有很多，如阀的开启和关闭、泵机组停运与投运、管道充液排气、混油界面通过离心泵等。密闭运行的输油管道一旦发生突发的、具有严重破坏性的水击事故，可能造成管道局部超压破裂和设备损坏，导致跑油、火灾并严重污染环境。因此，可靠的水击安全保护措施，对于密闭输油管道的安全输送具有重要意义。

1 水击分析方法

引起管道水流速度突然变化是水击发生的条件,液体具有惯性和压缩性是发生水击的内在原因[1]。

水击分析方法大致可归为三类：

1.1 图解法

图解法以两个波动积分方程作为理论依据，在H-V 图上，按一定的线性规律画出特征线，由此确定沿管道一定长度内各点的压力升高值[2]。该方法概念明确，简单易用，且具有一定计算精度，可直观地显示出水击压力的变化过程，具有一定的实用性。但管道系统的复杂性决定了图解法的复杂程度，管道越复杂，摩阻损失所占比重越大，计算过程也越复杂，同时计算精度也越低，限制了对工程水击问题的研究和解决。目前，已基本被数值方法所取代。

1.2 解析法

解析法是对描述管内不稳流的两个偏微分方程中的非线性摩擦项进行各种简化，从而获得它的解析解。此种方法在对于离心泵站、阀门等复杂边界条件的求解过程中，既复杂而又难以理解，而且难以保证计算精度。因此，这类方法未获得广泛应用。

1.3 数值方法

1.3.1 特征线法

特征线法是把不稳流的两个偏微分方程进行线性组合，转换成两组常微分方程，即特征方程，简化了管道瞬变流动的求解[3]。该方法容易满足数值计算解的收敛条件，便于建立各类边界条件方程，便于处理管道的摩阻损失，从而提高计算精度。

对于摩擦力项的近似处理，有许多方法，如显式近似、线性隐式近似和非线性隐式近似，以及基于 Picard 定理的迭代方法等。对于显式格式,当流体粘性大或管道很长时,累积误差可能使计算结果远远偏离实际情况,造成计算不稳定；非线性格式和基于 Picard 定理的算法虽然可以改变这一情况,但需要迭代,这将给程序编制和求解带来不利；而采用线性隐式近似,一方面它具有二阶精度,可以消除计算不稳定；另一方面它不需要迭代,可以方便求解。

20 世纪 60 年代，美国密执安大学 V.H.Stieeter[4]教授第一次使用特征线解法，开始了工程设计中把水击计算作为正常设计程序的起点。1991 年，Sibetheros[5]等人发现在无摩擦水平管的水击数值模拟中，通过使用多项式的插入方法，会大大提高特征线法的效果。2005 年，Don J.Wood[6]比较了特征线方法（MOC）和波浪特征线方法（WCM），结果显示，在同样的建模精度的前提下，WCM 方法减少了执行时间。同时，他表明，当需要更高的精确性的时候，WCM不会提高每个时间步长的计算量，而 MOC 方法的每个时间步长的计算量和精度是成比例的。2006 年，Saikia 和 Sarma[7]使用特征线方法和巴尔显式摩擦系数建立了分析水击问题的数值模型，该模型用来检测水库上游管道的下游阀门的快速关闭，该方法的准确性和稳定性是和松散扩散法的结果进行比较测试而得出的。2008 年，M.H.Afshar和 M.Rohani[8]提出了隐式特征线方法（IMOC），补救了传统特征线方法的缺点和局限性。元素定义了三个设备,即阀门、水库和泵，定义每个设备的方程最终组成了一个方程系统，用来解决为止节点的源头和流动。这种方法允许在管道系统中任意设备的组合，他将这种方法应用于阀门关闭及泵系统失效案例中，并将结果与显式特征线方法进行对比，结果表明该方法对水头和流量参数的预测具有较高的精确性。

1.3.2 有限差分方法

水击特征方程的摩阻项是非线性的，无法采用积分方法获得解析解，由此产生了有限差分方法。有限差分法分为显式和隐式 2 种格式。随着差分方法的发展，产生了众多不同精度的差分格式，但在收敛性、稳定性等方面仍需提高。

Chaudhry 和 Hussaini[9]运用显式有限差分（FD）方法分析水击方程，发现应用二阶显式有限差分方法可以比一阶特征线方法（MOC）得到更好的分析成果。Izquierdo 和 Iglesias[10[11]提出了一个水击模拟的二层-五层涡流粘性模型。通过一个无量纲参数 P,即剪切波径向扩散时间尺度和波传播时间尺度的比例，来预测在水击现象中流体轴对称定常假设的准确性。他证明了水击流动的湍流模型对管道中心的涡流粘性的大小和分布不敏感，通过模拟结果与数据进行比较，证明了定常假定的准确性随着无量纲参数P的增加而增加，同时，证明了定常假定在模拟时间低于扩散时间时高度准确，同时使得模拟结果与数据的差异随时间推移而线性增加。

2 水击控制及保护

以水击理论为基础，长输管道的水击控制方法体系已基本形成。以进、出站压力为基本控制参数，从控制水击波传播速度和液流变化量[12]着手，以保证管道在安全输油的前提下经济效益最大,控制稳定进行,过渡过程平稳迅速结束为基本要求，形成了三种水击保护措施：

2.1 自动保护装置

2.1.1 泄压阀

在输油泵站中,自动保护装置主要是指由高、低泄压阀组成的高、低压泄压系统[13]。在管道的一定地点安装泄放阀，当出现水击高压波时，通过阀门开启，液体泄放，从而削弱高压波，防止水击造成危害。

2.1.2 气体缓冲罐

气体缓冲罐可用于防止管道超压和减压过程中产生液柱分离。设计合理的缓冲罐不仅适用于减轻管内的瞬变压力，还可适用于管道周期性的压力波动。

2.1.3 空气阀

空气阀用于防止瞬变过程减压波使管内产生负压。它通常安装在管道正常运行时动水压力较低，瞬变流动过程中有可能产生液柱分离的高点位置。

2.2 自动调节系统

泵站的自动调节系统是控制系统根据进出压力设定值及控制算法,利用调节阀的开关、调速电机的变速和部分泵机组的停启来调节泵站的进出站压力。

2.2.1 调节阀

调节阀在长输管道上与调节器构成一个调节系统,进行压力自动调节、水击波控制和启泵保护。调节阀是一种阻力可变的截流元件，通过改变阀门的开度，改变管道系统的工作特性[14]，实现调节流量、改变压力的目的。

2.2.2 泵机组顺序自动停运

泵机组顺序自动停运是建立在泵站逻辑控制基础上的一种保护措施[15]。该措施主要用于泵站吸入压力超低，或出站压力超高的保护，主要用于采用串联泵机组的泵站口。

2.2.3 频泵调节

改变泵机组转速来适应管道内压力变化，当进站压力升高时，增加转速，降低进站压力，提高出站压力．防止压力波的堆积累加。

2.3 超前保护

瞬变过程的超前保护是建立在高度自动化基础上的一项保护技术。扰动源通过通讯系统发出指令，使压力波相反叠加，从而不至于对管道产生威胁性压力。国外从 20 世纪 70 年代迅速发展起来的管道监控和数据采集系统(SCADA)，为超前保护的应用提供了机会和可靠保证。

2.4 其他保护措施

除上述三种主要的保护措施之外，还包括管道增强保护、回流保护、增加飞轮转矩保护、设置旁通调节阀、增加埋深、控制混油界面等保护措施。

3 结 论

国内外对瞬变流动过程理论研究起源较早，并已较为成熟，尤其是随着计算机的迅速发展，形成了多种以传统水击理论为基础而进行优化的水击求解方法和计算模型，进一步提高了计算精度，减少了计算量，为长输管道工程的水击模拟计算奠定了良好的基础。

以水击理论为基础，长输管道的水击控制方法体系已基本形成。

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［15］袁运栋.输油管线水击超前保护与 ESD 系统的应用研究[D].陕西：西安石油大学,2010.

华盛顿特区禁用PS泡沫塑料盒

华盛顿市长 Vincent Gray 在 7 月 29 日签署法案，禁用泡沫塑料食品和饮料包装盒。

禁令将在 2016 年 1 月 1 日开始生效，比 Gray 最初起草的立法早两年。包括餐馆、外卖店、快餐车在内的食品和饮料销售点都只能提供可降解或其他可循环利用的包装盒，否则将被处罚。屠宰者和副食商店所使用的包装生肉的泡沫塑料盘除外。

此前，美国西海岸不少城市已经禁用 PS，包括西雅图、波特兰、旧金山。华盛顿此举只是环境清扫提案中的一部分。本月初，华盛顿特区议会在几乎没有争议的情况下通过了华盛顿特区 2014 可持续综合法案.

美国化学理事会称，这样的禁令对当地商业而言代价巨大，而且已经证实对改善环境效果甚微。

“但是我们出于善意指出，在餐饮行业禁用 PS 泡沫塑料并不会改善华盛顿特区的可持续发展程度，”在议会投票通过禁令后，美国化学理事会发布声明指出这一点，“事实上，在这个城市缺乏堆肥机会的情况下推广可堆肥产品，在很多社区都使用 PS泡沫塑料的情况下不去检测回收利用的机会，议会这样的做法可能会对环境更加不利。”

四年前，华盛顿特区开始就一次性塑料袋对当地零售商征收 5 美分的税款，每年可集资 200 万美元用于水域清理。禁令提倡者称，塑料袋征税以及现在的泡沫塑料禁令对清理附近水域大有帮助，尤其是阿纳卡斯蒂亚河。

Analysis Methods and Protection Measures of Water Hammer

LI Li-wan1, GAO Yong-qiang2, WAN Yu-fei1
（1. National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, China University of Petroleum, Beijing 102249，China；2. Sinopec Petroleum Engineering Design Co., Ltd., Shandong Dongying 257026，China）

Reliable water hammer protection measures are of great significance to close-line transportation safety. In this paper, the water hammer analysis method and its research status at home and abroad were summarized; meanwhile the water hammer protection measures were listed.

Close-line transportation; Water hammer; Analysis; Protection measure

TQ 832

： A文献标识码： 1671-0460（2014）07-1367-03

2014-05-16

李立婉（1992-），女，研究方向：长输管道水击计算。E-mail：wan2832277@126.com。