降低海上平台消防泵出口水击力研究

毛伟志

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

降低海上平台消防泵出口水击力研究

毛伟志

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

荔湾某平台调试消防泵时出现了玻璃钢管线严重振动并突然发生破裂的情况。针对这一问题，进行了理论上的分析，提出了降低水击力大小的可能措施，然后建立了消防泵及出口管线PIPENET模型，计算出了消防泵出口消防管网水击力的大小。进一步对降低水击力大小的措施进行了研究，提出了最切实可行、适合海洋平台的消防泵出口管网水击防控措施。

消防泵；振动；水击力；海上平台；PIPENET模拟

0 引 言

消防泵是海上平台整个消防水系统的心脏。为提高平台的综合处理能力，目前海上平台的规模都较大，因此所需的消防水量也较高。由于大排量的电动消防泵受到启动电流大的限制，所以一般都会使用柴油消防泵引水来满足大的消防水量要求。近几年在多个项目柴油消防泵调试过程中，发生消防泵出口水击力较大导致玻璃钢管线破裂问题。以荔湾某平台为例，海上调试柴油消防泵B泵期间，在启动大约1 min，泵出口压力刚到1 000 kPa时，在压力调节阀法兰口与玻璃钢管线法兰口连接处突然发生破裂，致使海水直接喷出至泵橇周围区域，在调试A泵其出口压力达到1 000 kPa时，排海管线振动过大，调试立即停止。因此，研究如何降低泵出口管线振动就显得尤其重要。

针对近年来多个项目柴油消防泵调试过程中，发生消防泵出口振动较大导致玻璃钢管线破裂或变形的问题，对其进行了原因分析[1]，结果如下。(1)启停泵：由于泵后的管线到止回阀的管段均存在空气，这样在泵启动的瞬间，会引起管内压力的突然变化及系统压力和流量的波动；当突然停泵的时候，管路中的水流速将发生递变，从而引起压力递变，进而产生水击[2-3]。(2)阀门的操作：无论是开阀还是关阀、开大或关小都可能引起压力波动，并在管路内传播，从而形成不稳定流，进而产生水击[4]。(3)人为操作原因：阀门操作过快或者突然启停消防泵都容易产生较大的水击力，从而对管道产生严重的破坏。

根据上述原因分析，不管是启停泵、阀门的操作还是人为操作原因，根本原因都是管路中的水流速发生了递变，产生了较大的水击力，而玻璃钢管线的强度较弱，所以发生了严重的振动现象，甚至会发生管线破裂。因此本文将针对这种情况，以荔湾某平台为例，对消防泵的调试工况及水击力减小措施的效果进行模拟，从而得到较为适合海上实施的措施。

1 荔湾某平台测试工况简介

荔湾平台的消防泵设计如图1所示。本文仅针对消防泵的测试工况进行模拟计算。当消防泵进行测试的时候，慢慢调节测试管线上的蝶阀的开度进行憋压，当压力上升到1 000 kPa左右时，测试管线出现明显的振动情况。下面应用PIPENET1.6动态模型对消防泵测试工况进行模拟[5]。

图1 荔湾平台消防泵PID图Fig.1 Fire water pump PID of LW platform

2 PIPENET水击模型模拟计算

2.1 未采取措施的PIPENET水击力模拟研究

根据现场实际情况建立模型，如图2所示[6]。

经过计算可以得到，调节阀前后的弯头水击力F2为91 929 N,F3为78 001 N(如图3)，水击力较大，会产生非常强烈的振动。

2.2 采取鹅管的PIPENET水击力模拟研究

根据上述分析，在原有模型的基础上在F2弯头处增加鹅管，其他的参数设定不变，建立模型如图4所示。

目前工程实践中常用的鹅管管径尺寸为2英寸(1英寸=2.54 cm)，长度为2 m，模拟计算时，采用此数据作为鹅管的输入数据。按照相同的操作步骤对消防泵测试工况进行模拟，得到的计算结果F2为27 655 N，F3为22 392 N(见图5)。

图2 PIPENET模型Fig.2 PIPENET model

图3 对应图2的PIPENET计算输出结果Fig.3 Calculation result according to Fig.2

图4 增加鹅管工况的PIPENET计算模型Fig.4 PIPENET calculation model with the goose neck pipe added

图5 对应图4的PIPENET计算输出结果Fig.5 Calculation result according to Fig.4

为了进一步研究鹅管的作用效果，将分以下两种情况进行研究：

(1) 长度仍然选取2 m不变，改变鹅管的管径尺寸，分别选取1、3、4、6英寸，对鹅管的作用效果进行研究。

(2) 保持鹅管管径尺寸2英寸不变，改变鹅管的长度，分别选取1、4、6、8 m，对鹅管的作用效果进行研究。

两种情况下所得结果如表1和表2所示。

表1 鹅管管径尺寸变化的模拟结果Table 1 Calculation result for the size changing of the goose neck pipe

表2 鹅管长度变化的模拟结果Table 2 Calculation result for the length changing of the goose neck pipe

由上述数值可以看出，鹅管的管径尺寸和长度对水击力的大小有一定的影响，但是管径和长度的影响并未呈现线性或者有规律的关系，仍然需要根据项目的实际情况，建立模型核算出比较经济可靠的鹅管管径尺寸和长度。

2.3 采取呼吸阀措施的PIPENET水击力模拟研究

根据上述分析，在原有模型的基础上在F2弯头处增加呼吸阀[7-8]，其他的参数设定不变，建立模型，如图6所示。

图6 增加呼吸阀工况的PIPENET计算模型Fig.6 PIPENET calculation model with the breather valve added

目前工程实践中常用的呼吸阀尺寸为2英寸，模拟计算时，以此数据作为呼吸阀的输入数据。按照相同的操作步骤对消防泵测试工况进行模拟，得到的计算结果F2为1 352 N，F3为22 934 N(见图7)。

图7 对应图6的PIPENET计算输出结果Fig.7 Calculation result according to Fig.6

为了进一步研究呼吸阀的效果，改变呼吸阀的尺寸，分别选取1、3、4、6英寸，对呼吸阀的作用效果进行研究。所得结果如表3所示。

表3 呼吸阀尺寸变化的模拟结果Table 3 Calculation result for the size changing of the breather valve

由表3数值可以看出，理论上呼吸阀的尺寸对水击力的大小没有影响。

2.4 增加U型弯措施的PIPENET水击力模拟研究

根据上述分析，在原有模型的基础上在F2弯头前方管线及F3弯头前方管线增加U型弯结构，其他的参数设定不变，建立模型，如图8所示。

将U型弯结构的长度设定为1 m，按照相同的操作步骤对消防泵测试工况进行模拟计算，得到的计算结果F2为44 351 N，F3为75 897 N(见图9)。

图8 增加U型弯结构工况的PIPENET计算模型Fig.8 PIPENET calculation model with the U structure added

虽然U型弯结构具有一定的效果，但是单一的U型弯结构效果不明显，尤其是竖直方向的U型弯结构。为了进一步研究U型弯结构的效果，下面将增加U型弯结构的数量(2个、3个)，建立模型，如图10和图11所示。

图9 对应图8的PIPENET计算输出结果Fig.9 Calculation result according to Fig.8

图10 增加2个U型弯结构的计算模型Fig.10 Two U structures calculation model

图11 增加3个U型弯结构的计算模型Fig.11 Three U structures calculation model

增加U型弯数量工况下得到的模拟结果如表4所示。

表4 增加U型弯数量的模拟结果Table 4 Calculation result for adding the U structures

由表4数值可以看出，理论上U型弯结构的数量越多对减小管线中的水击力越有利。增加足够的U型弯结构，也能达到降低水击力的目的。

3 结 语

(1) 由上述研究可以看出，在海上工程设计中，理论上采取增加鹅管的方式对于消防泵测试工况的消防水管线中的水击力影响较大，可以很好地达到减小管线中水击力的目的。而且鹅管的尺寸和长度对水击力的大小有一定的影响，但是尺寸和长度的影响并未呈现线性或者有规律的关系，仍然需要根据平台设计的实际情况，建立模型核算出比较经济可靠的鹅管尺寸和长度。

(2) 在海上工程设计中，理论上采取增加呼吸阀的方式同样对于消防泵测试工况的消防水管线中的水击力影响较大，可以很好地达到减小管线中水击力的目的。但是呼吸阀的尺寸对水击力的大小影响不大。

(3) 虽然在理论上U型弯结构的数量越多对减小管线中的水击力越有利，增加足够的U型弯结构，也能达到降低水击力的目的，但是在实际的海上平台工程中，由于受到占地、管网规划、管道支撑等因素的影响，多U型弯结构的管线很难实现，尤其是垂直的排海管线，多U型弯结构的管线将无法支撑。

[1] 郑克敬. 泵站水锤现象及其防护措施[J]. 人民黄河,1983(3):36.

[2] 刘斌. 浅谈停泵水锤的危害及防护[J]. 山西建筑, 2009,35(24):182.

[3] 张杰. 停泵水锤压力计算及其防止措施[J]. 给水排水,1981(4):33.

[4] Wood D J. Waterhammer analysis—essential and easy (and efficient) [J].Journal of Environmental Engineering, 2005,131:1123.

[5] 李立婉, 高永强, 万宇飞. 水击分析方法及保护措施[J]. 当代化工, 2014,43(7):1367.

[6] Sunrise.PIPENET Training Manual, Revision 1.6.2008 [M]. Cambridge, UK: Sunrise,2008.

[7] 柯勰, 胡云进, 万五一. 空气阀防护水锤的研究进展[J]. 人民黄河, 2010,32(12):229.

[8] 罗思·肯尼迪, 肖宇. 放空阀在“水击”控制中的应用[J]. 新疆石油科技, 1993(3):95.

ReductionofWaterHammerontheOutletPipesofFireWaterPumpforOffshorePlatforms

MAO Wei-zhi

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

According to the severe vibration and damage of the fiber reinforced plastics pipes during the test of fire water pump on the LW platform, theoretical analysis is carried out, and the possible methods for the reduction of water hammer are discussed. Then a PIPENET model is built to obtain the value of the water hammer of the outlet pipes of the fire water pump. The best way for water hammer reduction of outlet pipes of the fire water pump on the offshore platform is proposed.

fire water pump；vibration；water hammer；offshore platform；PIPENET simulation

2015-09-11

毛伟志(1982—)，男，硕士，工程师，主要从事海上油气田安全方面的研究。

P742

A

2095-7297(2015)05-0337-05