输油管道水击分析与防护

叶富艳(中国石油工程建设有限公司青海分公司,青海 海西 817000)

1 引言

长距离输油管道采取密闭输送工艺，输送过程中各节点的流速和压力均随着时间的变化而变化，运行操作时，阀门突然开启、关闭及泵机组发生故障等，使流体的运行状态发生瞬时变化，易引起水击，导致管道局部超压、液柱分离及泵汽蚀等危害。研究输油管道瞬时水击压力变化的产生原因，分析水击压力对管路运行工艺设施的影响，采取措施防止或减小水击危害，对输油管道的安全运行有重要意义。

2 水击计算方法研究

2.1 水击产生的原因

密闭输油管道及设备处于一个水力系统中，全线各站泵的启用台数、扬程、管道的调节形式等决定着输油管线的运行状态，一旦运行工况发生突变，管路内流体由于流速变化引起压力急剧变化，急速变化的压力波会在管道系统内往复传递、循环震荡，严重破坏管道系统。目前输油管道系统中可能影响水力工况的主要因素如下：

(1)泵启停输操作时，产生压力波。

(2)站间截断阀的开启与关闭。

(3)突然停电或泵机组发生故障、调节阀失常。

2.2 水击对输油管路工艺的影响与危害

输油管道某处或中间某个站场发生水击，都会波及全线，引起管道沿线压力、流量、流速的急剧变化，造成如下危害：

(1)导致管道局部超压，破坏管道强度。

(2)发生液柱分离，使管道失稳，产生变形。

(3)使中间泵站的泵发生气蚀，影响下游泵机组工作。

2.3 水击压力与波速计算方法

为减少输油管道水击危害，对管道运行过程中可能出现的水击压力进行计算，以便采取相应的保护措施。

2.3.1 水击压力计算

本文以某一输油管道为研究对象，分析其发生水击后，产生的水击压力，示意图见图1。

图1 水击压力计算示意图

图1 中，p0为流体原有压力，ν0为速度，d为管径，由动量定律得出如下公式：

式中：ρ为密度，为水击波的传播速度。

若用液柱高度表示水击压强，如下：

水击最大压力计算，如下：

2.3.2 水击波速计算

水击压力与压力波传播速度成正比关系，如要计算水击压力，需先求得水击波的传播速度a，本章节仍以上章节图1 为研究对象，根据质量守恒定律得出：

式中：A为管道横截面积为管壁的弹性系数为流体的压缩性系数，Kp为流体的体积弹性模量，E为管壁的弹性模量，δ为管壁厚。

2.4 输油管道水击分析

输油管道系统的水击现象为有压管道的非稳态问题，其数值解法主要有特征线法、有限差分法、有限体积法。特征线法因其计算精度较高，边界条件易于处理，适应范围较广，为目前输油管线水击计算处理的主要方法。

2.4.1 特征线水击模型的建立

基于输油管道中任一微元管段流体在发生水击时，受力及质量变化情况，建立水击基本微分方程组。

连续性方程：

运动方程：

式中：V为管道流体流速，a为水击波传播速度，H为管路扬程，f为管路摩阻系数，α为管路与水平面夹角，x为水击波传播的距离，t为水击波传播的速度，d为管径，g为重力加速度。

2.4.2 特征线水击模型的求解

将2.4.1 节偏微分方程组转化为全微分方程，然后再转化为一阶有限差分方程，求其近似解。

特征线方程：

求解过程是沿着特征线C+和C-进行，见图2，将上述微分方程沿特征线C+从A点到P点进行积分，C-从B点到P点进行积分，考虑到水击的发生和衰退是在较短的时间完成的，得出式14、式15 有限差分方程。

图2 x-t坐标系中的特征线

图3 简化差分方程的矩形网格

用i-1 代替上述公式中的A，i+1 代替公式中的B，Pi代替P，考虑到管段初始时刻的已知参数，公式简化后，得出：

计算上述有限差分方程，将x-t坐标图中的特征线用矩形网格表示出来，网格的对角线为特征线，见图3，从初始时刻t0=0开始计算，由已知量Q0、H0计算出t0+Δt时的Q、H，依次重复计算，得出网格中各个节点的运行参数。

3 水击防护措施

水击的传播速度非常快，引起的水击事故难以预测，最有效的防护手段是依靠输油管道的自动保护系统。

(1)水击波拦截。在水击发生位置处，上下游站采取部分停泵等方法，产生新的水击波，并将这种技术应用到SCADA 系统中，自动对水击事故进行辨别，对各泵站的设备下发指令，顺序停泵、调节阀门或电机转速等，消除或减弱水击危害。

(2)自动泄压保护。输油过程中，经常发生进、出站管道压力超高或超低现象，如泵站出、入口压力过高，开启泵出、入口处泄压阀，直至压力降至正常运行值，反之。

(3)增加水击超前保护系统。提高输油管道的检测能力，提供可靠的控制和通讯手段，编制开发工况分析与水击保护的控制软件及专家诊断系统，提供各种工况下的运行参数，为水击超前保护提供必要的支持。

(4)严格执行操作规程。防止或减少因设备误操作及设备故障引起的水击。

4 结论

(1)在密闭输油管路中，泵启停输、阀门的开启及关闭、泵机组发生故障、调节阀失常等都会引起水击，导致管道局部超压、液柱分离及泵汽蚀等危害，严重影响输油管道的安全、可靠运行。

(2)对水击压力与波速计算公式进行推导，用特征线法对水击问题进行求解，为后续输油管道的水击分析提供理论支撑。

(3)水击波拦截、顺序停泵、自动泄压保护及水击超前保护等措施，可以减少或防止水击的发生，为输油管道水击防护提供技术指导。