液态丙烯装船系统水击分析及保护

程 为，李 明，丛延刚

1.中国石油工程项目管理公司天津设计院，天津 300457

2.中国寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012

3.中石油吉林油田公司天然气部，吉林松原 138000

在压力管道中，阀门关闭、泵机组停车等操作会导致流体的流速突然发生变化，会引起管内压强急剧升高和降低的交替变化，这种现象称为水击或水锤。水击引起的压强较大，可达管道正常工作压强的数倍，这种大幅度的压强波动，往往引起管道强烈振动、阀门破坏、管道接头断开、甚至管道爆裂等重大事故[1]。石油化工厂内的液体管道多为水力短管，与长距离输送管道发生的水击不同，其液体流向变化较大，流过的弯头等管件较多，水击破坏的时间短，对管架的作用力较大。

PIPENET软件可用于管道三维走向建模，并且能输出水击作用力，适用于水力短管的水击分析。本文利用PIPENET软件，针对某液态丙烯装船管道系统进行水击模拟分析研究，为水力系统设计和安全分析提供数据支撑，也为配管安装进行水击工况下的应力分析提供水击作用力等基础数据。

1 液态丙烯装船系统工艺

液态丙烯装船是将陆上储罐内的丙烯用装船泵打入停靠在码头的液化品船内，其水力系统主要包括丙烯储罐、装船泵、贸易计量设施、紧急关断阀、装船臂和管道等。马来西亚PETRONAS公司P30丙烯罐区丙烯装船水力系统如图1所示。

图1 丙烯装船水力系统示意

丙烯储罐和装船泵设置在陆上烯烃罐区，装船臂设置在码头，丙烯装船管道在出烯烃罐区之前设置有紧急切断阀（UZV-2037），装船管道在装船壁上设置有事故关断阀（PERC-Valve1），紧急关断阀和事故关断阀能实现在泄漏、火灾等事故条件下的自动紧急关断。

2 工况分析

对于出现水击的工况，不仅要考虑单个事故，也要考虑组合工况，水力系统中出现水击现象的工况有[2]：突然关阀、突然停泵、突然关阀和突然停泵的组合工况。

基于以上分析，结合丙烯装船水力系统实际情况，根据整个系统运行工况范围，确定了如表1所示的具体水击模拟工况。

表1 丙烯水击模拟工况

以马来西亚PETRONAS公司P30丙烯罐区项目为例，设计液态丙烯装船量为600 m3/h，装船管道直径DN200。在PIPENET软件建模时输入边界点、设备阀门参数和几何模型的条件如下[3-6]：

（1）边界点条件。模型输入节点入口为装船泵入口，节点处设定为恒定压力，装船泵入口节点处压力取储罐操作压力和液位自然高差压力之和，为16.8 bar（1bar=0.1 MPa）。模型输出节点压力为丙烯进船背压，取23.0 bar。

（2）泵输入条件。在PIPENET软件中，泵使用 Inertial pumps模块，泵流量 600 m3/h，扬程242.3 m，泵流量特性曲线、转动惯量等数据依据厂家资料。

（3） 阀输入条件。在PIPENET软件中，PERC-Valve1阀门为6 in蝶阀（1in=25.4 mm），UZV-2037阀门为8 in球阀，阀门Cv曲线及关断时间依据厂家资料。

（4）装船管道材质为低温碳钢，壁厚8 mm，罐区与码头之间管道长度约6.6 km，全程采用管架方式敷设，装船系统整体按照管道三维安装尺寸进行建模。

3 结果与分析

3.1 关阀或停泵单一工况下的水击分析

工况一，图2为装船臂上的PERC-Valve1阀门突然关闭后，阀前压力、流量的瞬变情况。

图2 工况一PERC-Valve1阀前压力、流量瞬变曲线

阀门关闭时，阀前压力升高，在阀门即将全关闭时，压力迅速增大，并在阀门全关后压力达到最大值，维持在装船泵零流量下的最大压力，并在此基础上产生小幅振荡波动。本例中最长的直管段位于装船臂附近，长度为360 m，定义为pipe-360，图3为该管道受到的水击作用力瞬变情况。

图3 工况一pipe-360受到水击作用力瞬变曲线

随着水击的发生，管道上的水击作用力刚开始时在正方向上逐步增大，当到达峰值时，又陡然下降，并且作用力改变方向，在负方向上逐步增大，直到达到负峰值后又改变方向，如此循环往复。

工况二，装船时储罐界区UZV-2037阀门关闭工况的模拟曲线与工况一模拟曲线基本相同，工况一和工况二条件下水力系统中产生的最大水击压力和最大水击作用力具体见表2。

表2 丙烯水击模拟工况结果

工况三，图4为装船泵停泵情况下，水力系统中压力、流量的瞬变情况。当装船泵停泵后，系统中流量逐渐降低，压力也逐渐降低。但流量并非降至0后维持不变，而是在0流量线上下小幅波动，压力线也并非逐渐降低后不再变化，而是随流量一起小幅波动，但产生的水击压力比停泵前压力稍有增大。图5为装船泵停泵后，360 m长直管段管道受到的水击作用力瞬变情况，与图2曲线趋势走向基本相同。

图4 工况三pipe-360压力、流量的瞬变曲线

图5 工况三pipe-360受到水击作用力瞬变曲线

3.2 关阀和停泵组合工况下的水击分析

工况四，图6展示了装船臂上的事故关断阀关闭和停泵组合情况下的水击瞬变情况，可以看出压力和流量的瞬变情况与单纯关阀时的趋势基本相同，但压力曲线波动的周期比单纯关阀时的周期长，水力系统中360 m长直管段管道所受到的水击作用力也比单纯关阀时的波动周期长（见图7）。

图6 工况四PERC-Valve1阀前压力、流量的瞬变曲线

图7 工况四pipe-360受到水击作用力瞬变曲线

工况五，装船时罐界区UZV-2037阀门关闭和停泵组合情况下的模拟曲线与工况四基本相同，系统中产生的最大水击压力和最大水击作用力具体数据见表2。

3.3 综合对比分析

表2综合比较了丙烯装船水力系统中各水击工况的模拟结果。从表2可以看出，工况一的水击压力最大，水击作用力也最大，为所有工况中最恶劣工况。对比停泵或关阀单一工况的结果，突然停泵较突然关阀的水击影响小很多。

对比突然关阀的单一工况和突然关阀+突然停泵的组合工况，在突然关阀的情况下停泵，可以减弱水击的破坏和影响，但由于水力短管水击过快，停泵来不急减弱这种水击影响，因此组合工况下的最大水击压力和最大水击作用力降低现象并不明显。

从表中也可以看出，丙烯装船系统的最大水击压力达45.6 bar，此压力值为正常工作条件下泵出口压力的1.62倍。为保证本质安全，管道的设计压力应比最大水击压力高并且留有一定的余量。水击工况下流体对管道的水击作用力达到31.4 N/m，由于最大水击作用力出现在最长的直管段上，本例中最长的直管段位于装船臂附近，因此选取装船臂之前约1.5 km的管段，标注计算得到的水击作用力F，具体见图8。直管段上所受的水击作用力为两个方向，一个与流体方向相同，一个与流体方向相反，应按图8标注的水击力情况进行管道应力分析，确定管道稳固措施。

图8 管网中局部管道所受的水击作用力示意

4 结论

基于本文选定工程实例和计算方法，对丙烯装船系统进行水击分析研究得到以下结论：

（1）突然关阀，阀前压力急剧升高，在阀门即将全关闭时压力达到最大值，维持在装船泵零流量下的最大压力，并在此基础上产生小幅振荡波动，伴随着的水击作用力也在正、负最大峰值之间循环波动；突然停泵，流量并非降至0后维持不变，而是在0流量线上下小幅波动，压力线随流量一起小幅波动，产生的水击压力比停泵前压力稍有增大。

（2）装船臂上的事故关断阀突然关闭是所有水击工况中最为恶劣的工况，其最大水击压力为正常工作条件下泵出口压力的1.62倍，流体对管道的水击作用力达到31.4 N/m。

（3）突然停泵较突然关阀的水击影响小很多；在突然关阀的情况下停泵，可以减弱水击的破坏和影响，但水力短管的减弱作用不明显。