基于AFT-Impulse的FPSO生活水系统水锤防护设计

张欢，周波，刘海冬

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

生活水管网系统的铺排受限于船舱空间，使得管路弯曲多，输水距离长，加之阀门启闭频繁或事故停泵工况，极易造成管道压力剧烈交替变化，形成管道水锤。由水锤引起的压力异常，会直接造成管线破裂、设备损坏等不良后果，严重影响管网系统的正常运转[1]，考虑以某FPSO生活水管网系统为例，运用动态流体分析软件AFT-Impulse，对其管网系统的承压能力和抗水锤能力进行模拟计算，分析水锤现象的影响因子，明确水锤现象的主控因素，并基于该主控因素，对系统关键管路提出最优水锤防护措施。

1 模拟软件及数学模型

1.1 AFT-Impulse软件

利用AFT-Impulse软件可对不可压缩流体进行稳态及瞬态分析，计算管网系统中由水锤引起的瞬态压力及水锤大小[2]。本文采用AFT-Impulse软件对影响水锤压力的相关因素(如管道直径、流体波速、管道长度、管道粗糙度，以及关阀时间)，实现多工况多场景的稳态分析和瞬态分析，确定水锤的主控因素。

1.2 数学模型

水锤是一种典型的非恒定流，其基本微分方程由运动方程和连续性方程组成，用于水锤计算的方法主要有图解法、解析法，以及特征线法。其中，特征线法是常用的水锤数值计算方法，结合初始条件和边界条件求解非恒定流基本微分方程[3]。本文采用的AFT-Impulse软件就是一款基于特征线法的流体动态分析软件。

2 水锤影响因素模拟分析

2.1 水锤现象

在压力管道系统中，管内流体在惯性、可压缩性、管壁弹性，以及系统阻力作用下，其压力和密度不断交替变化，直至稳定，该过程中，管内流体流速的剧烈变化引起动量交换，致使流体冲量改变，对管壁、水泵，以及阀门等附件产生巨大的冲击力，该现象即为水锤现象[4]。管道水锤现象的产生，使得管线压力增大，管线及设备损坏的风险较大提升。为有效消减水锤风险，从管道压力上升的根源出发，寻求规避水锤危害的方法[5]。基于经典水锤理论，假定管道的刚性足够，不考虑管道的动力学效应对流场的影响[6]，从管道直径、流体波速、管道长度、管道粗糙度，以及关阀时间几个方面着手，考察上述因素对水锤现象的影响程度。

2.2 水锤影响因素数值模拟

关于水锤研究的技术问题中，预测管道的最大压力和最小压力至关重要，可以有效避免因管道压力过大而导致的管道破裂，以及因内部真空条件下压碎大直径管道。所以，采用AFT-Impulse软件创建水力学模型，见图1。

图1 水锤模型

模型中流体介质为淡水，温度为38 ℃，管道为碳钢管，流体波速的计算公式[7]如下。

(1)

式中：K为流体体积模量；ρ为流体密度；E为管材弹性模量；e为管壁厚度；C1为管线膨胀系数；D为管材内径。

由式(1)可知，同一系统内，管径尺寸与流体波速成对应，所以在考虑水锤影响因素时，只需在管径尺寸和流体波速中选择一种进行考察。故选择管径尺寸为考察因素。通过调整管道直径、管道长度、管道粗糙度以及关阀时间的参数，实现多工况模拟，获得各影响因素对管道最大压力的影响程度。工况设置及对应的计算结果见表1。

表1 工况设置

将表1中，工况1～5为关阀时间对最大压力的影响情况，工况4和工况6～9为管道粗糙度对最大压力的影响情况；工况4和工况10～13为管道长度对最大压力的影响情况；工况4和工况14～17为管材内径对最大压力的影响情况。对比结果见图2。

图2 各因素对管道最大压力的影响程度

由图2可知，上述4种因素中关阀时间对于管道最大压力的影响最大，管道长度第二，管道直径次之，管道粗糙度对最大压力影响最小。

3 FPSO生活水管网系统

FPSO生活水系统中的生活水主要由淡水和蒸馏水组成，以某FPSO生活水系统中的淡水供应系统为例，进行基于水锤影响因素分析的防护设计。该淡水供应系统包含2台淡水泵、各类阀件和元件及输送管线等。其中，淡水泵的额定流量为15 m3/h，扬程为0.88 MPa；输送管路的材质为碳钢，其最大设计压力为1.96 MPa。根据ASME压力管道规范B31.3工艺管道，管道最大超压值不能超过该管道设计压力的33%，所以，本系统中输送管线最大允许水锤压力为2.606 8 MPa。

由AFT-Impulse软件创建的FPSO生活水系统稳态分析模型，淡水由淡水舱引出，经淡水泵抽吸，进入输送管道，经过各类阀件的控制，实现不同工况。

考虑到生活水系统中淡水泵为一运一备，故选择开启一台淡水泵，且为避免其他关闭支路对水锤分析的影响，采用简化模型，见图3。

图3 FPSO淡水供应系统简化模型

4 水锤防护方案设计

4.1 关阀方案设计

在管网系统正常运转过程中，阀门的快速关闭，导致靠近阀门处的流体受到阻碍且被压缩，使得流体流速快速降低，压力急剧升高，管道出现膨胀，后面的流体由于惯性继续向前运动，出现与靠近阀门处流体同样的现象，流速降低、压力升高，水体压缩和管道膨胀。上述过程依次向管道起点处传播，当这种升压过程传播到管道起点处时，管道中水的流速变为零，管道中水体的动能全部转为为使水压缩和管道变形的弹性势能，这种水锤称为关阀水锤[3]。关阀时间的确定对有效规避关阀水锤至关重要，结合FPSO生活水淡水供应系统特点，设置关阀方案见表2。

4.2 瞬态结果分析

根据上述关阀方案，采用AFT-Impulse软件进行多工况稳态分析和瞬态分析，管网系统沿程稳态压力、最大压力和最小压力见图4。

表2 关阀方案

图4 沿程压力

从图4可见，FPSO生活水系统管到最大压力出现在阀门入口处，即6号管道出口处。各工况下6号管道出口压力变化见图5。

由图5可知，工况1中，管道最大压力为3.677 MPa，大于输送管线最大允许水锤压力，不符合要求；工况2中，管道最大压力2.547 MPa，小于输送管线最大允许水锤压力，符合要求；工况3中，管道最大压力为2.493 MPa，小于输送管线最大允许水锤压力，符合要求；工况4中，管道最大压力为1.923 MPa，小于输送管线最大允许水锤压力，符合要求；在工况5中，管道的最大压力1.392 MPa，小于输送管线最大允许水锤压力，符合要求；工况6中，管道最大压力2.354 MPa，小于输送管线最大允许水锤压力，符合要求。

图5 6号管道出口压力的变化

上述结果中，工况5中管道最大压力最小，依据管道水锤防护原则，管道最大压力越小越不容易产生水锤，故而本文选择工况5为最优工况，即采用2阶段关阀，控制阀件开度，减小管道压力，从而有效规避水锤的产生，为FPSO生活水系统的正常、安全运转提供了有力保障。

5 结论

1)运用动态流体分析软件AFT-Impulse，基于水锤影响因素进行多工况对比分析，获得各因素对管道最大压力的影响程度排序：关阀时间>管道长度>管道直径(流体波速)>管道粗糙度，明确水锤现象的主控因素为关阀时间。

2)基于关阀时间因素，结合FPSO生活水管网系统特点，提出生活水管网系统关阀设计方案，以直线关阀和两阶段关阀两种形式。

3)结合动态流体分析软件，对比分析各方案管道最大承压能力，明确生活水管网系统最优的关阀方案为1.5 s快速关闭80%，5.5 s关闭20%，总关阀时间7 s，可以有效规避生活水系统运转过程中因水锤事件造成的不良后果，为FPSO生活水系统的正常、安全运转提供有力保障。