长输管道水击分析及其控制研究

张 阳

(中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026)

摘要：在长距离输油管道运行中，防止水击发生是管道安全平稳运行的重要保证。通过分析长输管道水击的形成过程、原理、特点及其危害，提出了水击波拦截、自动泄压保护、自动调节保护、顺序停泵保护及加强管道水击防护等方法，可有效防止水击的发生。

关键词：长输管道；水击；形成过程

0 引言

长距离管道在密闭输送过程中，出现非正常停泵、误关阀门及混油界面经过泵等均会引起水击现象。水击波沿管道传播，极易导致管道局部超压而造成管道破裂、损坏设备等，水击保护成为长输管道密闭输送关键性的工艺技术之一。东营港-中海沥青(滨州)原油/成品油管道在全线水击保护控制方面采用了首站出站压力调节系统、出站压力超高泄放系统、进站低压泄放保护系统、进出站压力超限停泵联锁保护系统来保证管道事故工况时的安全。

1 水击危害分析

水击对输油管道的直接危害是导致管道超压，包括2种情况：水击的增压波有可能使管道压力超过允许的最大工作压力，使管道破裂；减压波有可能使稳态运行时压力较低的管段压力降至液体的饱和蒸汽压，引起液流分离，还可能造成下游泵站进站压力过低，出现输油泵汽蚀等问题。

2 水击波的水击压力和速度计算

2.1 水击波的传播速度

水击产生的压力波在管内液体中的传播速度取决于液体的压缩性和管壁的弹性，其关系式为

c=

(1)

dcp=0.5(D+d)

式中:c为压力波传播速度，m/s；ρ为液体的密度，kg/m3；K为液体的体积模量，Pa；E为管材弹性模量，Pa；d为管道内径，mm；δ为管壁厚度，mm；D为管道外径，mm。

以东营港-中海沥青(滨州)原油/成品油管道工程成品油管道为例，D=273.1 mm，δ=5.6 mm，在输送柴油时(ρ=840 kg/m3，K=1.5 GPa，E= 2×1011 Pa)，根据式(1)求得压力波的传播速度为1 146.6 m/s。

2.2 水击波的冲击压力

在液体流速发生突变时(干线截断阀突然关断)，管道的压力也会发生突变，这种压力突变在管道的低洼处和正常运行时的高压力管段，都可能引发管道破裂，也可能使下游站的进站压力急剧下降，导致泵的进口压力超低保护而甩泵。

根据茹科夫斯基公式，可以计算因流速急剧变化引起的压力变化为

Δp=ρ·c·Δv

(2)

式中Δv为流速变化。

东营港-中海沥青(滨州)成品油管道以213 m3/h的流量输送柴油，油品流速为v=4Q/(π·d2)=1.1 m/s，即在干线截断阀突然关断时，柴油流速的变化为Δv=1.1 m/s，由式(2)计算得到由于干线截断阀突然关断引起的压力变化为Δp=1.06 MPa。由于管道的正常操作压力为5.8 MPa，干线截断阀突然关断引起的压力变化1.06 MPa，此时超出设计压力(6.8 MPa)，即有水击发生。

3 水击的原因及特点

3.1 水击产生的原因

水击是在压力管道中，由于某种原因而引起的管内压力的突然变化。如阀门的快速启闭、泵机组的突然起停、清管器突然“卡死”等，均会引起管道中油流的骤变，这种变化产生一种压力波，在管线中迅速传递，产生水击。水击压力是由于惯性造成的，其实质是油流在管道中的动能和压力能的相互转换。

3.2 水击的特点

3.2.1 水击波反射的间隔时间比较长

长输管道的泵站间距一般都在几十、上百km，以水击波传播速度为1 000 m/s估算，某站发生的水击波要经过约几十、上百s才能传到相邻的泵站，然后再发生反射，所以反射的间隔时间比较长。

3.2.2 势涌水击和管道充装

假设某长输管道终点阀门突然关闭，油品的流动突然停止，引起动能转化为势能所产生的压力称为势涌水击，介质的流速越高，势涌水击越强。在终点阀门突然关闭水击波到达上游泵站之前，泵站仍然正常输油，此时终点管段因压力升高发生弹性膨胀，容纳上游来油，这种现象称为管道充装。在充装时管壁不断膨胀，液体不断被压缩，由此产生充装压力。管道越长，充装压力越高。管道终点阀门处的水击压力是势涌水击与充装压力之和。

3.2.3 可能发生瞬变压力的同步和叠加

目前，输油管道均采用泵到泵的密闭输送工艺，管道沿线某处如果发生水击，全线都将受到影响。如果关闭管道终端阀门，其上游泵站的输量则会急剧下降。进站压力迅速升高，进站压力叠加在泵压上，使得出站压力进一步升高。这种同步与叠加的往复，将会加速破坏管道。

3.2.4 中间站意外停泵使进站超压和下游站抽空

对于长输管道，如果中间泵站意外停机，犹如在管道中间突然关阀，阻碍了上游流体的流动，由此产生的增压波使事故站的进站压力迅速上升，对于下游站，则是停止液体供应而产生减压波，使出站压力迅速下降。而出站方向的减压波则可能使沿线动水压头较低的地段产生气穴流和液柱分离，也可能使下游站进站压力过低而发生气蚀或抽空[1]。

4 水击事故的控制方法

长输管道的剧烈水击可能造成相关设施的破坏而引发水击事故。水击事故可能由意外的原因引起，例如停电、误操作等。水击的传播速度非常快，因而，水击事故很难预警，也不能用人工操作方法处理事故，最有效的防护手段是依靠管道的自动保护系统[2-4]。

4.1 水击波拦截

如果长输管道某中间站(事故点)停泵，将会向上游传播增压波，向下游传播减压波。如果事故点的压力持续增加，管道就会受到破坏。对此，可以在事故点的上下游站采取部分停泵的方法制造新的水击波，因为新的水击波与事故点的水击波叠加后相互抵消，使水击波受到拦截，从而消除或减弱水击的危害。水击波拦截技术的关键是准确判断水击，适时向事故点上下游泵站发出相关动作(停泵)的指令。在管道实际运行中，应将水击波拦截技术作为水击保护方案中的一种方法编入SCADA系统中，依靠其功能自动进行事故辨认，对各泵站的主泵等设备直接下发操作指令，及时消除水击危害。

4.2 自动泄压保护

在输油过程中会产生进站压力超低和超高的现象，这种现象虽多属低强度水击，但会导致管道不稳定运行，严重时会使管道运行工况失控。因此，长输管道各泵站都设有自动泄压罐，当管道运行压力超出泄压阀的设定值时，泄压阀自动开启，管线中的部分或全部油品泄入到泄压罐，以降低管道运行压力。东营港-中海沥青(滨州)原油/成品油管道首站出站段、末站进站段都安装了泄压阀，当进出站压力大于泄压设定值时，泄压阀自动开启泄压。当进出站压力恢复到正常设定值时,泄压阀自动关闭,从而保证了管道的安全运行。

4.3 自动调节保护

当管道发生低强度水击扰动时，管道的运行参数在接近超限的情况下，SCADA 系统能自动向泵站发出调节阀门或电机的指令,保持管道运行稳定。

4.4 顺序停泵保护

为了减少水击对管道系统的冲击，管道运行参数或泵站运行参数严重超限时就要停泵。对应不同的工况和要求，应建立相应的停泵顺序逻辑，尽量保证管道在瞬变过程中平稳过渡。

4.5 加强输油管道水击防护

长输管道的水击防护一般是在采用SCADA系统控制下，以水击波拦截技术为主。以调节为辅的综合防护。SCADA系统中有水击保护程序，但管道的某些运行控制参数需要管道操作人员提供。例如，调节阀出站压力设定值、泄压阀进出站压力设定值以及顺序停泵进出站压力设定值。在实际应用中，保护程序自动运行的功能有2个(监测管道的异常信号判断事故；根据事故的程度下达保护动作命令)，这就要求通信可靠，自动控制设备操作准确。在长输管道的设计与运行管理中，准确地掌握水击工况参数，可以避免因估计不足而加大安全系数引起的严重事故[5-6]。

东营港-中海沥青(滨州)原油/成品油管道工程，设计过程中按照不同水击工况进行预测和计算，采取水击波拦截、自动泄压保护、自动调节保护、顺序停泵等水击保护方法，有效防止水击的发生，制定运行规程和调度方案，为自控系统提供各种工况下的运行参数。

5 结论

压力管道系统的水击危害很大，为此在设计上考虑水击的影响是很有必要的。另外，要严格执行操作规程，将水击发生的频率和水击所造成的损失降至最低。

参考文献：

[1] 张国权，刘凯．成品油管道的水击及其防护措施[J]．油气储运，2006，25(12)：61-62．

[2] 赵海俊，邰宝杰．成品油管道水击保护[J]．管道技术与设备，2008(5)：18．

[3] 杨筱蘅．输油管道设计与管理[M]．东营：中国石油大学出版社，2006：376-379．

[4] 曾多礼．成品油管道水击保护[J]．管道技术与设备，2005(4)：26-29．

[5] 王玮，马贵阳．输油管网水击危害及其防治[J]．油气田地面工程，2010，29(3)：46．

[6] 刘靓，田远，王群雁．日照-仪征原油管道水击分析与保护[J]．油气储运，2014，33(8)：909-911．

Long-distance Pipeline Water Hammer Analysis and Control Research

ZHANG Yang

(Shengli Engineering&Consulting Co.,Ltd., Dongying 257026,China)

Abstract:In the long-distance oil pipeline running, preventing water hammer occurred is important to ensure the smooth and safety running of the pipeline. By analyzing the long-distance pipeline water hammer forming process, principles, characteristics and hazards, the method of water hammer wave interception, automatic pressure relief protection, automatic adjustment protection, pump stop equence protection and strengthen pipeline water hammer protection were proposed, effectively preventing the occurrence of water hammer.

Keywords:long-distance pipeline; water hammer; forming process

收稿日期：2016-04-08

中图分类号：TE832

文献标识码：A

文章编号：1004-9614(2017)01-0013-02

作者简介：张阳(1982—)，硕士研究生，从事石油天然气管道设计工作。 E-mail:[e-mail]