基于PIPENET的管道系统水击分析

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基于PIPENET的管道系统水击分析

Key words: crude oil tank; lightning protection; lightning rod; checking calculation （48） Optimization Design of Low Pressure Flash Drum Based on Reliability and Economy
（5）设置调压室。在较长的管道上设置调压室，缩短管道长度，可以缓和水击。 2 利用 PIPENET 软件进行管道系统水击分析
PIPENET 软件的瞬态模块，可模拟由于设备启停、阀门操作等因素造成的管网内流场瞬态变化，计算系统压力和流量的波动，预知水击或汽锤，验证系统对动态工况的响应性。并且， PIPENET 瞬态模块可以为安全阀、呼吸阀、压力容器等在动态工况下工作的关键设备进行动态设备选型，使设备的型号更准确、更安全、更经济。 2.1 油码头装卸管道系统概况
模拟结果显示安全阀在 NSV 阀前时，在工况 2、 3、 4、 5 中，工况 5 的阀门入口压力大于系统设计压力，工况 2、 3、 4 均满足压力小于 1.5 MPa 的要求，但是考虑到工况 4 安全阀开度 54%，阀门型号较小可以降低工程造价，所以选择 Cv50 安全阀安装于 NSV 阀前最优，系统可以达到减小水击，保持管道系统正常运行的目的。在此基础上， PIPENET 软件还可以模拟关断阀不同的运动行程，水击对管道系统的影响。这样可以要求操作人员严格执行操作规程，将水击发生的频率和水击造成的损失降至最低。
（1）系统选用了不合理的管径，部分管道流速不合理。

管道的水击分析与计算

管道的水击分析与计算学生姓名：某某专业：过程装备与控制工程班级：过控0704指导教师：某某2010年10月10日目录摘要 (3)关键词 (3)Ⅰ水击的产生 (3)Ⅱ水击保护方法 (3)一.增强保护 (3)二.超前保护 (3)三.泄放保护 (3)Ⅲ管道的水击分析 (4)一.水击对输油管道造成的主要危害 (4)二.管道分析的目的 (4)三.管道分析所需要的基本数 (4)四.管道分析取得的成 (4)Ⅳ水击控制及保护设施 (5)一.泄压阀 (5)二.调节阀 (6)Ⅴ水击计算 (7)一.水击波的压力增加 (7)二.水击波的传输速度和水击压强 (7)Ⅵ防止水击的措施 (9)一.增加防止水击设备 (9)二.建立安全操作体系 (10)Ⅶ结语 (10)参考文献 (11)管道的水击分析与计算摘要：输油管道的密闭流程使管道全线成为一个水力系统，管道沿线的某一点流动参数变化会在管内产生瞬变压力脉动。

该压力脉动从扰动点沿管道上下游传播，引起管道的瞬变流动进而引起的压力波动称为水击。

它引起管内压强上升，轻则噪音与振动，重则超过管内原有正常压强的几十倍甚至上百倍，以致超过了管壁材料的允许应力，造成管道和管件的变形甚至破裂。

因此，了解水击现象的发生、发展过程和计算，对削弱水击所产生的危害是十分必要的。

现代大型计算机的广泛应用，对输油管道的水击分析利用专门编制的程序进行，使得在防护方面取得了理想的经济和社会效益。

关键词：水击；水击防护；瞬变流动；防护系统；水击计算Ⅰ水击的产生管道中液体的运动状态突然改变的情况下发生（如阀门的突然关闭或突然开启，水泵的突然启动或停止，水轮机或液压油缸突然变化负载等）。

由于流速突然发生迅速变化，结果由于流体惯性，必然引起管内压强的剧烈波动，即压强的突然上升与突然下降，并在整个管长范围内传播。

压强突变使管壁产生振动，并伴有似锤之声，故将这种现象称为管内水击现象。

现代输油管道的密闭输油流程使管道全线成为一个水力系统，管道沿线某一点的流动参数变化会在管内产生瞬变压力脉动。

输油管道的水击分析

=1013.25(m/s)
此速度为充满汽油的406.4 7.1的管道中，压力波的理论速度。
输油管道的水击分析
若关闭阀门所经历的总时间为Ts，则可将它分成n个时段△t1， △t2 ，…… △tn ， Ts =∑△t1 ，
H0
直接水击间接水击
△t1时段 p1a(V0V1)
△t2时段
p0 g
输油管道的水击分析
水击波的传播及波速计算
水击是以压力波的形式在有限的管道边界内进行传播和反射的。水击波的传播分为四个阶段，从伐门突然开启或关闭，使水流流速改变产生水击波，这是水击的第一个阶段，也是直接波。水击波所到之处，管道内的流速和压强也随之发生变化。
当水击波传播到水库或水池或者回到伐门处，水击波将产生反射，这种反射的水击波称为间接波。
管壁收缩
p g p g
p0 g
V=V00
V0 V0=0
B
t 2L t 3L A
aL a
p
a
g
p
流速由0 →V0 ，
g
H0
压强增加，恢复原状，管壁恢复原状
p0 g
V0
V0 V0 V0 V0=0
B
t 3L t 4L A
aL a
输油管道的水击分析
水击压强的计算（直接水击）
输油管道的水击分析
输油管道的水击分析
输油管道中的水击
水击是指液体流速改变引起的压力瞬变过程。其实际上是一种能量转换。任何原因引起的流速变化，都将产生水击，或是增压、或是减压。流速的突然下降所产生的水击对输油管道特别危险。
“泵到泵”输油管道水击发生示意图
输油管道的水击分析
水击物理概念
当流场中液体质点的运动要素不仅随空间位置而变、而且随时间而变化时，这种流动称为非恒定流动。

管道运输水击问题研究及预防

管道运输水击问题研究及预防摘要管道运输是一种应用广泛的运输方式，水击破坏的发生严重影响了管道安全、经济的运输。

本文对管道水击现象的产生原因及水击的相关因素进行详细分析。

通过分析实际应用中的水击压力波的传播速度和阀门关闭的临界时间，从设计、施工和运行管理3个方面提出有效的预防措施，降低水击破坏的影响程度，提高管道运输的可靠性。

关键词管道；水击；水击压力；临界时间；预防The Problems of Water Hammer in Pipeline Transport and ItsPreventionFAN Haifeng，BAI Lu，LOU Kai，LIANG Shaoting，WEI RongluZhejiang Ocean University，Zhoushan 316000，Zhejiang Province，ChinaAbstract Pipeline transport is a widely used mode of transportation，the damage of water hammer occurred serious impact on the pipeline security，economic transportation. In this paper，the causes of water hammer in pipeline transport and the related factors of Water hammer on detailed analysis. Through analyzing propagation speed of water hammer pressure wave and shut off the valve of critical time of the actual application，from design，construction，operation and management three aspects put forward effective measures to reduce the influence degree of water hammer，enhancing the reliability of pipeline transportation.Keywords pipeline; water hammer; water hammer pressure; critical time; prevention管道运输是用管道作为运输工具的一种长距离输送液体和气体物资的输方式，管道运输不仅运输量大、连续、迅速、经济、平稳以及投资少、占地少、费用低、损耗小，并可实现自动控制。

管道的水击分析与计算

该压力脉动从扰动点沿管道上下游传播，引起管道的瞬变流动进而引起的压力波动称为水击。

因此，了解水击现象的发生、发展过程和计算，对削弱水击所产生的危害是十分必要的。

现代大型计算机的广泛应用，对输油管道的水击分析利用专门编制的程序进行，使得在防护方面取得了理想的经济和社会效益。

由于流速突然发生迅速变化，结果由于流体惯性，必然引起管内压强的剧烈波动，即压强的突然上升与突然下降，并在整个管长范围内传播。

压强突变使管壁产生振动，并伴有似锤之声，故将这种现象称为管内水击现象。

现代输油管道的密闭输油流程使管道全线成为一个水力系统，管道沿线某一点的流动参数变化会在管内产生瞬变压力脉动。

航煤管道水击分析及保护措施

㊀２０２０年㊀第４期Ｐｉｐｅｌｉｎｅ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ２０２０㊀Ｎｏ４㊀收稿日期：２０２０－０２－２０航煤管道水击分析及保护措施朱伟林，王㊀涛（中航油彭州管道运输有限公司，四川成都㊀６１０２００）㊀㊀摘要：为验证中航油成都某航煤管道实施的超前保护㊁泄压保护㊁压力保护等水击保护措施的有效性，利用ＳＰＳ软件对首站事故停泵㊁沿线阀室阀门和末站站场阀门异常关闭的事故工况进行模拟，分析了航煤管道的水击保护逻辑㊂研究结果表明，首站事故停泵㊁阀室阀门或末站站场阀门异常关闭都不会造成管道全线超压，这说明目前的水击保护措施有效保证了航煤管道的安全运行㊂关键词：航煤管道；水击；ＳＰＳ软件；保护措施；安全运行中图分类号：ＴＥ８㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００４－９６１４（２０２０）０４－０００９－０４ＷａｔｅｒＨａｍｍｅｒＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＭｅａｓｕｒｅｓｆｏｒＡｖｉａｔｉｏｎＯｉｌＰｉｐｅｌｉｎｅＺＨＵＷｅｉ⁃ｌｉｎ，ＷＡＮＧＴａｏ（ＣＡＮＦＰｅｎｇｚｈｏｕＰｉｐｅｌｉｎｅＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０２００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓｓｕｃｈａｓａｄｖａｎｃｅｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆｐｒｏ⁃ｔｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｏｎａｃｅｒｔａｉｎａｖｉａｔｉｏｎｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｉｎＣＡＮＦＣｈｅｎｇｄｕ．ＴｈｅＳＰＳｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅａｃｃｉｄｅｎｔｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｓｔｏｐｐｉｎｇｔｈｅｐｕｍｐａｔｔｈｅｆｉｒｓｔｓｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅｖａｌｖｅｃｈａｍｂｅｒｖａｌｖｅａｌｏｎｇｔｈｅｌｉｎｅ，ａｎｄｔｈｅｖａｌｖｅａｔｔｈｅｔｅｒｍｉｎａｌｓｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｌｏｇｉｃｏｆｔｈｅａｖｉａｔｉｏｎｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｔｈａｔｓｔｏｐｐｉｎｇｔｈｅｐｕｍｐａｔｔｈｅｆｉｒｓｔｓｔａｔｉｏｎａｃｃｉｄｅｎｔ，ｃｌｏｓｉｎｇｔｈｅｖａｌｖｅｉｎｔｈｅｖａｌｖｅｒｏｏｍｏｒｃｌｏｓｉｎｇｔｈｅｖａｌｖｅａｔｔｈｅｌａｓｔｓｔａｔｉｏｎｗｉｌｌｎｏｔｃａｕｓｅｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｔｈｅｅｎｔｉｒｅｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｖｉａｔｉｏｎｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｖｉａｔｉｏｎｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒ；ＳＰＳｓｏｆｔｗａｒｅ；ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓ；ｓａｆｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ０㊀引言ＳＰＳ（ＳｔｏｎｅｒＰｉｐｅｌｉｎｅＳｉｍｕｌａｔｏｒ）软件是瞬态流体仿真应用软件，主要用于管道设计及分析㊂西气东输管道二线㊁涩－宁－兰管道复线㊁兰－银管道等多条管道可研的工艺计算采用了ＳＰＳ［１－２］㊂水击是由密闭管道内流体流速的突变引起的，单位时间内流速变化梯度越大，则瞬间产生的水击作用就越明显，进而对管道的伤害也就越大［３］㊂造成流体速度突然变化的原因主要有以下３种：运行中的泵机突然停泵［４－５］；阀室阀门的开启和关闭受到干扰；误操作导致阀门的突然关闭［６］㊂流速突然变化产生的增压波作用在上游管道和阀门上，严重时可致管道损坏甚至爆裂㊂同时产生的减压波使得下游管道压力下降，下游管道可能会出现液柱分离，甚至局部汽化，造成输油泵抽空［７］㊂文献［８］表明流体速度突变引起的压力增值和水击波的传播速度分别见式（１）㊁式（２）：ΔΗ＝αｇ（ｖ０－ｖ）（１）α＝Ｋｇｒ１＋ＫＤＥｔ（２）式中：ΔＨ为压力增值，ｋＮ／ｍ２；α为水击波在管道中的传播速度，ｍ／ｓ；ｇ为重力加速度，ｇ＝９．８ｍ／ｓ２；ｖ０为正常输送工况下的液体流速，ｍ／ｓ；ｖ为工况突然改变后的液体流速，ｍ／ｓ；Ｅ为管材弹性模量，ｋＮ／ｍ２；Ｄ为管道内径，ｍ；ｔ为管壁厚度，ｍ；ｒ为液体密度，ｋｇ／ｍ３；Ｋ为液体体积弹性系数，ｋＮ／ｍ２㊂管道作为航空煤油重要的运输途径，其安全性能尤其重要，在设计航煤管道水力系统时，必须采取有效的水击保护措施㊂中航油成都某航煤管道采取了超前保护和泄压保护等水击保护措施，释放水击产生的压力波，同时利用压力监测保护系统，对进站压力进行实时监测，利用自动报警和联锁停泵保护功能，实现对管线和站内设备的保护㊂㊀㊀㊀㊀㊀１０㊀ＰｉｐｅｌｉｎｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｕｌ２０２０㊀１㊀管道概况某航煤管道工程线路长，起点高程７０１ｍ，终点高程４９４ｍ，沿途地形复杂，其中龙泉山段为山区地段，起伏较大，彭州段和双流段为平原地带㊂该航煤输油管线起点站为彭州炼化厂，终点站为双流机场油库，全长约１８９．７３ｋｍ，管径为ＤＮ２５０，设计压力１０ＭＰａ，输送介质为航空煤油，沿线设有６座电动阀室，６座手动阀室，采用常温输送，其中穿越中型河流３处㊁干线水渠２处㊁支渠１处，高速公路㊁省国道穿越２４处㊁铁路（轻轨）７处㊁准水源地保护区１处，图１为航煤管道沿线的阀室高程示意图㊂图１㊀航煤管道沿线阀室高程示意图２㊀水击保护措施航煤管线采用的水击保护系统包括压力控制系统㊁超前保护系统㊁压力泄放系统㊂２．１㊀压力控制系统利用压力传感器控制首站的出站压力调节阀和末站进站压力调节阀开度，使得压力维持在管道设定的压力值附近㊂２．２㊀超前保护系统航煤管线采用专用通信信道传递水击信号和控制指令㊂在首站突然停泵或者干线阀门㊁末站站场阀门发生异常关闭时，调度控制中心根据通信系统上传的信号，通过ＳＣＡＤＡ控制系统自动下达水击超前保护指令，顺序停掉首站的输油泵，关闭进站阀，达到保护管线的目的㊂２．３㊀压力泄放系统在航煤管道首站出站以及末站进站均设有泄压系统㊂当水击发生时，通过水击泄压阀将管道中的部分油品泄放到备用的油罐中，达到保护管道和站内设备安全的目的㊂３㊀水击模拟分析通过ＳＰＳ模拟仿真软件对首站双泵和单泵异常停泵㊁沿线阀室阀门异常关闭㊁末站站场阀门异常关闭等事故工况进行模拟分析㊂３．１㊀首站事故停泵分析当监测到首站２台输油泵事故停泵时，通过水击超前保护系统㊁压力泄放系统动作，至少等待４３０ｓ，末站进站阀关闭，压力稳定在３．４ＭＰａ左右，末站进站阀设定值为３．７ＭＰａ，事故后全线压力不超压，如图２所示㊂图２㊀事故停双泵末站进站阀阀前压力图首站事故停双泵稳定后全线水力坡降见图３㊂图３㊀事故停双泵稳定后全线水力坡降曲线当监测到首站输油泵事故停１台泵时，通过水击保护系统㊁泄放系统动作，至少等待６００ｓ，末站进站阀门关闭，压力稳定在３．５２ＭＰａ左右，末站进站阀设定值为３．７ＭＰａ，事故后全线压力不超压，如图４所示㊂图４㊀事故停单泵末站进站阀阀前压力图３．２㊀管道沿线阀室阀门事故关断分析该航煤管道沿线共６座电动阀室，除事故判断条件不同外，各阀室情况基本一致，故只分析１㊁３号阀室的阀门事故关断情况㊂㊀㊀㊀㊀㊀第４期朱伟林等：航煤管道水击分析及保护措施１１㊀㊀当检测到１号阀室阀门事故关断后，最多等待４５ｓ后按顺序停泵，否则１号阀室阀门超压，见图５㊂图５㊀１号阀室事故水击超前保护室内压力曲线通过水击保护系统㊁泄放系统动作，至少等待４３０ｓ后关闭末站进站阀，压力稳定在３．３ＭＰａ左右，如图６所示㊂图６㊀末站进站阀阀前压力图１如果始终不关闭末站进站阀门，不会产生超压危险，只会造成１１５ｋｍ至１１７ｋｍ处管线局部不满流，１号阀室事故关断气化率曲线如图７所示㊂图７㊀１号阀室事故关断气化率曲线当检测到３号阀室阀门事故关断后，最多等待７０ｓ钟后按顺序停泵，否则３号阀室阀门超压，见图８㊂通过水击保护系统㊁泄放系统动作，至少等待４３０ｓ后关闭末站进站阀，压力稳定在３．２ＭＰａ左右，如图９所示㊂图８㊀３号阀室事故水击超前保护室内压力曲线图９㊀末站进站阀阀前压力图２如果始终不关闭末站进站阀门，不会产生超压危险，只会造成１１５ｋｍ至１１７ｋｍ处管线局部不满流，３号阀室事故关断气化率曲线如图１０所示㊂图１０㊀３号阀室事故关断气化率曲线３号阀室事故关断稳定后水力坡降如图１１所示㊂３．３㊀末站站场阀门事故关断分析当检测到末站站场进站阀事故关断保持２ｓ后，可以立刻停泵并关闭末站ＥＳＤ阀门，如果等待超过７０ｓ才开始关末站ＥＳＤ阀门，则末站泄放系统动作㊂当检测到末站站场压力调节阀事故关断后，可以立刻停泵并关闭末站ＥＳＤ阀门㊂如果等待超过３０ｓ㊀㊀㊀㊀㊀１２㊀ＰｉｐｅｌｉｎｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｕｌ２０２０㊀图１１㊀３号阀室事故稳定后水力坡降曲线才开始关末站ＥＳＤ阀门，则末站泄放系统动作㊂其稳定后水力坡降如图１２所示㊂图１２㊀压力调节阀事故稳定后水力坡降曲线４㊀结论利用ＳＰＳ软件进行水击仿真模拟分析，验证了航煤管线的水击保护系统的有效性，表明首站异常停泵㊁沿线阀室阀门异常关断㊁末站站场阀门异常关断都会触发航煤管线压力控制系统㊁超前保护系统㊁压力泄放系统的运行，能有效避免水击对管线的危害，保障管道的安全运行㊂参考文献：［１］㊀刘定智，刘定东，李茜．ＴＧＮＥＴ及ＳＰＳ软件在天然气管道稳态计算中的差异分析和比较［Ｊ］．石油规划设计，２０１１，２２（５）：１８－１９．［２］㊀郑云萍，肖杰，孙啸，等．输气管道仿真软件ＳＰＳ的应用与认识［Ｊ］．天然气工业，２０１３，３３（１１）：１０５－１０６．［３］㊀杜艳平．基于ＳＰＳ软件的庆哈输油管道水击分析［Ｊ］．化工管理，２０１９（６）：２１８．［４］㊀王泽伟．漠大线水击分析及保护措施［Ｊ］．油气田地面工程，２０１５，３４（８）：８９－９０．［５］㊀黄春芳．油气管道设计与施工［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２００８：１５７．［６］㊀刘波，滕飞．浅谈长输管道密闭输送的水击保护与压力调节［Ｊ］．石化技术，２０１９，２６（６）：５２－５３．［７］㊀长输油气管道工艺设计编委会．长输油气管道工艺设计［Ｍ］．北京：石油工业出版社，２０１２：９２－９３．［８］㊀郑焯，梅玲玲．ＳＰＳ在苏丹六区轻油外输管道工程水击模拟中的应用［Ｊ］．油气田地面工程，２０１４，３３（１１）：６９－７０．作者简介：朱伟林（１９９２），硕士研究生，主要从事航煤管道安全运行工作㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：３１１２２７６５７１＠ｑｑ．ｃｏｍ（上接第５页）较好，其误差均在１５％之内，可为实际的多相流动以及水合物工程应用提供参考㊂参考文献：［１］㊀饶永超，王树立，武玉宪，等．天然气水合物强化生成技术与方法研究进展［Ｊ］．油气储运，２０１２，３１（１０）：７２５－７３２．［２］㊀ＳＰＥＤＤＩＮＧＰＬ，ＨＡＮＤＮＰ．Ａｒｅｖｉｓｅｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｕｒｆａｃｔａｎｔｓｏｎｔｗｏ⁃ｐｈａｓｅｐｈｅｎｏｍｅｎａｉｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｉｒ⁃ｗａｔｅｒｐｉｐｅｆｌｏｗ［Ｊ］．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＭｉｎｅｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，１９９７，５（３／４）：２６７－２７９．［３］㊀ＨＡＮＲＡＴＴＹＴＪ，ＨＥＲＳＨＭＡＮＡ．Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｏｆｒｏｌｌｗａｖｅｓ［Ｊ］．ＡｉｃｈｅＪｏｕｒｎａｌ，１９６１，７（３）：４８８－４９７．［４］㊀ＷＡＮＧＳＬ，ＲＡＯＹＣ，ＷＵＹＸ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｇａｓ⁃ｌｉｑｕｉｄｔｗｏ⁃ｐｈａｓｅｓｐｉｒａｌｆｌｏｗｉｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｐｉｐｅ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２，１４（３）：２４－３２．［５］㊀王树立，饶永超，魏鸣姣，等．水平管内气液两相螺旋流压降规律实验研究［Ｊ］．科学技术与工程，２０１３，１３（３）：６５９－６６３．［６］㊀王树立，饶永超，武玉宪，等．以纽带起旋的气液螺旋流实验研究［Ｊ］．水动力学研究与进展Ａ辑，２０１３，２８（１）：１０５－１１０．［７］㊀李建敏，王树立，饶永超，等．表面活性剂对气液两相螺旋管流流动特性的影响［Ｊ］．水动力学研究与进展Ａ辑，２０１５（１）：１８－２３．［８］㊀戴源，饶永超，王树立，等．可降解性表面活性剂体系下水平管内气液两相螺旋流实验研究［Ｊ］．实验力学，２０１６，３１（１）：１３４－１４０．［９］㊀ＡＧＲＡＷＡＬＫＮ，ＶＡＲＭＡＨＫ，ＬＡＬＳ．ＰｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｄｕｒｉｎｇｆｏｒｃｅｄｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｂｏｉｌｉｎｇｏｆＲ－１２ｕｎｄｅｒｓｗｉｒｌｆｌｏｗ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒ，１９８２，１０４（４）：７５８－７６２．［１０］㊀ＱＵＩＢÉＮＪＭ，ＴＨＯＭＥＪＲ．Ｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｂａｓｅｄｔｗｏ⁃ｐｈａｓｅｆｒｉｃｔｉｏｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｍｏｄｅｌｆｏｒｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｕｂｅｓ，ＰａｒｔＩＩ：Ｎｅｗｐｈｅｎｏｍｅｎｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅａｔ＆ＦｌｕｉｄＦｌｏｗ，２００７，２８（５）：１０６０－１０７２．作者简介：陈锋（１９９７），研究方向为水合物理论㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｃｆｆ２０２０＠１２６．ｃｏｍ通讯作者：王树立，教授，从事水合物理论及应用研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗｓｌ＠ｃｃｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。

管线中水击现象的成因及设计预防措施概要

管线中水击现象的成因及设计预防措施随着科学技术的发展，特别是计算机技术的广泛运用，配管设计已逐渐发展成为独立的工程设计专业。

在石油化工企业的新建、扩建、改建工程中，管道的设计与安装，已经成为整个工艺设计工作的重要组成部分。

在配管设计中，通过管道应力的分析计算，可以检查管道在设计条件下是否具有足够的柔性，保证管道的安全运行。

但是，从配管模拟设计过程以及装置现场反馈信息中发现，石油化工装置运行中，尤其在装置的试车阶段，管线的振动问题仍有发生。

致使管线振动的原因很多，水击是其中比较常见的原因之一。

因此，防止管道水击现象的发生是配管设计中不可忽视的重要因素。

本文就水击现象的成因、设计预防措施进行初步的探讨，供配管设计人员参考。

1 水击现象的成因及危害1．1 水击现象的基本概念水击是管道瞬变流动中的一种压力波，它的产生是由于管道中某一截面的流速发生改变，这种改变可能是正常的流量调节，或因事故而使管道堵塞，从而使该处压力产生突然的跃升或下降，并以波的形式，以波速a向整个系统传播，这种现象称为水击。

根据水击发生的程度可以简单地分为一般性水击和破坏性水击。

1．2 水击现象的成因在实际生产中，能够引起管道系统流速变化而导致水击的因素很多，如：（1）阀门的正常开、关或调节，事故的开、关和损坏堵塞；（2）泵的启动和停运；（3）蒸汽管道在暖管过程中出现凝结水。

从理论上讲，石油化工装置在设备切换——阀门关闭时，当阀门的开度逐渐减小时，管道中流体介质的流速也逐渐减小，由于介质的惯性作用，在阀门的上游部分产生压力升高，而在其下游部分产生压力降低；反之，当阀门的开度逐渐增大时，管道中流体介质的流速逐渐增大，在阀门的上游部分产生压力降低，而在其下游部分产生压力升高，产生介质的不稳定流动——“水击”。

同样，由于操作压力和温度的波动等原因造成介质体积的膨胀和收缩，也会导致水击现象的发生。

当此压力、温度波动超过一定范围，或在事故状态、装置开停车状态需要快速关启阀门时，管内的液相介质部分汽化或气相介质部分液化，管内产生局部气、液两相流，从而有可能发生严重的不稳定状态，导致“破坏性水击”。

浅析管道水击及防范措施

浅析管道水击及防范措施摘要：管道在运行时,由于突然停电或停泵,使管道中的流速和动量发生急剧变化,而发生水击或水锤现象, 水击可导致管道系统的强烈震动，对管道系统造成影响或破坏，甚至危及设备和人身的安全。

因此，火力发电厂汽水管道如果管道发生水击，会直接影响了汽水系统的安全运行，对电厂的安全生产构成严重威胁。

热力管道系统是火力发电厂的生命线，如何保证汽水管道的安全稳定运行，对水击现象进行了分析和探讨,提出了预防管道系统水击的方法和措施,防止水击现象发生，对电厂的安全生产和经济运行有着重要意义。

一、常见汽水管道水击现象1、蒸汽管道水击现象及其特征在热力发电厂中水击现象最容易在蒸汽管道中发生，主要集中在主再热蒸汽管道、抽汽管道、汽封管道、高低加疏水管道等，而蒸汽管道产生水击通常是以下几种状态比较普遍：（1）蒸汽管道由冷态备用状态投入运行，因进汽阀门开启过快或过大致使管道暖管不足；或是管道疏水未开启、不畅或疏水管堵塞时，管道比较容易发生水击。

（2）汽轮机或锅炉负荷增加速度过快，或是锅炉汽包发生满水、汽水共腾等事故，使蒸汽带水进入管道。

（3）运行的蒸汽管道停运后相应疏水没有及时开启或开度不足，在相关联的进汽阀门未关闭严密情况下，漏入停运管道内的蒸汽逐渐冷却为水并积聚在管道中，在一定时间后，管道将发生水击。

蒸汽管道在以上状态下发生水击现象时，主要表现的特征是：（1）管道系统会发生振动，管道、支（吊）架及管道穿墙处均有振动，水击越强烈振动也越强烈。

（2）是管道内发出刺耳的声响，但不同情况下的水击时发出的声响各有特点，如投运时暖管或疏水不足的管道多阶段性地发出“咚咚”的声响；而蒸汽带水进入管道则多发出类似空袭警报声的连续啸叫声；停运后的蒸汽管道如前述发生水击时多阶段性的发出如金属敲击般的尖锐声响。

（3）管道系统在蒸汽带水进入管道时，如管道系统有法兰连接情况下，在管道的法兰结合处容易发生冒汽现象，水击严重时，法兰垫被冲坏致使大量漏汽。

输油管道的水击分析

输油管道的水击分析水击是指液体在管道中快速流动时产生的压力冲击现象。

对于输油管道来说，水击是一个非常重要的问题，因为水击会对管道造成巨大的冲击力，导致管道破裂甚至爆炸，造成严重的安全事故。

因此，对输油管道的水击进行分析和控制是非常必要的。

首先，我们来了解一下水击的原理。

当液体在管道中由于其中一种原因突然停止或改变流动方向时，会导致液体产生冲击波，产生高压区和低压区。

高压区的压力将超过管道的承受力，导致管道破裂。

而低压区的压力则会引起液体的回流和大规模振荡，进一步加剧了水击的破坏力。

水击的产生有多种原因，例如阀门关闭过快、泵机组启停突然、管道泄漏堵塞等。

在输油管道系统中，特别是在泵站、阀室等地方，水击的危险性更大。

因此，对于这些关键的控制节点，应当采取合适的措施来防止水击的发生。

为了分析输油管道的水击现象，通常使用一维流动理论。

该理论假设流体是均匀、定常、不可压缩的，可以采用质量守恒方程和动量守恒方程来描述流动的分布和变化。

在考虑水击问题时，还需要引入一个补偿容器来缓冲液体流动的压力冲击。

补偿容器的作用是通过改变管道系统的远端和近端的液体压力来达到缓冲和稳定液体流动的目的。

补偿容器通常设计为一个封闭的容器，容器中充满了空气或惰性气体。

当液体流速改变时，补偿容器可以通过改变内部气体的体积来平衡液体流动产生的压力冲击。

此外，在设计输油管道系统时，还应注意以下几点来控制水击的发生：1.合理选择管道的材质和尺寸，以保证其足够强度和刚度，能够承受流体的压力冲击。

2.采用合适的阀门和泵机组，以控制流速的变化，避免突然开关或启停造成的压力冲击。

3.在关键节点设置减压阀、隔离阀等，可以分散和缓解水击冲击，降低其对管道系统的影响。

4.定期检查和维护管道系统，及时处理泄漏和堵塞问题，避免因此引起的水击现象。

在实际操作中，水击的分析和控制通常需要使用专业软件进行模拟和计算。

这些软件可以根据管道系统的实际参数和操作条件，模拟液体的流动和压力分布，帮助预测和评估水击的风险，并提供相应的管控措施。

PIPENET软件用于海上平台消防水系统的水力分析

Le— ——管件的当量长度/m； Q— ——体积流量/（L /min）；
D— ——管径/mm；
C— ——海澄—威廉系数（或叫 C 系数）。
14
2012 年 12 月
3 海上平台消防水系统的 PIPENET 水力分析 3.1 项目消防水系统简介
本文结合某一海上无人驻守平台，利用 PIPENET 软件进行消防水系统的水力计算分析。该平台共四层甲板，拥有井口和简单生产设施。其消防水系统为干式环状系统且没有设置消防泵，平时管网中无消防水，在上层甲板处设置有直径 355 mm
消防主环路使用阀门隔断，消防水只通过一路雨淋
阀进行喷淋。
故障状态 1：在主环路隔断、雨淋阀 2 和 4 阻
塞情况下，模拟计算结果表明消防水流速并不超过
4 m/s。在这种状态下雨淋阀 1 的支管路流速最大，
流速为 3.99 m/s，分析结果见表 1、图 3。
2.29 2.29
0
DEL0UGE VALVE004 14#INLETPIPE 2.290 状态雨淋阀 003 0
2 雨淋阀 004 342.2
0.8 MPa， 793.3 m3/h
0 451.0
0 342.2
— 0.703
— 0.735
3.99 m/s，雨淋阀 002 支路
第 38 卷第 6 期
阎贵文等： PIPENET 软件用于海上平台消防水系统的水力分析
本平台初步设计时缺乏详细的管网三维图，未做消防水系统 PIPENET 水力分析，所以设定的参数缺少可行性及经济性验证。针对这种情况，本文主要进行消防水系统主管网的全程静态水力分析，验证设计数据的可行性。 PIPENET 水力分析主要包括以下内容：

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口
2.09 （管道入口的
— 最大压力 1.41
见图 9
第 37 卷增刊
张伟等：基于 PIPENET 的管道系统水击分析
57
从图 4 分析可知，在工况 1 中，阀门入口的最大压力 2.087 MPa，该峰值超过了系统设计的最高压力 1.5 MPa。说明系统有水击发生，需要安装保护装置。
该系统的 PIPENET 基本模型见图 1，关断阀前安装安全阀的 PIPENET 模型见图 2，为比较安全阀安装位置不同对系统水击的影响，建立了管道
入口前安装安全阀的 PIPENET 模型，见图 3。
本系统研究的目标是，首先确保阀门关闭时系统的最大压力在设计压力（允许的压力极限）以下；并且研究消除水击的设计方案、安全阀的安装位置，为其选择最优化的阀门型号。
CUI Hou-xi （Engineering Design Institute of China National Petroleum Offshore Engineering Co., Ltd., Beijing 100028, China）, YANG Zhi-hua, WANG Xiao-yong, et al.
模拟结果显示工况 6 把安全阀安装在管道入口位置不对，只能将管道的入口压力控制到 1.41 MPa。当阀门入口已达到压力峰值时，安全阀还没有做出任何反应，这是因为该管道的长度为 6 km，在压力波传递到安全阀之前，阀门入口压力已经达到峰值。 3 结束语
压力管道系统的水击现象是难以避免的，水击的危害性很大，为此在设计上考虑水击作用的影响是很有必要的。 PIPENET 软件已经在该油品码头装卸管道系统项目中成功得到应用，并已用该软件对该项目的安全阀动态响应及优化选型做了大量模拟，该项目最终选用型号为 Cv50 的安全阀，并将安装位置定在操作阀的前面。参考文献：
（1）系统选用了不合理的管径，部分管道流速不合理。
（2）系统内压力过高没有采用减压阀。（3）直管过长。（4）未安装适当的吸收激波的装置。 1.2 水击的危害在管道输送流体时，当水击发生轻微时，会引起管道及其相关设备的振动，产生噪音。严重时，水击和流体动态力可以发生瞬变压力的同步和叠加，造成管道泄漏、管件接头破损爆裂和断开、阀门破坏、泵机组等设备被打坏以及中断运输，甚至可能造成人身伤亡事故。管道内水击的破坏，严重影响了管道的安全性、可靠性和经济性[3]。如果由于水击现象的频繁发生，使得管道和设备一直处于不稳定状态，虽然泄压系统可以有效保护系统处于安全运行状态，但是压力的频繁变化引起管道和设备的疲劳程度增加，同时由于油田生产中的流体腐蚀性较强，管道和设备在长时间运行后就容易引起破损[4]。 1.3 防止水击的措施通过合理设计管道的各部件，利用完善的管理制度和严格执行操作规程，及时维修排除管道运行故障，一般可以将流体系统中的水击的影响控制在满意的限度。以下是防止管道水击的一些措施：（1）降低波速。对给定的流量变化，压力变化与波速的传播成正比，所以降低波速对于控制瞬
of lightning rod. Then the improvement measures are brought forward and checked by calculation to consummate the lightning protection for that crude oil tank.
[4] 顾洪斌.油田生产系统的水击成因及防护措施[J].胜利油田职工大学学报，2009 ，23(4) ：53-54.
— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 作者简介：张伟（1983-），男，助理工程师， 2009 年毕业于中国石油大学（北京）油气储运专业，现主要从事海底管道的工艺设计工作。收稿日期： 2011-08-10
56
石油工程建设
2011 年 11 月
变总有好处。如适当加大管径，限制流速可减小水击强度。
（2）安装水击消除器。当管路中压力升高时弹簧受到压缩，于是打开了水的通路，水被排出而泄压，因此降低了水击压力。
（3）安装溢流阀。当管道内流体压力超过调定压力时，溢流阀阀门打开。
（4）设置止回阀。水击危害的大小与阀门关闭时间的长短有关，阀门关闭越快，水击的危害越大；关闭缓慢，危害越小，要合理增加管路阀门关闭时间，缓慢操作，要绝对禁止突然关闭阀门。
本文以某润滑油码头装卸管道系统为例进行水击分析。该系统的主管为长 6 km、直径 254 mm 的钢管，该系统的最高设计压力为 1.5MPa。油轮装满后关断阀将关闭。位于栈桥末端有一个紧急切断阀，在恶劣天气时油轮在海面上下颠簸幅度较大，紧急切断阀必须快速关停，并断开与油轮的连接，以免造成事故。
模拟结果显示安全阀在 NSV 阀前时，在工况 2、 3、 4、 5 中，工况 5 的阀门入口压力大于系统设计压力，工况 2、 3、 4 均满足压力小于 1.5 MPa 的要求，但是考虑到工况 4 安全阀开度 54%，阀门型号较小可以降低工程造价，所以选择 Cv50 安全阀安装于 NSV 阀前最优，系统可以达到减小水击，保持管道系统正常运行的目的。在此基础上， PIPENET 软件还可以模拟关断阀不同的运动行程，水击对管道系统的影响。这样可以要求操作人员严格执行操作规程，将水击发生的频率和水击造成的损失降至最低。
0 引言压力管道中，由于阀门突然关闭、泵机组突然
停车等外界原因，使得流体的流速发生突然变化，从而引起压强急剧升高和降低的交替变化，这种水力现象称为水击，或水锤[1]。水击引起的压强升高，可达管道正常工作压强的几十倍甚至几百倍，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。因此，在压力管道系统设计中，必须进行水击计算，确定可能出现的最大和最小水击压强，研究防止和消弱水击作用的措施[2]。 PIPENET 是目前主流的管网流体计算与分析软件，广泛服务于石油、天然气、造船、化工以及电力工业等领域，用以进行管网系统计算和优化。通过 PIPENET 软件高效快捷地研究这一问题具有很大的实际价值。 1 水击现象概述 1.1 水击产生的原因
由于流体不是刚体，而是弹性体，因此在很强的水击压强的作用下产生形变，即流体的压缩。而管道中流体速度又不是同时变化，而是形成一种水击波（或叫弹性波）进行传递。引起管道流体速度突然变化是水击发生的条件，流体具有惯性和压缩性是发生水击的内在原因。
因此，了解水击现象、预测水击的压力峰值以及有效地将其降低到最小，对管道工程尤为关键。以下为导致系统产生水击的几个因素：
（5）设置调压室。在较长的管道上设置调压室，缩短管道长度，可以缓和水击。 2 利用 PIPENET 软件进行管道系统水击分析
PIPENET 软件的瞬态模块，可模拟由于设备启停、阀门操作等因素造成的管网内流场瞬态变化，计算系统压力和流量的波动，预知水击或汽锤，验证系统对动态工况的响应性。并且， PIPENET 瞬态模块可以为安全阀、呼吸阀、压力容器等在动态工况下工作的关键设备进行动态设备选型，使设备的型号更准确、更安全、更经济。 2.1 油码头装卸管道系统概况
关断阀（NSV 阀）和紧急切断阀（ERC 阀）的关停都应被作为系统设计的重点问题来考虑。研究 NSV 阀的启停主要因为该阀每天都要进行多次的开关操作，即使动态工况下产生的最大压力系统可以承受，也会因为操作频繁而导致系统连接部分逐渐松动，最终致使系统泄漏；而研究 ERC 阀的操作主要由于该阀的关闭速度过快，尽管该阀平时不会使用，但其关闭时会导致系统压力骤增，其压力峰值远大于 NSV 阀关闭时的压力峰值。 2.2 油码头装卸管道系统水击分析
摘要：水击的危害性很大，为此在设计上考虑水击作用的影响是很有必要的。文章对管道水击现象产生的原因、危害及防止措施进行了介绍，文章利用主流的管网流体计算与分析软件 PIPENET，针对某油品码头装卸管道系统进行水击分析，研究消除水击的设计方案、安全阀的安装位置，并为其选择最优化的型号。关键词： PIPENET 软件；管道；水击；安全阀中图分类号： TE973.1 文献标识码： B 文章编号： 1001－2206 （2011）增刊－0055－03
Key words: crude oil tank; lightning protection; lightning rod; checking calculation （48） Optimization Design of Low Pressure Flash Drum Based on Reliability and Economy
Abstract: Both reliability and economy should be considered in the pressure vessel design. In this paper, a vessel optimization design model was established, in which the total mass was selected as the objective function and the strength, stiffness, stability and hydraulic test stress as the constraint conditions. According to the nominal diameter series specified in design standards, the variable iterative step length was optimized, and an automatic processing program was developed using C++ Builder. Reduction of 1 100 mm in length and 412.83 kg in total mass was reached compared with the original design.

基于PIPENET的管道系统水击分析

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