输油管道的水击分析及保护

输油管道的水击分析及保护

魏勇

新疆星美石油管道有限公司 新疆轮台县 841600

摘要:为了消除发油时管道内的水击现象，本文主要分析原输油管道的水击现象产生原因，产生的基本原理和危害。对水击分析现象下，结合其水击的特点，通过公式的理论验证，提出相应的水击预防保护措施，以加强输油管道的运用。

关键词: 输油管道；水击分析；危害；防护作用；

随着各行各业的兴起对液油的需求量增加，因此输油管道系统的应用要求也越来越高，长距离输油管道就显得更加便利了，其主要还是因为输油管道相对于其他输送方式铁路、公路的输油方式相比，管道输油具有运量大、密闭性好、成本低和安全系数高等特点优势，所以输油管道俨然成为石油的主要输送工具之一，未来依旧具有相当大的发展潜力。目前输油管道主要面临的是管道保护和使用安全上的问题较为重要，本文着重陈述输油管道在长距离输送的管道中液油流速发生急剧变化所引起的压强大幅度波动的现象，管道系统中闸门急剧启闭，使得液体发生流速发生巨大的变化，所产生的水击问题。从中分析水击产生的危害和采用预防措施，以防止不良事件的发生。

输油管道发展状况

管道输送的发展与我国当前的工业的发展有着密不可分的关系，输油管道最早的原油管道是克拉玛依—独山子原油管道，在上个世纪50年代末建成投入使用，是我们工业发展进步的标准。其次我国在输油管道中也有较大的突破，包括距离上，干线长1858公里，管径813毫米，该管道起于乌鲁木齐王家沟首站，止于兰州末站。还有其管径上也有重大突破，在日照-仪征原油管道的管径可达到914毫米，设计压力8.5MPa。从中可以充分说明了输油管道在未来发展的潜力越来越大。

输油管道水击分析

水击产生的原因

输油管道中的水击，是指液体流速改变引起的压力瞬变，这一变化过程实际是能量之间的转换。无论哪种原因而引起流速的变化，增压或是减压都将会产生水击，在流速的突然下降所产生的水击对输油管道具有特别大的危险。这种压强的变换交替，会出现极大的升降值，如果处理不当将导致管道系统发生强烈的振动，受到压强过大的影响而导致管道严重变形甚至爆裂。

水击的主要分类

水击波在阀门和油站之间往返一次所需要的时间 ，称为一个相长。往返两次的时间为 称为一个周期，L为管道的长度。

直接水击：闸门关闭（或开启）的时间Ts＜T（相长），即从水库反射的减（增）压波尚没有到达阀门处时，阀门已经关闭（开启）完毕，阀门处已达最大（小）水击压强。

间接水击：指闸门关闭（或开启）的时间Ts＞T（相长），即从水库反射的减（增）压波已到达阀门处，阀门尚未关（开）完毕，使阀门处水击压强不能再升高（降低）到最大（小）。

由此依动量定理可推得：

当阀门突然完全关闭时，V=0，则有

为此在工程设计输油管道中还应深入考虑减小水击压强，主要从两大方面着手。首先，选择合理的参数，有效延长阀门的调节时间，从而避免产生直接水击。其次，管壁材料强度的选择要求，应当选用直径较大管壁较薄的管道作为输油管道，还应根据地域问题选择不同素材的管道（有碳素钢管、耐油胶管）。

水击带来的危害

水击主要会对输油管道的压力、流量、流速骤变，造成重大危害如下：

波及管道沿线。

管道局部压力不均，破坏管道强度。

输送管道内出现液柱分离，使管道失衡从而产生较大的变形。

使中间泵站的泵发生气蚀，影响下游泵机组工作。

输油管道系统分析基本方程

波速方程

在求解输油管道的水击波速方程，应不考虑一些外在因素，如聚氯乙烯管、或钢筋混凝管，还有游离空气的减缓作用，将整个过程波速恒定不变的计算公式。

波速方程：

E­ ——材料的弹性模量；

K ——管输液体的弹性模量；

ρ——管输液体的密度；

D——管内径；

e——管壁厚；

C——系数，与管道约束有关；

（a）种约束——系统管子在径向和轴向都可以自由受力和变形（在轴线上只有一个固定点）

（b）种约束——为防止轴向应变而固定的管子

（c）种约束——整个管道装有效膨胀结

以上三公式中： ——泊松比

水击分析条件基本

文中所所讨论的方程中只谈论牛顿流体方程的情况。主假设管道为弹性管，即管道变形在弹性范围内；管段的倾斜度视为不变；管道横截面的流速视为不变；在瞬态计算时采用稳定的摩阻系数^【1】。

直接水击计算

液体流速瞬间变化所引起的初始水击压力：

水击分析基本方程

根据牛顿第二定律，推导出欧拉微分方程

由欧拉方程和质量守恒定律推导出连续性方程

式中： ——管长；

f——摩擦系统；

防止输油管道水击的措施

输油管道水击的特点

（1）一般情况下输油管道都会比较长，其主要特点就是要考虑到长距离输油管道的水击中会出现水击波传递过程中的阻尼现象。

（2）输油管道中会有中间泵站的突然停止输送是输油管道中产生水击的重要因素，对上下游站都存在不同程度的影响。对上游站传递的是增压波，对下游站是减压波，形成不对等的压波的出现，影响输油管运输造成重压水击。

输油管道水击的控制

对于水击过程的控制，就是为了控制在输送管道中出现的超压现象（超高压或是超低压）。其次为了减少管道运行中的参数的波动，保持管道在输油工作中能够较为平稳运行，输油管道的水击控制包含以下几种方式的控制保护。

（1）调节阀控制

调节阀又名控制阀是接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变介质流量、压力、温度、液位等工艺参数的最终控制元件，是阻力中可变元件。可以通过改变阀门的自身的开度，从而改变管道系统的工作执行，有效调控流量，改变当前的压力压强的方式。

（2）压力保护控制

在密封的采输油管道中，除了采用调节阀控制泵站进、出口压力外，还运输油管的压力保护装置，防止管道超压^【2】。

泄压阀：根据系统的工作压力能自动启闭，一般安装于封闭系统的设备或管路上保护系统安全。当设备或管道内压力超过泄压阀设定压力时，即自动开启泄压，保证设备和管道内介质压力在设定压力之下，保护设备和管道，防止发生意外。泄压阀可以准确且保持不变安全稳定压力，一旦超压，泄压阀能充分打开及时泄压，其次，关闭速度可作调整，维修方便等特点。其工作原理类似家中使用的压力锅。

回流保护：回流保护措施主要用于单泵或并联泵站进站压力超低限的保护。由于进、出站压差大，对于泵站进站压力变化范围小、自控水平比较低的管道，回流可以迅速调整进站压力，维持离心泵正常运行^【3】。

回流超前保护：瞬变过程的回流超前保护是建立在高度自动化基础上的一项保护技术。当管道发生水击时，能快速将信息向上、下游泵站发出信号，让上、下游泵站产生一个与传来的压力波相反的扰动，两波相遇后抵消^【4】，不至于对管道形成较大的威胁性压力。

提高管道设计强度

提高管道设计的强度就是为提高管道的安全性，规定了强度的设计系统，没有单位的一个数字。如果管道中各个点都能承受在没有保护措施的情况下水击出现产生的最高压，则不必考虑保护措施。

严格执行操作规程

在输油管道运行工作中为了防止人为操作不当而引起的故障，必须严格执行规范操作设备。要严格实施输油管道安全管理制度，加强安全知识的教育，从而减少危害的发生。

结束语

综上所述，产生水击的原因多种多样，所产生的危害也太不相同，通过计算水击波速方程等条件的分析，为后续输油管道提供理论支持。运用多种方法预防水击现象发生，加强管道材质合理使用，以及工作人员正确操作使用，从而减少或是防止水击的发生，为输油管道水击防护提供技术指导。

参考文献:

叶富艳.输油管道水击分析与防护[J].化工管理,2020(07):100-101.

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马新博,曹兴曙.输油管道水击分析[J].石化技术,2017(11)

田园.海底输油管道水力瞬变分析模型探究及水击保护[J].中国化工贸易,2017(8)