基于PIPENET的管道系统水击分析
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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.
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。
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第 37 卷增刊
石油工程建设
55
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基于 PIPENET 的管道系统水击分析
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张 伟，阎贵文
（中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院，北京 100028）
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.
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。
在本工况中暂不考虑紧急切断阀的工作， 只考 虑正常天气下关断阀 25s 关闭的工况。 本次模拟了 六种不同情况下管道内的水击分析， 具体情况见表 1 和图 4 ～ 9。
表 1 PIPENET 软件模拟工况表
阀门入 安全
序
安全阀 Cv
工况
口最大 阀开 备注
号
系 数 /(m3/h)
压力/MPa 度/%
1 无安全阀保护装置
[1] 王玮，马贵阳，孙志民.输油管网水击危害及其防治[J].油气田地面 工 程 ，2010，（3）：45-46.
[2] 华晔.压力管道中水击的介绍[J]. 中国科技财富，2008，（10）：113117.
[3] 范海峰，拜璐，楼凯，等.管 道 运 输 水 击 问 题 研 究 及 预 防[J].科 技 传 播 ，2010 ，（24 ）：214-215.
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：
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
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
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
[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
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。
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。
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。
—
2 安装安全阀于 NSV 阀前 200
3 安装安全阀于 NSV 阀前 100
4 安装安全阀于 NSV 阀前
50
5 安装安全阀于 NSV 阀前
10
2.087 1.41 1.42 1.43 1.82
— 见图 4 15 见图 5 28 见图 6 54 见图 7 100 见图 8
安装安全阀于管道的入
6
200
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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.
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。
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石油工程建设
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基于 PIPENET 的管道系统水击分析
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张 伟，阎贵文
（中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院，北京 100028）
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.
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
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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。
在本工况中暂不考虑紧急切断阀的工作， 只考 虑正常天气下关断阀 25s 关闭的工况。 本次模拟了 六种不同情况下管道内的水击分析， 具体情况见表 1 和图 4 ～ 9。
表 1 PIPENET 软件模拟工况表
阀门入 安全
序
安全阀 Cv
工况
口最大 阀开 备注
号
系 数 /(m3/h)
压力/MPa 度/%
1 无安全阀保护装置
[1] 王玮，马贵阳，孙志民.输油管网水击危害及其防治[J].油气田地面 工 程 ，2010，（3）：45-46.
[2] 华晔.压力管道中水击的介绍[J]. 中国科技财富，2008，（10）：113117.
[3] 范海峰，拜璐，楼凯，等.管 道 运 输 水 击 问 题 研 究 及 预 防[J].科 技 传 播 ，2010 ，（24 ）：214-215.
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：
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
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
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
[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
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。
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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。
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。
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2 安装安全阀于 NSV 阀前 200
3 安装安全阀于 NSV 阀前 100
4 安装安全阀于 NSV 阀前
50
5 安装安全阀于 NSV 阀前
10
2.087 1.41 1.42 1.43 1.82
— 见图 4 15 见图 5 28 见图 6 54 见图 7 100 见图 8
安装安全阀于管道的入
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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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ号更准确、 更安全、 更经济。 2.1 油码头装卸管道系统概况