管道的水击分析与计算
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。
5.5--水击现象概述
的传播速度c由阀门N处一直向管道进口M传播。经 时间 t L / c 传到管道进口，这时整个管道中压力 都升高到p+ph。液体受到压缩，密度增高，管壁膨 胀，这是一个减速增压的压缩过程。
2．压缩恢复过程
况下的压力降低了ph。此过程为减速减压的膨胀ห้องสมุดไป่ตู้
过程。
4．膨胀恢复过程
膨胀过程结束后，由于容器内的压力高于管道内
的压力，在压差的作用下，液体以速度v 流向管
内,最先使管道进口M处的压力恢复到正常情况。 然后压力的恢复由 M断面以水击波的传播速度c 向N断面传播。从关闭阀门时算起，经过时 间 t 4L / c ，完成了增速增压的膨胀恢复过程， 使整个管道中液体的压力、密度都恢复到了正常 值，完成了一个周期的水击变化过程。
水击简介
一、水击现象
当液体在压力管道中流动时，由于某种外界原 因（如阀门的突然开启或关闭，或者水泵的突然 停车或启动，以及其它一些特殊情况）液体流动 速度突然改变，引起管道中压力产生反复的、急 剧的变化，这种现象称为水击（或水锤）。
二、危害
①水击现象发生后，引起压力升高的数值，可能达 到正常压力的几十倍甚至几百倍，而且增压和减 压交替频率很快，反复的冲击会使金属表面损坏， 打出许多麻点，轻者增大了流动阻力，重者损坏 管道及设备，使其产生变形，严重时会造成管道 的破裂。
3．膨胀过程(惯性作用)
压缩恢复过程结束后，液体并不能停止流动，在
惯性的作用下，液体还将以速度v 继续向容器内
流动，阀门N-N处液体首先减少，使其压力由p降 低到p-ph。因而液体密度减小，体积膨胀，管壁 相应收缩，同时液体的流动速度也降为零。这一 膨胀仍以水击波速度c向M-M断面传播,如图 （c） 所示。从阀门关闭时间算起，经过时间t 3L / c 后， 使管道中的液体都处于膨胀状态，压力比正常情
输油管道系统水击分析与计算
输输油管道系统水击分析与计算陈鑫!鲁传敬李长俊谢军（上海交通大学）（西南石油学院）（上海交通大学）陈鑫鲁传敬等：输油管道系统水击分析与计算，油气储运，!""!，!#（#!）!$%!&。
摘要水击是输油管道系统中经常出现的一种不稳定流现象。
当管内压力由于水力瞬变而发生急剧变化时，如果某高点未出现因压力低于油品的饱和蒸气压而产生的负压汽化现象，则流动为单相流动，但如果出现负压汽化现象，则处于该点的管段内液体的流动就演变成了气液体两相流动，增大了水击分析的难度。
对管内单相流动和含气泡液体两相流动进行了水击分析，认为分析结果可以真实地反映油品在管内流动的规律，并且可以全面用于模拟和分析管道系统的各种工况，确保管道在安全的前提下优化运行。
主题词输油管道气液两相流水击数学模型分析计算随着输油管道向大型化、连续化和管网化的方向发展，输送过程日益复杂。
而且，在流体输送过程中，水击的发生会使管内某点压力过高或过低，使系统设备或性能遭到破坏。
因此，为了保证管道在安全的前提下优化运行，必须从初期的规划设计到后期的运行管理的每个环节，深入全面地掌握管道工况的动态变化规律，对管道系统进行水击分析及其数值模拟是十分重要的。
一、管道系统数学模型!、管元件模型按’()**(*)和+,-.*的推导，对于薄壁管，波速方程〔#〕可以表达为：!/"#!#（#0"#$%"#0&’"#()*!"）（#）式中!———波速，123；"#———油品体积弹性系数，45；!#———油品密度，6721$；$———管道外径，1；%———管材弹性模量，45；"———管壁厚度，1；#———系数，取决于管道约束方式；&’———液体内气相体积（在常压下）的百分含量；(———气体常数；)———油品温度，8；*———管内某处绝对压强，45。
（#）单相流动水击基本方程〔!〕运动方程：+#+#,0#+#-0#!##*#,0’3.9$0%!.+:+:/"（!）连续方程：#!#!!（+#*#,0#*#-）0#+#,/"（$）能量方程：;（/)）;-<*!!!!#;*;-/%:+$:!.<="$!#（)<)"）（=）式中+———油品流速，123；,———距离，1；-———时间，3；’———重力加速度，123!；$———管道倾角，（0）；%———摩阻系数；.———管道内径，1；/———油品热容，>2（67·8）；!!""!="，上海市闵行区上海交大建工学院1"##""?#班；电话：（"!#）@=A=@&A?。
成品油输送管道水击计算分析以及措施
成品油输送管道水击计算分析以及措施摘要：成品油长输管道启输或运行过程中，各类操作导致发生水击现象，引起管道区部超压、液柱分离等现象。
介绍输油管道水击发生的原因，计算分析华南管道压力异常上涨，验证管道发生水击详细情况。
分析管道水击预防措施，自动泄压、水击超前保护，提出各类工况优化。
关键词：成品油输油管道；水击计算分析；水击防护措施.管道水击产生原因和计算.成品油输送过程中，因流量变化、中间站启停下载、泵切换等情况，会使整个水力系统由一个稳定状态过渡到另一个稳定状态。
油品在管道因原有的流体惯性，在工况变化的过程中，液体流速发生改变引起的压力瞬变的过程中，进行能量转换，由原有的动能转变为压能，这就称为水击。
根据茹科夫斯基公式，由于液流速度的瞬时变化所引起的水击压力变化为P=ρa(v0-v)，式中ρ为液体密度，kg/m³；a为水击波在该管道中的传播速度，m/s；v0—正常输油时液体流速，m/s;v—突然改变后的液体流速，m/s；管道流速计算公式为v=，式中Q为管道内瞬时流量m³/s；R为管道内径 m。
压力波在管道传播速度取决于管壁的弹性和液体的压缩性，其关系为a=,式中E为管材弹性模量，Pa;D为管道内径，m；δ为管壁厚度，m；K为液体的体积弹性系数，Pa;对于一般的钢质管道，压力波在油品中的传播速度大约为1000~1200m/s。
二、成品油输送管道水击分析.管道不满流产生水击现象分析.输油管道启输时，管内油品由静态转变成动态，输油泵启动时，可作为油品状态变化瞬间。
当管道满流的情况下，管内油品因流体惯性，输油泵对油品进行均匀做功，此时油品流速变化小且管道内各处流速相等。
若管道内存有气体，当输油泵对油品做功时，因输油泵出口的气体惯性小，经由输油泵输出的油品速度提升快，同时对管内气体进行压缩，导致管道内油品流速不一致且不可控。
此时管道内油品部分流速快，部分流速慢，当流速不一的油品接触后，两股油品流速发生变化，引起压力瞬变，从而产生水击。
水击计算
水击计算当发生水击现象时，根据流体力学原理，压力管道中任一点的流速和压力不仅与该点的位置有关，而且与时间有关，这一不稳定状态将持续过渡到下一个稳定状态。
设在水平管内取出一段流体，在时间段△t 内，水击波从流体的一边传递到另一边。
水击波传播速度为a ，所以流体长度为△L= a △t 。
设原有的流速为V 0，水击波通过后的流速为V 0 –△V ，流速变化值为△V 。
压强也从原有的γH 增大到γ(H+△H)，同时流体密度和管道断面都有相应的变化。
根据冲量变化应等于动量变化的原理，即△ p △t = m △V[(γ+△γ)( H+△H)( A+△A)－γHA] △t=()g γγ∆+( A+△A) △L △V 忽略二阶微量，并且t L ∆∆ = a ，得： △H + H A A ∆ = ga △V 再忽略管道断面的变化，得出水击压头的增值为：△H = g a△V = g a(V 0 –V)式中：△H —— 水击压头 ，m ；a —— 水击波速 ，m/s ；V 0 —— 起始流速 ，0.91m/s ；V —— 终了流速 ，0m/s ；A —— 管内截面积，m 2 ；γ —— 流体的容重，kg/m 2. S 2；g —— 重力加速度 ，9.81m/s 2。
再根据连续方程，求得水击波速为：a = EeKD K +1ρ 式中： a —— 水击波速 ，m/s ；K —— 介质的体积弹性模量，1242MPa ；ρ —— 介质密度 ，856kg/m 3 ；D —— 管道内径 ， 0.208m ；e —— 管壁厚度 ，0.0052m ； E —— 管材的弹性模量，2.5×105MPa 。
a 约为 1100m/s 。
水击压头： △H = g a(V 0 –V) =81.91100× 0.91 = 102 m。
最大水击压强计算公式
最大水击压强计算公式水击压强是个挺有趣但也有点复杂的概念，咱们今天就来好好聊聊最大水击压强的计算公式。
先来说说啥是水击。
想象一下，你正在家里开心地用水管浇水，突然一下子把水龙头关掉，这时候水管里的水可不会立刻乖乖停下来，而是会产生一种冲击力，就像小脾气爆发一样，这就是水击现象。
那最大水击压强到底咋算呢？这就不得不提到一个公式啦：Δp =ρcv 。
这里面的Δp 就是咱们要找的最大水击压强，ρ是水的密度，c 是水击波的传播速度，v 是管内水流原来的速度。
就拿咱们生活中的例子来说吧。
有一次我去朋友家的果园帮忙浇水，他们用的是那种长长的塑料水管。
朋友着急去接电话，一下子就把水龙头给关死了。
结果，只听“砰”的一声，水管接头那里爆开了，水喷得到处都是。
后来我仔细琢磨了一下，这不就是水击闹的嘛！要是能提前算好最大水击压强，选个更结实的水管和合适的开关方式，也许就不会出现这尴尬的情况啦。
再深入讲讲这个公式里的各个元素。
水的密度ρ一般是个常数，大家都比较熟悉。
而水击波的传播速度 c 呢，它和管道的材料、直径、壁厚这些因素都有关系。
比如说，钢管和塑料管的 c 值就不太一样。
管内水流原来的速度 v 也很关键。
水流速度越快，产生的水击压强往往就越大。
这就好比开车，速度越快，急刹车的时候惯性带来的冲击力就越大。
在实际的工程应用中，比如在大型的输水管道系统或者化工厂的管道里，计算最大水击压强那可是非常重要的。
算错了，可能就会导致管道破裂、设备损坏，造成严重的经济损失和安全隐患。
所以啊，搞清楚这个最大水击压强的计算公式，真的能帮我们解决不少实际问题。
无论是在日常生活中，还是在专业的工程领域，都不能小瞧它的作用。
总之，最大水击压强的计算公式虽然看起来简单，但是背后的原理和应用可一点都不简单。
咱们可得好好研究，别让水击这个“小调皮”给咱们惹出大麻烦！。
55水击现象汇总
同时压力升高ph。然后相邻的另一层液体也停止了 流动，压力也相应升高ph。这种压力升高以水击波
的传播速度c由阀门N处一直向管道进口M传播。经 时间 t L / c 传到管道进口，这时整个管道中压力 都升高到p+ph。液体受到压缩，密度增高，管壁膨 胀，这是一个减速增压的压缩过程。
水击简介
一、水击现象
当液体在压力管道中流动时，由于某种外界原 因（如阀门的突然开启或关闭，或者水泵的突然 停车或启动，以及其它一些特殊情况）液体流动 速度突然改变，引起管道中压力产生反复的、急 剧的变化，这种现象称为水击（或水锤）。
二、危害
①水击现象发生后，引起压力升高的数值，可能达 到正常压力的几十倍甚至几百倍，而且增压和减 压交替频率很快，反复的冲击会使金属表面损坏， 打出许多麻点，轻者增大了流动阻力，重者损坏 管道及设备，使其产生变形，严重时会造成管道 的破裂。
由于流体的惯性作用，管中流体仍以速度v向下 流动，但阀门关闭，流体被阻止，于是又重复刚 才的过程。
五、水击压强计算
控制体轴向合外力： ( p ph )A pA ph A
控制体内流体轴向动量变化： m(v2 v1) Ac(dtA
Ac(dt)v
dt
Acv
得水击压强： ph cv
六、消除水击的措施
① 尽可能的延长阀门的启闭时间，缩短管道长度。
② 减小流速。（一般液压系统中最大流速限制在5～7m/s 左右,给水管网中3m/s）。
③ 采用过载保护，在可能产生水击的管道中装设安全阀、 调压塔、溢流阀和蓄能器等以缓冲水击压力。
④ 增加管道弹性，例如液压系统中，铜管和铝管就比钢 管有更好的防水击性能，或采用弹性较大的软管，如橡胶 或尼龙管吸收冲击能量，则可更明显地减轻水击。
水击
1 水击及其危害水击是压力管道中一种重要的非恒定流。
当压力管道中的流速因外界原因而发生急剧变化时，引起液体内部压强迅速交替升降的现象，这种交替升降的压强作用在管壁、阀门或其他管路元件上好像锤击一样，称为水击。
水击引发的压强的升高或降低，有时会达到很大的数值，处理不当将导致管道系统发生强烈的震动，引起管道严重变形甚至爆裂。
因此，在压力管道引水系统的设计中，必须进行水击压力计算，并研究防止和削弱水击作用的措施。
2 水击压力防护措施为确保管道安全运行，除在设计中慎重考虑外，更应加强管理，制定和遵守严格操作规程。
水击压力计算公式表明：影响水击压力的主要因素有阀门起闭时间、管道长度和管内流速，因此，可针对以上因素在管道工程设计和运行管理中采取以下措施来避免和减小水击危害。
（1）操作运行中应缓慢启闭闸门以延长闸门启闭时间，从而避免产生直接水击并可降低间接水击压力。
（2）由于水击压力与管内流速成正比，因此在设计中应控制管内流速不超过最大流速限制范围。
但有时管道中的流量是一定的，管径一般由动能经济计算确定，减小流速意味着加大管径。
用减小流速的办法降低水击压强，往往是不经济的，一般并不采用。
但在一定的条件下，例如适当的加大管径可以免设调压井时，采用这一措施可能是合理的。
（3）由于水击压力与管道长度成正比，因此在设计中可隔一定距离设置具有自由水面的调压井或安装安全阀和进排气阀，以缩短管道计算长度并消减水击压力。
减压阀适用于引水管道较长和不担任调频任务的中小型水电站是比较经济的。
但由于减压阀在电站机组增加负荷时不起作用，不能改善电站运行的稳定性，电站在变动小负荷（机组额定出力15％以下）时减压阀不动作，因而恶化了机组的速动性，这种一般采用调压井减小水击压强。
水击压头H=a•△V/g= a•(V0－V)/g其中：V0－水击前的流速，米/秒V－水击后的流速，米/秒g－重力加速度，米/秒2a－水击波传播速度，米/秒，与管径、壁厚、管道材质、管道弹性模量、介质密度、介质的体积弹性系数、管道的固定情况有关可见，对输送某种介质的某条管道，水击压头的大小与水击时管道流速的变化量成正比（注意流速应有方向性，假设某方向为正，即反方向应为负）第四节输油管道中的水击一、水击产生的原因及其危害水击现象，是指在压力管路中，由于某种原因而引起流速变化时，引起的管内压力的突然变化。
直接水击的计算公式
直接水击的计算公式
水击按阀门启闭时间和波的往返传播时间的关系可分为直接水击和间接水击。
若阀门关闭时间T8≤2L/c，在来自进口的反向波到达管末端前，阀门已关闭，管末端水击只受正向波影响，此压力过程称为直接水击。
这时v=0，F（t+x/c）=0，由上两式得直接水击计算公式：ΔH=cv0/g。
若阀门关闭时间T8>2L/c，在来自进口的反向波到达管末端前，阀门尚未关闭，这时水击是由阀门处产生的正向波和从上游来的反向波叠加而成，此压力过程称为间接水击。
间接水击的计算有解析法(用连锁方程求解)、图解法和特征线法等。
对简单管道，可采用前两种方法，对边界条件复杂的管道采用后一种方法利用电子计算机计算较为方便。
设计某些管道应考虑水击压力，必要时可在管道适当的位置设调压塔或减压阀，以削减水击压力，防止管道破坏事故。
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。
5.5 水击现象概述
三、应用
水锤泵（又称水锤扬水机）就是利用水击压力变化反复工作的，
且不需要任何其它动力设备。
四、水击的传播过程
长度为 L的管道，上游M点连接水池，下游N点装有 闸门，水击前管道内的流动速度为v。 1．压缩过程 阀门突然关闭，首先在 N-N断面上液体停止了流动， 同时压力升高ph。然后相邻的另一层液体也停止了 流动，压力也相应升高ph。这种压力升高以水击波 的传播速度c由阀门N处一直向管道进口 M传播。经 时间 t L / c 传到管道进口，这时整个管道中压力 都升高到p+ph。液体受到压缩，密度增高，管壁膨 胀，这是一个减速增压的压缩过程。
4．膨胀恢复过程 膨胀过程结束后，由于容器内的压力高于管道内 的压力，在压差的作用下，液体以速度v 流向管 内,最先使管道进口M处的压力恢复到正常情况。 然后压力的恢复由 M断面以水击波的传播速度c 向N断面传播。从关闭阀门时算起，经过时 间 t 4 L / c ，完成了增速增压的膨胀恢复过程， 使整个管道中液体的压力、密度都恢复到了正常 值，完成了一个周期的水击变化过程。 由于流体的惯性作用，管中流体仍以速度v向下 流动，但阀门关闭，流体被阻止，于是又重复刚 才的过程。
水击简介 一、水击现象
当液体在压力管道中流动时，由于某种外界原 因（如阀门的突然开启或关闭，或者水泵的突然 停车或启动，以及其它一些特殊情况）液体流动 速度突然改变，引起管道中压力产生反复的、急 剧的变，这种现象称为水击（或水锤）。
二、危害
①水击现象发生后，引起压力升高的数值，可能达
到正常压力的几十倍甚至几百倍，而且增压和减 压交替频率很快，反复的冲击会使金属表面损坏， 打出许多麻点，轻者增大了流动阻力，重者损坏 管道及设备，使其产生变形，严重时会造成管道 的破裂。 ②压力的反复变化会使管壁及设备受到反复的冲击， 发出强烈的振动和噪音，尤如管道受到锤击一样， 故又称为水锤。
水击压力的计算和防护
水击压力的计算和防护1、水击及其危害水击是压力管道中一种重要的非恒定流。
当压力管道中的流速因外界原因而发生急剧变化时，引起液体内部压强迅速交替升降的现象，这种交替升降的压强作用在管壁、阀门或其他管路元件上好像锤击一样，称为水击。
水击引发的压强的升高或降低，有时会达到很大的数值，处理不当将导致管道系统发生强烈的震动，引起管道严重变形甚至爆裂。
因此，在压力管道引水系统的设计中，必须进行水击压力计算，并研究防止和削弱水击作用的措施。
2、管道水击计算管道水击计算时，管道的计算长度就是从阀门开始到上游离它最近的安全阀（调压井）之间的距离，阀门的关闭时间按按照操作规程确定。
水击类型判别由计算管段长度和水击波速可计算出水击波在管路中往返一次所需的时间，即水击相时；然后根据阀门关闭历时与水击相时确定水击类型，即直接水击或间接水击。
当阀门关闭历时等于或小于一个水击相时，瞬时关闭阀门所产生的水击为直接水击，否则为间接水击。
将管道中正常计算的压力水头加上水击产生的压力水头，就是管道中压力水头的值，是用来控制管道级别的重要数据。
3、水击压力防护措施为确保管道安全运行，除在设计中慎重考虑外，更应加强管理，制定和遵守严格操作规程。
水击压力计算公式表明：影响水击压力的主要因素有阀门起闭时间、管道长度和管内流速，因此，可针对以上因素在管道工程设计和运行管理中采取以下措施来避免和减小水击危害。
（1）操作运行中应缓慢启闭闸门以延长闸门启闭时间，从而避免产生直接水击并可降低间接水击压力。
（2）由于水击压力与管内流速成正比，因此在设计中应控制管内流速不超过流速限制范围。
但有时管道中的流量是一定的，管径一般由动能经济计算确定，减小流速意味着加大管径。
用减小流速的办法降低水击压强，往往是不经济的，一般并不采用。
但在一定的条件下，例如适当的加大管径可以免设调压井时，采用这一措施可能是合理的。
（3）由于水击压力与管道长度成正比，因此在设计中可隔一定距离设置具有自由水面的调压井或安装安全阀和进排气阀，以缩短管道计算长度并消减水击压力。
海洋管道输送过程中的水击计算分析
一 ３．
海洋管道输送过程 中的水击计算分析
王立佳 ，杨宇航 ，蔡广远 ，刘飞龙 ，王东
（ 海洋石油工程股份有限公司 。 天津 ３ ０ ５ ） ０ ４ １
［ 要］ 研究 了 摘 管道 系 统的水击特性并用ＰＰＮＴ ＩＥＢ软件对ＭＤＣＦＳ海水 系统管道关阀时造成的水击现象进行 了分析 。结果表 ＯＥ Ｐ０ 明，不 同的关阀方案对管道 系统造 成的冲击程度 不同，关阀时间越短，管线的水锤效应越大。为保证管道 系统的生产安全 ，
ＣＡ ＋ｔ ｊ（ 【 云
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１ 经典水击数学模型 ［ １ 】
水 击现 象 是 一种 特 殊 的非 恒 定 流 ，现 有 的 水
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击 理 论主 要 是 将 一 维 非恒 定流 的基 本 微 分 方 程 组 进 行 具体 化 处 理 后 ，得 到 适用 于水 击 问题 的基 本 方 程 ，即水 击 分 析 计 算 的 数 学模 型 ，并 在 此 基 础 上发 展 了各种水 击 分析计 算方法 。 １０ 年 ， 意大 利 学 者 阿 维 列 以严 密 的数 学 方 ９２ 法 ，建 立 了不 稳 定 流 动 的 基 本 方程 ， 即运 动 微 分 方 程 和 连 续性 微 分 方 程 ，奠 定 了水击 分 析 的理 论
＝
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水击
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三、一个中间泵站突然停运时的水击特点
三、一个中间泵站突然停运时的水击特点
三、一个中间泵站突然停运时的水击特点
三、一个中间泵站突然停运时的水击特点
气体逸出和液柱分离
四、密闭输送管道的事故保护
输油管道中发生的水击，从产生的原因有许多种，但
对管道与设备安全构成威胁的有两种：
（1）中间泵站因为动力中断，输油泵突然全部关闭， 在停泵站进口侧产生高压波，停泵站出口侧产生低压波；
对于事故引起的流量变化，产生的瞬变流动剧烈程度，
取决于事故本身的性质。如果压力变化引起的瞬变压力 超过管道允许的工作条件，就需要对管道系统采取相应 的调节与保护措施。
二、水击计算的基本公式
1、水击压力 由于液流速度的时变化所引起的初始水击压力值可按 下式计算：
p a（v 0 - v）
五、干线检漏
（1）、压力坡降法检漏 （2）、压力波法检漏
谢谢大家!
输油管道中的 水击
新疆油田油气储运公司 2012年5月25日
主要内容
一、水击产生的原因及危害 二、水击计算的基本公式 三、一个中间站突然停运时的水击特点 四、密闭输送管道的事故保护
一、水击产生的原因及危害
水击现象：指在压力管道中，由于某种原因而引起流速
变化时，引起管内压力的突然变化。造成压力波在管内的迅
所不同的是利用外加氮气系统，适用于各种油品，缺点是
需要一套复杂的氮气系统，投资和运行费用较高。
四、密闭输送管道的事故保护 （ 1）、泄放保护
泄放阀参数的计算在于根据阀的口径及所定压力给定 值确定其泄放量，计算公式如下：
Ps Q 0.0865KF 式中 Q —泄放阀泄放能力，d m3/h；
水击
在管壁材料强度允许的条件下，应当选用直径较大， 管壁较薄的水管。
水击波传播的速度
根据质量守恒原理可推导出水击波的传播速度
c
c0
(1 D K )
E
c：0 声波在水中的传播速度 c0 1435m/s
K——液体的弹性系数 E、D、δ——管壁材料的弹性模量、管径、管壁厚度
2、减压顺波
H
c H
B
v0
v=0 A
L
阶段 时段
速度 变化
流速方向
压强变化
水击波 传播方向
运动状态
液体状态
(b) L/c<t<2L/c 0 → -v0 阀门→水库 恢复原状 水库→阀门 减速减压 恢复原状
h0
B
v0
A
L
时刻
全管速度
全管压强 水头
水击波 到达
t=2L/c
v= -v0
H
A点
液体状态
v= v0
h0
A点
复原
状
态
阶段 时段
速度 变化
流速方向
压强变化
水击波 传播方向
运动状态 液体状态
(a) 0<t<L/c v0→0 水库→阀门 增高p 阀门→水库 减速增压 压缩 (b) L/c<t<2L/c 0 → -v0 阀门→水库 恢复原状 水库→阀门 减速减压 恢复原状 (c) 2L/c<t<3L/c -v0→0 阀门→水库 减低p 阀门→水库 增速减压 膨胀
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 ，
输油管道的水击分析
2L c
，称为一个相长。往返两次
的时间4 L 2 T 称为一个周期。式中a为水击波的波速，L为管道的长度。
c
输油管道
流速方向
一
0t Lc v0 0
水库 阀门 即B A
二
Lct2Lc
0v0
阀门 水库 即A B
三
2Lct3Lc v0 0
阀门 水库 即A B
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。
恢复原状
水击的分类： 根据闸门关闭（或开启）的时间Ts与相长T的比值
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）。
击）：
P P C C(V V00V g)CV0gC(V0V)
防止水击的措施
（1）输油管道水击的特点
1）对长距离输油管道的水击要考虑水击波传递过 程中的阻尼现象。
管道水击问题分析计算及预防
2 0 0 6年 第8期 式中 � � � 设计安全系数 � 0 . 7 2 4� � � � 焊接系数 � " � � � 材料的屈服极 限 � � �
刘
宏� 管道水击问题分析 计算及预防 8 5 起的直接水击可高达 1 可见水击压强是很大的 � 0 0 � 水柱 ,
总第 1 2 4期 2 0 0 6 年第 8 期
西部探矿工程 �E � �-CH I NAE � P L O RA � I O NE N G I N E E R I NG
� � � � � �N � . 1 2 4 A � . 2 0 0 6 �
����������������������������������������������������� 文 章编 号 � 1 0 0 4�5 7 1 6( 2 0 0 6) 0 8�0 0 8 4�0 2 中 图分类 号 � � � 9 9 1 . 3 6 文献 标识 码 � B
1� 事故 � 也可能出 现这 种波 动压 力与 其它 周期 现象 发生 共振 � � � 2 性的传播过程中 � 以阀门 的突然 关闭为 例 � 把 水击的 传 播过程分为 4 个阶段 � 第一阶段增 压波反 向传递 � 这时 全管液 体 处于被压缩状态 � 第二阶段减压波 正向传 递 � 整个管道 的液流 变 到正常压强 � 第三阶段减压波反向传递 � 全管处于瞬时低压 状态 � 当压强低于该温度下的液体的 汽化压 强时 � 会产 生汽化 现象 � 水 柱被拉断 � 待正压波到来时 � 两侧液流因对流而碰撞 � 压力骤然升 高 � 第四阶段增压波正向传递 � 全管恢复到起始正常状态 � 水击 现象将重复上述 4 个阶段 � 而这 4 个阶段是联系在一起的 � 在水击的传播过 程 中 � 管道 各断 面的 流速 和压 缩都 随时 间 周期性地升高或降低 � 所以 � 水击过 程是非 恒定流 � 如 果水击 传 播过程没有能量损失 � 水击波将一直周期性地传播下去 � 但实际 上� 液 体在运动过程中的粘性摩擦 及液体 和管壁 的形变作 用 � 能 量不断损失 � 因而水击压强迅速衰减 � � 水 击压强计算
第六章 水击
四、水击压力的计算
当阀门突然关闭时，停下来△S 段液体的质量为ρA△S，这部分液体由于 阀门的阻挡和后面液体的惯性作用而被压缩，增大的总压力为△pA。由 动量原理可以得出
水击压力传播速度
——产生直接水击时的水击压力计算公式。
其中，
五、水击压力的预防 水击压力的危害很大，在管路设计时应力图避免直接水击压力 的产生。但在有些情况下仅仅依靠管路的设计达不到预防水击 的目的，因此工程中采取以下方法避免和减缓水击。 1、延长开关阀门的时间，避免产生直接水击。 2、在阀门前加空气包，吸收水击能量。 3、阀门前加安全阀，防止管路崩裂。
v= -v0 , p= p0 , ρ= ρ0 , D=D0 t=1l/c～ 2l/c称为水击波的第二阶段。 水击波从阀门断面出发，又回到阀 门断面，称为水击的一相。相长 Tr= 2l/c
水击波传播 的第三阶段-减速减压
在t2=2l/c时刻，由于水流的惯性，管中的液体仍然向液罐倒 流，而阀门仍然关闭无液体补充，以致阀门端的液体首先停 止运动，速度由-v0变为零，引起压强降低、密度减小与管壁 收缩。这个减速减压波由阀门向上游传播，当阀门关闭后 t3=3l/c 的时刻，减压波传递到管子入口处，全管内液体处于 低压的静止状态，管子由于抽吸负压处于收缩状态。此时， 液罐内压力高于管子内压力，又失去压力的平衡。
所以水击属于直接水击。 阀门未关闭前管中水的正常流速为 于是所产生的最大水击压力为
由于水和管道都弹性体，在很大的水击压强作用下第一层液体 段产生两种形变，即液体的压缩及管壁的膨胀。 因此阀门突然关闭时，管道内的液体就不是在同一时刻全部停 止流动，压强也不是在同一时刻同时升高。而是靠近阀门的第 一层液体首先停止流动，与之相邻的第二层及其后续各层液体 相继逐层停止流动，同时与之相应的这段管材也要膨胀,同时 压强逐层升高，由于液体依序停止而形成的高低分界面，依次 向液罐方向传递，传递速度为c,即以弹性波的形式由阀门迅速 传向液罐方向。这种由于水击而产生的弹性波，称水击波 (Water Hammer Pressure Wave)。
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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。
该压力脉动从扰动点沿管道上下游传播，即引起管道的瞬变流动，管道瞬变流动引起压力波。
管道产生瞬变流动，流量变化量越大，变化时间越短，产生的瞬变压力波动越剧烈。
管道产生水击主要是由于管道系统事故引起的流量变化造成的。
引起管道流量突然变化的因素很多，基本上可分为两类：一类是有计划的调整输量或切换流程；另一类是事故引起的流量变化，如泵站突然停泵、机泵故障停泵、进出站阀门或干线截断阀门故障关闭、调节阀动作失灵误关闭等原因。
另外，对于顺序输送的管道，两种油品的交替过程，也会在管内产生瞬变流动。
对于有计划调整流量或改变输送流程，可以人为地采取措施，防止或减小压力的波动，使产生的压力波动处于允许的范围之内。
对于事故引起的流量变化，产生的瞬变流动剧烈程度，取决于事故本身的性质。
如果压力变化引起的瞬变压力超过管道允许的工作条件，就需要对管道系统采取相应的调节与保护措施。
Ⅱ水击保护方法水击保护的目的是由事先的预防措施使水击的压力波动不超过管道与设备的设计强度，不发生管道内出现负压与液体断流情况。
保护方法按照管道的条件选择，采用的设施根据水击分析的数据确定。
现代常用的水击保护方法有管道增强保护、超前保护与泄放保护三种。
一．管道增强保护预先计算管道中可能出现的最大水击压力，采用适当的钢材或制造工艺保证强度。
这是从制造工艺方面进行的防护，因此可能受到比如钢材，制造方面的限制。
二．超前保护超前保护是在产生水击时，由管道控制中心迅速向上、下游泵站发出指令，上、下游泵站立即采取相应保护动作，产生一个与传来得水击压力波相反的扰动，两波相遇后，抵消部分水击压力波，以避免对管道造成危害。
超前保护是建立在管道高度自动化基础之上的一项自动保护技术。
三．泄放保护泄放保护是在管道的一定地点安装专用的泄放阀，当出现水击高压波时，通过阀门从管道中泄放出一定数量的液体，从而削弱高压波，防止水击造成危害。
泄放阀设置在可能产生高压波的地点，即首站和中间泵站的出站端、中间泵站和末站的入口端。
Ⅲ管道的水击分析管道中各截面上液体流速和压力不随时间变化的液流为稳定流，反之叫不稳定流。
在输油过程中，不存在绝对的稳定流，只是当液流的压力与流量不随时间有较大的变化时即可认为是稳定流。
旁接输油的输油管道，泵站之间都为独立的水力系统，受旁接罐的调节，压力与流量基本上是稳定的，即为稳定流。
密闭输送管道全线是一个整体水力系统，任何一个泵站压力与流量的变化，都使全线压力与流量在瞬间发生相当程度的压力波动。
水击严重时，对管线与设备可能造成损害。
所以，密闭输送管道都必须对可能产生的水击现象进行分析，并采取相应保护措施。
一．水击对输油管道与设备安全构成威胁的主要有两种：1．中间泵站因为动力中断，输油泵突然全部关闭，在停泵站进口侧产生高压波，停泵站出口侧产生低压波；2．干线截断阀或中间泵站因误操作进站阀门突然关闭，阀前产生高压波。
水击时的高压波与低压波分别沿管道传播，高压波与管道中原有输油压力叠加产生异常的高压力，低压波则可能在管道造成负压。
以上两种水击是密闭输送输油管道需要重点进行分析和保护的。
二．管道分析的主要目的如下：1．在上述两种水击状态下，无任何水击保护措施时，分析输油管道各处在任何时间所出现的最高与最低压力，以确定是否需要采取保护措施；2．当采取某种水击保护措施时，分析输油管道各处在任何时间所出现的最高与最低压力，以判断保护措施是否得当。
三．管道分析所提供的成果：1．无任何保护措施情况。
中间泵站突然关闭时，管道各处在任何时间的最高与最低压力线图(也称包络线图)；末站关闭时，管道各处任何时间的最高与最低压力线图。
2．采用泄放阀保护情况。
当中间泵站突然关闭及末站突然关闭时：管道各处任何时间的最高与最低压力线图；各中间泵站压力-时间曲线；各中间泵站流量-时间曲线；泄放阀泄放速率；泄放阀累积泄放量。
3．采用超前保护。
中间泵站突然关闭与末站突然关闭。
管道各处任何时间的最高与最低压力线图；各中间泵站压力-时间曲线；各中间泵站流量-时间曲线。
四．分析所需基础数据计算机进行管道瞬变流动分析需要利用反映管道各种特征的一系列数据。
所需要的数据一般如下所列：1．管道输送量规定设计输送量、计算输送量。
2．原油物性密度、凝点、运动粘度-温度数据组、反常点、流变指数、稠度系数等。
3．管道参数线路纵断面(高程-里程)数据组，各泵站间距、管径、壁厚、管壁粗糙度，钢材屈服极限，保温层厚度、保温层导热系数，地温、管道总传热系统等。
4．管道主要设备布置简图输油泵台数及工作方式（并、串联），加热炉台数，全线各泵站输油泵、调节阀、加热炉及泄放阀的相互连接关系图，泵站内部局部摩阻值及其分布。
5．设备特性（1）输油泵型号，泵额定流量、扬程与效率，泵转矩与转速惯性矩；（2）加热炉额定流量时压降；（3）调节阀型号、阀额定流量时压降、全行程时间、调节特性、调节器的特性系数；（4）泄放阀给定压力值、不同超压百分数时的流量系数。
6．设计给定值（1）泵站进、出站压力给定值，越站输送时各泵站的压力限制；（2）泵站进站油温。
7．所选择的水击保护方式。
Ⅳ水击控制及保护设施一．调节阀管道系统中的调节阀是一种阻力可变的截流元件，通过改变阀门的开度，改变管道系统的工作特性，实现调节流量、改变压力的目的。
调节阀由两部分组成：执行机构和调节部件。
执行机构的参数决定阀门开度的变化过程，调节部件（节流元件）的参数决定了阀门的水力特性。
一般泵站的出站端设置调节阀，用于调节流量和调节管道水击过程中管道系统的压力波动，防止管道进站压力过低和出站压力过高，维持管道的正常运行。
调节阀的动作为：当出站压力高于限定值时，调节阀向关闭方向动作，使出站压力下降；当进站压力低于限定值时，调节阀同样向关闭方向动作，使进站压力升高；管道的进出站压力均未超出限定值时，调节阀保持全开状态。
二．泄压阀泄压阀是保护管道安全的重要设备，要求运行安全可靠，便于维修，使用寿命长，保证管道的安全运行。
泄压系统一般由三部分组成：泄压阀、泄压罐和连接管道。
目前输油管道应用较广的泄压阀有三种类型，即先导式泄压阀、氮气胶囊式泄压阀和氮气轴流式泄压阀，其压力泄放效果都能满足管道的要求。
胶囊式泄压阀是利用外加氮气系统设定泄压阀的泄放设定值，需要一套复杂的氮气系统，结构复杂，体积大。
胶囊式泄压阀内胶囊易老化，需要定期更换。
另外，在管道投产初期，管道内含有较多的杂质，如焊渣、焊接熔结物以及其它杂物，当泄压阀泄放时，高速泄放的液体中夹杂的杂质可能划伤胶囊。
但是胶囊式泄压阀对输送介质的粘度和凝点没有特殊要求，适用于高粘油品。
先导式泄压阀是依靠阀体内部的导阀来开启的，其结构简单，安装方便，不需要额外的辅助设施，输送介质粘度大于50mm/s2以上时不适用，先导式泄放阀的缺点是不适用于高粘油品，由于先导式泄放阀的导管较细，高粘油品易在导管内粘结，影响泄放效果。
氮气式轴流泄压阀的结构原理类似于先导式泄压阀，所不同的是利用外加氮气系统，适用于各种油品，缺点是需要一套复杂的氮气系统，投资和运行费用较高。
泄放阀选型方法为先按照经验初选泄放阀口径，将阀的参数输入水击分析程序进行运算，如果分析结果表明保护效果符合要求，则所选泄放阀型号与口径适合；否则，应重新选取泄放阀口径，并进行计算，直至满意为止。
泄放阀参数的计算在于根据阀的口径及所定压力给定值确定其泄放量，计算公式如下：(1-1)式中：Q —泄放阀泄放能力，m3/h；P s—给定值，kPa；D—油品相对密度；K—粘度修正系数，按照液体的粘度大小取0.7～0.9,粘度高者取较小值；F—流量系数，随泄放阀口径与超过压力给定值的百分数而异。
一般情况下，超过压力给定分数取10%。
流量系数还与泄放阀的构造有关。
下表列出美国格罗夫(Grove)阀门厂生产的887型中、低与高压泄放阀的流量系数值(中低压型入口耐压Class150、高压型入口耐压Class600)。
表1 泄放阀流量系数(中低压型/高压型)阀口径 英寸 超过压力给定值百分数 10% 13% 15% 20% 30% 42% 55% 6. 141/90 169/108 186/119 225/144 282/180 338/215 395/252 8. 250/187 300/225 330/247 400/300 500/375 600/450 700/525 10. 346/232 415/277 457/305 554/370 692/462 831/555 970/647 12.505/335606/402666/442808/5361010/6701212/8041412/938Ⅴ水击计算一．水击波的压强增值在已知水击波传播速度c 的条件下，压强增量∆p 与流速大小V 增量的关系为：V c p ∆-=∆ρ， (1-2)二．水击波的传播速度和水击压强计算由牛顿运动定律，物体改变其运动状态，必然是外力作用的结果。