管道水击保护

第七节管道水击保护

一、水击的产生

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，管道瞬变流动引起的压力波动称为水击。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。

二、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子与设备的设计强度，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。

水击保护方法有管道增强保护、超前保护与泄放保护三种。

1．管道增强保护

当管道各处的设计强度能承受无任何保护措施条件下水击所产生的最高压力时，则不必为管道采取保护措施。小口径管道的强度往往具有相当裕量，能够承受水击的最高压力。

2．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。

当管道末站阀门因误操作而全部关闭时，上游各泵站当即接受指令顺序全部关闭。某一中间泵站突然关闭时，则指令上游各泵站按照调节阀节流、关闭一台输油泵、关闭两台输油泵……的顺序动作，同时指令下游泵站也按照上述顺序动作。如果泵站装备调速输油泵机组，在调节阀节流与关闭一台泵两种动作之间，尚可增加调速泵机组降速运转动作。上述上、下游泵站调节阀的节流幅度，根据水击分析结果确定。当各泵站采取的动作已达到水击分析结果所定压力与流量要求时，即不再继续执行下一步保护动作。

3．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。

三、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。

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；

（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。

1．分析的主要目的

（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。

对输油管道的水及分析利用专门编制的计算机程序进行。

2．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。

3．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