输油管道的水击分析

输油管道的水击分析
直接水击——当T s 间接水击——当 短有关
Ts
2L a
2L a
时，阀门处的压强不受阀门关闭时间长短的影响 或L
a Ts 2
时，阀门处的压强与阀门关闭时间的长
工程设计中减小水击压强的措施： 合理选择参数，并尽可能延长阀门调节时间，以避免产生直接水
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。
p 1 a (V 0 V 1 )
p 2 a (V 1 V 2 )
△t2时段
H0
p0
g
V0
若 T s
2L a
n
则阀门处
p

i 1 n
pi aV0
直接水击 L
若 T 2 L 则阀门处 s
a
p

i 1
pi aV0
间接水击
则阀门处将不可能升到阀门突然关闭时 若 T 2L 那样高的水击压强 s
p a (V 0 V )
H
p
g
p

a g
(V 0 V )
当阀门突然完全关闭时，V=0，则有
p aV0
H
g

a g
V0
例如某压力引水钢管内水击波传播的速度a=1000m/s，设流速由6 m/s减少 到零时，阀门突然关闭时的压强水头增量为
H
1000 9 .8
增高
减速增压
压缩
二
0 v0
v0 0
恢复原状
减速减压
恢复原状
三
2 L c t 3L c
阀门 水库 即A B
水库 阀门 即B A
降低
阀门 ---水库 即A ---B
水库--- 阀门 即B--- A
增速减压
膨胀
四
3L c t 4 L c
0 v0
恢复原状
增速增压
6 600m
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根据质量守恒原理可推导出水击波的传播速度
K a 1 D E ) 1 K E

D
(
1 K

)
K、ρ——液体的体积模量、密度 E、D、δ——管壁材料的弹性模量、管径、管壁厚度
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以苏南管道为模型，对压力波速度进行计算：
K a 1 D E ) 1 K E 9 .1 6 1 0 = D 730 1+ 9 .1 6 1 0 0 .3 9 2 2
8 8


(
1 K

)
2 .0 7 1 0 7 1 0
9
-2
1-0 .3
2

=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。
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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 ， △t1时段
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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
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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。 有压管中的非恒定流动，称为有压非恒定流动。
c
T
2L
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阶段 时段 流速变化 流速方向 水库 阀门 即B A 阀门 水库 即A B 压强变化 水击波 传播方向 阀门 ---水库 即A ---B 水库--- 阀门 即B--- A 运动状态 液体状态
一
0 t L c
L c t 2L c
v0 0
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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。 当水击波传播到水库或水池，水击波将发生反射，这种反射波是等值异号反 射，即入射的是增压波，反射将减压波，反之亦然。水击波传播到阀门处将产生 等值同号反射，即入射的是增（减）压波，反射的也是增（减）压波。由于摩擦 阻力的作用，水击波在管道内的传播将逐渐衰减，最后达到平衡状态。 水击波在阀门和水库之间往返一次所需的时间 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。
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1）调节阀控制 管道系统中的调节阀是一种阻力可变的节流元件。 通过改变阀门的开度，可以改变管道系统的工作特性， 从而实现调节流量，改变压力的目的。 2）压力保护控制 采用密闭输送流程的管道，除采用调节阀控制泵站 进、出口压力外，还使用压力保护装置，用于防止管道 超压。 泄压阀：泄压阀系统作用是当管道系统产生扰动时，在 超压点把部分甚至全部液体泄放到常压罐中，以减轻瞬 变压力波动，防止瞬变压力造成的危害。泄压系统一般 由三部分组成：泄压阀、泄压罐和连接管道。
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（2）输油管道水击的控制 对于水击过程的控制，其目的是避免管道超压（包 括超高压或超低压）；二是减轻管道运行参数的脉动， 维持管道的平稳运行。用于控制水击过程的装置和措施 很多，根据其作用原理可分为两类： 一类是从改变流速变化过程的角度考虑，如采用气 体缓冲罐、水击罐等，设计合理的阀门开、关程序和停 泵控制过程，减缓流体瞬变过程。例如在停电站上、下 游的泵站上停一台泵，以适应事故站的流量变化等。另 一类是使用各种压力保护设备，防止管道超过允许工作 压力。如各种泄压装置、回流保护系统和逻辑控制顺序 停泵技术等。
V=0 V0 V0
t
g p g
a
p0
g
p
H0
g
H0
流速由0 →V0 ， 压强增加，恢复原状， 管壁恢复原状
V0 V0 V0
t 3L a
g
p0
g
V0=0
3L a
V0
V0=0
4L a
B
t
2L a
A
B
L
t
A
L
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水击压强的计算（直接水击）
依动量定理可推得：
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水击计算基本公式 液体流速瞬时变化所引起的初始水击压力（直接水 击）： P C (V V ) C (V V )
0
P CV
0


g
g
0
CV
0
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。 2）中间泵站突然停输是长输管路中产生水击的主 要原因，其对上游站和下游站的影响各不同，对上游站 传递的是增压波，对下游站是减压波。
阀门突然关闭时有压管道中的水击的物理过程
a
p
a
p
g
g
Biblioteka BaiduH0
流速由V0→0， 压强增加△p， 管壁膨胀
V=0 V0
L a
p0
g
H0
流速由0 → -V0 ， 压强减小，恢复原状， 管壁恢复原状
V0 V0
t 2L a
p0
g
V0
B
t 0 t
A
B
L
t
L a
A
L
p
p
a
流速由-V0→0， 压强降低△p， 管壁收缩
水击（或称水锤）是有压管中的一种重要的非恒定流现象。
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。 有压管中的非恒定流动，称为有压非恒定流动。 水击（或称水锤）是有压管中的一种重要的非恒定流现象。 这种压强的交替升降，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振动，管道严重变形甚至爆裂。
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回流超前保护： 瞬变过程的超前保护是建立在高度自动化基础上的 一项保护技术。当管道发生严重扰动时，为了防止在压 力波传递过程中造成管道压力超限破坏，由扰动源通过 通信系统迅速向上、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，不至于对管道形成威胁性压力。 对于泵站之间管道上某些特殊位置（稳定运行时， 动水压力接近管道允许强度限或动水压力最低的位置）， 超前保护可防止其超压。
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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。
泵机组顺序自动停运：是建立在泵站逻辑控制基础上的 一种保护措施。该措施主要用于泵站吸入压力超低，或 出站压力超高的保护。停运泵机组是人为造成的扰动。 这样，降低了泵站提供的能量，减少了泵站的通过能力， 使出站压力下降，进站压力上升。这种措施主要用于采 用串联泵机组的泵站。
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）。