某回流管道与阀体出现砂眼的理论分析与对策

崔 正，寇子建，张 彪

(中海石油(中国)有限公司 天津300452)

某回流管道与阀体出现砂眼的理论分析与对策

崔 正，寇子建，张 彪

(中海石油(中国)有限公司 天津300452)

中海石油(中国)有限公司某平台生产水前滤水罐通过自动调节阀开关控制回流污水流量，以稳定罐内液位。而由于管线布局设计缺陷，调节阀门频繁动作导致污水冲击管道内截留气团，造成阀门及管道多次出现砂眼刺漏，存在安全环保生产隐患。通过建立水流冲击管道内滞留气团模型并进行水击压力计算，分析频繁出现砂眼刺漏的原因，并通过针对性的自主改造设计成功解除了此处隐患。

自动调节阀 水击 滞留气团 瞬变流

1 概 况

中海石油(中国)有限公司某平台前滤水罐位于平台下甲板，操作压力为3,kPa，操作温度为61,℃；通过下游生产水输送泵(扬程为40.8,m)出口位于中甲板的自动调节阀开关，控制回流污水流量以稳定罐内液位(见图1、2)。通过PCS系统控制自动调节阀，阀门动作平均耗时3,s，动作间隔3,min/次。

该平台于2010年2月投产，但在2011年初前滤水罐回流调节阀下游管道就出现多处砂眼刺漏，补焊后仍刺漏频繁。2013年1月该调节阀阀体刺漏，遂将该阀体及下游管件进行更换。发现原管件上密密麻麻遍布着不同程度的孔洞(见图3)。

但更换后投用仅7个月，新管线段又出现砂眼刺漏。之后两年时间已经补焊10余次。

图1 前滤水罐流程图Fig.1 Flowchart of front filtration tank

图2 前滤水罐与回流调节阀布局示意图Fig.2 Layout of front filtration tank and backflow adjustment valve

图3 管线内部分布密密麻麻的砂眼Fig.3 Sand holes within the pipeline

2 原因分析

前滤水罐位于平台下甲板，而回流管段的液位调节阀LV-3031位于中甲板，液位调节阀LV-3031高出罐顶约3.5,m(见图2)。由于调节阀后管道较短，在调节阀关闭动作时，管道内存在水击现象。调节阀频繁动作，水击反复作用于阀体，影响使用寿命，怀疑为阀门频繁刺漏的原因之一。

而当调节阀由关至开的过程中，因管道无液体缓冲，生产水流将直接冲刷调节阀阀体及下游管道，且动作速度较快，罐内滞留气体来不及排出，将出现水流冲击滞留气团现象。在这种瞬变过程中，气团的压缩变形使得水流积聚了较大的冲量，管道内将会出现大幅值的压力波动，可能导致管道出现砂眼。

本文将分别针对以上两种情况，在流体力学理论基础上进行定量计算，直观地表示出阀体与管道所受应力冲击。

3 阀体与管道出现砂眼的流体力学分析

3.1 调节阀关闭时管道内水击压力计算

现将液位调节阀关闭过程简化为流体力学中水击波典型模型(见图4)。其中L1是调节阀中心至上游管道弯头处距离，管道内生产水以速度v运动，调节阀突然完全关闭，管道内液体质点速度从阀门处开始向上游以速度a逐步变化，紧靠阀门处液体质点压力突然上升Δp。引入水击压力计算公式，即儒可夫斯基公式：

式中：Δp——水击压力；a——水击波传播速度；ρ——管道内液体密度。

图4 水击发生简化图Fig.4 Schematic of water hammer

式中：E——液体体积弹性模量，2× 109Pa ；D——管道内径，150,mm；e——管壁厚度，4.5,mm；ρ——管道内液体密度，1.025×10³ kg/m³；K——管道弹性模量，19.6× 1010Pa。

将数值带入公式(2)，得出水击波传播速度a≈1206 m/s。液体在管道内流动速度取较大值v＝3。

将计算结果带入公式(1)，得出Δp=3,708,kPa＝3.708,MPa。

上述分析在液位调节阀瞬间关闭的假设条件下计算得出，而实际阀门关闭需要时间t，t越大，管中液体流速越不会很快变为零，水的压缩性以及管壁的弹性将缓解水击压力。

水击波传播周期T＝0.001,7,s＜3s，因此按照间接水击进行计算，算出水击压力Δp=2.10,kPa。

因管道内压力约为P＝500,kPa，远远大于水击压力Δp，所以可以忽略水击对调节阀的影响。

3.2 调节阀开启时管道内压力水流冲击滞留气团计算

针对液位调节阀打开过程中管道内出现压力水流冲击滞留气团现象这一过程，本文将计算阀门开启后气团瞬间绝对压力(以水柱高度表示)，并在下列假设条件下建立数学模型：①刚性假定，即水体和管壁的弹性可忽略不计；②管道全线等断面，且沿程摩阻系数不变；③气、水交界面与管中心线垂直，管内水、气互不掺混；④在恒态和瞬态情况下，管内水流阻力特性不变；⑤气团状态变化可由理想气体状态方程描述，且多变指数m为常数。

根据上述基本假定，管道内水流冲击滞留气团的任一瞬变状态始终由气团、气-水交界面及水流3部分的瞬变状态所组成。其中，描述气团瞬变状态的控制方程即理想气体状态方程为：

式中：Ha、Va、La分别为阀门开启后t时刻气团的瞬态绝对压力(以水柱高度表示)、体积和在管道内的长度；m是理想气体的多变指数；Ha0、Va0、La0分别为Ha、Va、La在初始状态的值。其中，La0=La+x。这里x为t时刻管道内充水段增长段的瞬态长度(见图5)。

图5 含滞留气团的有压管道系统示意图Fig.5 Schematic of pressure pipeline with air sacs

描述气-水交界面瞬变状态的控制方程，即交界面两侧的流量连续方程和压力平衡方程为：

式中：Q、U分别为阀门开启后t时刻水流的瞬态流量和流速；t为时间变量；Hwc、Zc分别为气-水交界面处的水压力和管中心高程。上文已得出，水击压力远远小于管道压力，可忽略不计。因此，可忽略管壁和液体弹性，导出其“刚性数学模型”。

在计入局部水头损失、阀门开度和管道高程变化等因素的完整的水流瞬变状态控制方程为：

式中：Hu——管道内压力表示的水柱高度，Hu=，其中P是管道内压力；D——管道直径；f ——管道沿程摩阻系数；g——重力加速度；ΔHV——阀门水头损失，，vε为水头损失系数；Lx——阀门瞬间开启后t时刻充水段的瞬态长度，Lx=，vε为水头损失系数。

当阀门过流特性和开启规律给定时，sv即为时间t的单调连续函数，可写成εv=εv(t)；Zc是气-水交界面处的管中心高程，是关于Lx的连续函数，即Zc=Zc(Lx)；εj是管内水流局部水头损失系数总和，是关于Lx的阶梯型函数，即εj=εj(Lx)。因此，式(7)可改写成如下形式：

L2为初始状态充水段长度，即液位调节阀LV-3031开启前管道水平段长度(见图7)；Lx= L2+x+L2+La0−La；将该式及式(4)代入式(8)，可整理成形式，这里Φ是未知量U、La的函数，然后将其与式(5)联列，利用四阶隆格库塔法积分，即可求出任意t时刻的解。其初始条件是：t＝0，U=0、La=La0。

在本文中各项参数为：L2=1.05m，P＝500,kPa，ρ=1.025×10³ kg/m³，g＝9.8,m/s2，f=0.02，m＝1.4，D＝0.15,m，阀门开启时间t＝3,s，线性开启，εj=0.5(U≥0)，1(U＜0) 。

代入各项参数，计算结果为：Ha=92.67 m即调节阀LV-3031开启后，气团的瞬态绝对压力最大值为Pa=0.93,MPa。

3.3 结论分析

此调节阀关闭过程产生的水击为间接水击，计算水击压力远小于管道内生产水压力，可忽略不计，水击现场不是造成阀体损坏的原因，且实际中频繁出现砂眼在调节阀后，间接印证理论的正确性。

理想状态下气团的瞬态绝对压力计算值高达0.93,MPa。调节阀频繁动作，滞留气团将持续冲击压力管道与调节阀阀体。

阀体与管道内径不同，调节阀内径较大，阀门开启后水流冲击将形成大量的空泡，空泡溃灭过程瞬间产生极高的压力(可达几千个大气压力)。若空泡溃灭发生在固体边界，溃灭时的高压作用对管壁与阀体将产生一定程度的破坏。

调节阀开启时水流冲击压力管道内滞留气团，以及水流冲击不平顺管道形成的空泡溃灭，是造成压力管道与调节阀阀体砂眼刺漏的主要原因。

4 流程优化改造

将前滤水罐回流调节阀管线布局进行重新设计，呈“倒U”型(见图6)。调节阀关闭后，阀后垂直管段将大部分充满生产水，阀开后不会形成水流冲击滞留气团和空泡现象。这就从理论上解除了以上现象对管道的剥蚀作用。

图6 改造后前滤水罐回流管线布局改示意图Fig.6 Layout of transformed backflow pipeline of the front filtration tank

5 改造效果

自2015年10月改造后至2016年6月，管道及阀门未出现砂眼刺漏现象，使用周期高于投产初期。且结合2016年管道探伤结果可知，管道壁厚保持原值(见表1)。

表1 2016年超声波管道测厚结果Tab.1 Results of ultrasonic thickness measuring in 2016

通过此次管线布局改造，每年可节省维修费用15万，减少维修工作量100工时，并彻底解除了安全生产环保隐患。

6 结 语

本文针对回流管道与调节阀阀体出现砂眼这一现象，建立流体力学模型进行理论分析。定量分析设备损坏的原因，并据此提出合理的流程升级改造建议，以节省维护与更换费用，保证安全生产。■

［1］ 李演科. 浅谈板桥泵站出水管的水锤计算[J]. 陕西水利，2012(6)：128-129.

［2］ 刘德有，索丽生. 水流冲击管道内滞留气团的刚性数学模型[J]. 水科学进展，2004(11)：717-722.

［3］ 王家楣，张志宏，马乾初. 流体力学[M]. 大连：大连海事大学出版社，2002.

The Analysis and Solution of the Blister in the Backflow Pipeline and Regulator

CUI Zheng，KOU Zijian，ZHANG Biao
(China National Offshore Oil Corporation(CNOOC)，Tianjin 300452，China)

On one of the offshore platforms of CNOOC , the level of pre-filter water tank is controlled by automatic regulator to maintain its stability. However, due to design defect, frequent adjustments of valve will result in air sac(s) withheld in the pipeline impacted by sewage pressure, damaging the pipeline and the regulator, and causing sewage leak. It would be a serious environmental threat and safety risk. This paper establishes a mathematical model of water pressure impacted dash air sac(s) in the pipeline, and analyzes the reason of pipeline damages. Besides, the pipeline was redesigned based on the mathematical model for solution.

automatic regulator；water hammer；dash air sac；transient flow

TV131.3

：A

：1006-8945(2016)10-0011-04

2016-09-09