液柱分离对管道的危害及其预防.doc

液柱分离对管道的危害及其预防油气储运2003年液赶分离劝管厘昀危害及其预防苑莉钗.高炉翟建习(中国石油天然气管道工程有限公司)(秦皇岛港务集团有限公司)(中国石油天然气管道工程有限公司)苑莉钗高炉等:液柱分离对管道的危害及其预防,油气储运,2003,22(11)1617.摘要管道发生水击时的水击压力波对管道的危害非常严重.在分析水击形成原因的基础上,讨论了液柱分离形成的过程及其对管道的影响,结合实例,利用公式推导计算出管道在发生水击过程中的水击压力,提出了避免出现油品液柱分离的具体措施.主题词管道输送水击液柱分离压力计算一,液柱分离现象的成因及危害输油管道在启(停)中间泵站,泵机组调速,各中间站的流程切换或分输站的启停,事故工况停机以及调节阀动作失灵误关闭等操作过程中,都可能产生水击.水击向上游传送增压波,向下游传送减压波.在减压波传递的过程中,沿线压力较小的某处会出现负压.若负压降低到液体的饱和蒸气压力,而液柱仍然继续向前流动时,则液体发生汽化,产生空穴,形成不满流或液柱分离现象,液柱分离现象又称柱塞流.当管内压力降至低于溶解气的饱和压力时,液体中的溶解气就会过饱和逸出,在液体内形成许多小气泡,当压力进一步下降到低于液体的饱和蒸气压时,管内液体就会进一步气化,产生气泡,形成气体空间.气泡的增大取决于作用在其上的表面张力,周围液体的压力,流体的蒸气压力和气泡内的气体压力,以及气泡形成后压力随时间,温度变化的情况.自由气体分子也会进入气泡内,几个气泡又结合成大的气穴,气穴体积随外部压力降低而增大,直到内外压力之差足以抵消表面张力.一旦达到这个临界体积,气穴变得很不稳定并急剧膨胀.这一过程的时间极短,大约为几微秒.在水平的或坡度很小的管段内,气穴可以薄薄地散布在管子的顶部,并延伸相当的距离,称之为气穴流.在垂直,坡度很大或有高点的管段中,气穴可*065000,河北省廊坊市金光道22号;电话:(0316)2074631.以大到占据管子的整个截面而把液柱分开,称之为液柱分离.液柱分离多发生在低压的或瞬变急剧的液流中.在可能发生这种情况的液流里,水力瞬变可以分为水击,气穴和液柱分离三个区.在水击区,液体内少量气泡微不足道,波速几乎与压力无关;在气穴区,气泡散布于液体内,形成液体/气体混合物,波速受气体含量和压力影响很大.三个区可以同时出现在管道内,某部分为气穴流,某一部分为液柱分离,其余则为水击区,且可相继出现,开始为水击区,然后形成气穴流.气穴区形成后会连续地增长,直到气泡两侧液柱流速达到平衡为止,此时,上游液柱减速,下游液柱加速.当低压区受到增压波作用时,蒸气泡将破灭,分离的液柱突然合拢,两液柱相遇时产生高压,导致新的水击.二,液柱分离后再结合时的最大压力理论分析在图I所示的泵送管道中,当泵突然发生事故停运时,出口止回阀迅速关闭,出口管路的液柱借助于惯性继续向前流动,但速度不断降低,在这种情况下,止回阀附近会出现负压.若负压低至液体的饱和蒸气压力P,而液柱仍继续向前流动,则液体汽化,产生空穴,形成液柱分离现象.当液体的正向流动停止时,空穴段达到最大的长度(z),液柱随即逆向流动去填补空穴,且速度逐渐加快,最后撞击到I回阀匕.第22卷第l1期苑莉钗等:液柱分离对管道的危害及其预防,液柱分离图1液柱分离分析图当流体在止回阀处发生液柱分离但仍继续正向流动的运动方程为:一H-fQ(L-xPg)一(gw)dt(1),式中P液体的饱和蒸气压力,Pa;P大气压力,Pa;H水位高度,h;产_单位流量下,单位管路长度上的摩阻损失,(m./s);L管道长度,m;z空穴段长度,m;g重力加速度,m/s;管道的内截面积,m;Q一管道内流体的流量,m./s.由于液柱分离的距离总是远远小于管道长度,故LzL,因此,式(1)可写成:一一(B+AQ)一一B(1+含Q)(2)AfgB一(H+)利用刚性水柱理论,将dx=9-df代入式(2)得:C一一1QdQ(3)假定液柱在脱离止回阀的瞬间仍具有稳态时的流速Q0/叫,对式(3)积分得到液柱离开止回阀的最远距离为:z一1n(+)叫(4同理,逆向流动时液柱离开止回阀的最远距离为:一z一?n(一)一z一一J曩_联解式(4)和式(5)司得:一.=1+笔Q3此过程产生的增压按弹性水击计算,即:AH一旦QR三,算例(6)(7)管道直径为0.2m,液体密度为1000kg/m.,流速为1200m/s,P.一0.1MPa,P一0.01MPa,H一20m,Qo一0.055m./s,摩阻系数为3.87S/m,依据不同的管道长度,计算上游阀门瞬时关闭后的液柱分离水击压力,结果见表1.表1液柱分离的水击压力四,预防液柱分离的措施针对实际运行中的大落差管道或两站之间出现翻越点的管道,流体出现液柱分离再结合的压力将会非常大.因此,根据管道的具体情况,建议采用以下三种方式来消除油品的液柱分离.(1)通过对管道进行系统分析,找出沿线会发生液柱分离的点,采用超前保护措施.(2)对发生液柱分离处的下游泵站设置进站调节控制.(3)沿线高点设置自动排气阀.参考文献中国石油天然气总公司编:原油长输管