摘要：长距离输油管道密闭输送时，输送过程中各节点的流速和压力均随着时间的变化而变化，运行操作过程中阀门突然开启、关闭及泵机组发生故障等，均会使流体的运行状态发生瞬时变化，易引起水击，导致管道内产生局部超压、液柱分离及泵汽蚀等危害。研究输油管道瞬时水击压力变化的产生原因，分析水击压力对运行工艺设施的影响，采取措施防止或减小水击危害，对输油管道的安全运行有着重要意义。鉴于此，本文对输油管道水击进行了分析，并提出相应防护措施，为输油管道的安全运行提供了参考。
关键词：输油管道；密闭输送；水击；水击危害；水击保护
引言
“密闭输送”的输油系统权限是一个统一的水力系统，前站的剩余压力可以为下站所利用。当全线密闭的管道系统正常调节出现故障，引起输油工况变化时，会在管内产生水击压力波沿管道向上、下游传播。如果这种压力波造成管道工作压力超过允许值（高压或低压），如出现非正常停泵、误关阀、停电、着火事故等均会引起水击现象发生。例如：在输油过程中，如果遇到输油泵站突然停电引起泵机组停运或进出站阀门误操作关闭的工况时，事故泵站会对上游管道传递增压波，使上游管道压力上升，严重时可致管道损坏甚至爆裂[1-3]。
1水击的产生
当由于某种原因引起管路中流速突然变化时，例如快速开关阀门、停泵或突然断电，都会引起管内压力相应地发生突然变化，突然变化的压力成为水击压力。由于液体及管壁的弹性作用，水击压力以压力波的形式在管内迅速传播，当压力波的波面通过管路时，造成管路的振动并产生一种声音，犹如冲击钻工作时产生的声音或用锤子敲击管路时发出的噪音，称之为水击，亦称为水锤。水击是指液体流速改变引起的压力瞬变过程，实际上是一种能量转换。
2水击特点
（1）水击波反射的间隔时间比较长。长输管道的泵站间距一般都在几十、上百公里，以水击波传播速度为1000m/s估算，某站发生的水击波要经过约几十、上百秒才能传到相邻的泵站，然后再发生反射，所以反射的间隔时间比较长。
（2）势涌水击和管道充装。假设某长输管道终点阀门突然关闭，油品的流动突然停止，引起动能转化为势能所产生的压力称为势涌水击，介质的流速越高，势涌水击越强。在终点阀门突然关闭，水击波到达上游泵站之前，泵站仍然正常输油，此时终点管段因压力升高发生弹性膨胀，容纳上游来油，这种现象称为管道充装。在充装时管壁不断膨胀，液体不断被压缩，由此产生充装压力。管道越长，充装压力越高。管道终点阀门处的水击压力是势涌水击与充装压力之和。
（3）可能发生瞬变压力的同步和叠加。目前，输油管道均采用从泵到泵的密闭输送工艺，管道沿线某处如果发生水击，全线都将受到影响。如果关闭管道终端阀门，其上游泵站的输量则会急剧下降。进站压力迅速升高，进站压力叠加在泵压上，使得出站压力进一步升高。这种同步与叠加的往复，将会加速破坏管道。
（4）中间站意外停泵使进站超压和下游站抽空。对于长输管道，如果中间泵站意外停机，犹如在管道中间突然关阀，阻碍了上游流体的流动，由此产生的增压波使事故站的进站压力迅速上升，对于下游站，则是停止液体供应而产生减压波，使出站压力迅速下降。而出站方向的减压波则可能使沿线动水压头较低的地段产生气穴流和液柱分离，也可能使下游站进站压力过低而发生气蚀或抽空。
3水击的危害
3.1增压波
当液体管道产生水击时，一般水击压力波会以1000m/s左右的速度沿管道传播，由于流动状态的不平衡，还会产生充装压力。水击波增加的压力和充装压力叠加在管道稳态剩余压力上，构成液体的压强。当叠加后的液体压强超过管道的最大允许工作压力，就有可能引起强度破坏。因此，水击增压波沿管道传播过程中，凡是稳定运行时动水压力接近管道临界承压能力的位置（如山区管道的某些低洼地段，管道中间壁厚变化位置，出站管道等），都有可能引起管道超压，造成强度破坏。
3.2减压波
水击的危害之一是减压波有可能使管内液体出现液柱分离。当管道的上游边界产生压力降低，如阀门的突然关闭，或泵机组的突然停运，下游管道系统的某些位置就有可能出现液柱分离现象。当上游边界压力降低时，有一减压波沿管道向下游方向传播，使液体的流速减小，而减压波到达之前的液体仍以稳定状态时的流速向前流动。减压波波峰前后流速之差使压力波所经之处管内的压力降低，如果管内液体含有溶解气体，当管内压力低于液体的饱和压力时，溶解气就会逸出，在液体内形成许多小气泡。当管内压力低于液体的饱和蒸汽压时，管内液体就会汽化沸腾，产生蒸汽。蒸汽与已形成的溶解气泡结合，形成较大的气泡，上升到液体表面。液体内的气泡倾向于停留、聚集在管道高点的下游顶部，形成较大的气泡区，而液体在气泡的下面流过。
日本大井川水电站的水击事故就是一个典型例子。1950年6月水电站计划检修时，由于阀门的误操作和机械装置失灵，使一进水蝶阀快速关闭。关阀产生的增压波使阀门上游直径为2.7m的引水钢管产生强度破坏，沿轴向撕裂7.6m。几乎与其同时，由于管道破裂处流速增加，产生减压波向上游传播。减压波使管道上游液体压力出现真空，造成大约54m管道变形破坏。该事故造成3人死亡，直接损失45万美元。
4水击防护措施
4.1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。
超前保护主要包括：停泵和保护调节，以保护全线相对薄弱地段的管道。即在某站突然停泵或者各站进出站阀门(或分输支线上的RTU阀门和支线末站进站阀门)突然关断时,由通信系统向调度控制中心传输一个信号,调度控制中心自动下达水击保护指令,变频器进行保护性调节或顺序停掉相关站的输油泵等方法,来向上下游发出增压波或减压波,以防止管线相对薄弱地段超压或高点汽化[4-6]。
4.2泄放保护
水击泄压阀属于自动泄压阀，当管内压力达到泄压阀设定压力时，阀迅速开启并泄放超压介质。泄压阀多为轴流式，相比角式结构安全阀能够提供更大的泄放流量，且具有迅速开启、缓慢关闭、无二次水击、结构紧凑、流通能力强、噪声小等特点，故广泛应用于输油管道。水击泄压阀通常安装于泵站的进、出站位置，为管道线路及站场设备提供水击保护。
4.3紧急停车
当超前保护和泄放保护仍无法抑制水击时，将执行全线紧急停车。紧急停车系统是保证管道及沿线站场安全的逻辑控制系统。该系统命令优先于任何操作方式，具有较高的独立性、紧急保护功能、安全停车功能等功能，安全性可靠。
紧急停车系统由安全管理系统、数据服务器、操作员站和实时控制网络组成。其中安全管理系统由冗余容错控制器卡件、通信卡件、电源卡件、非冗余的I/O卡件以及现场接线端子组成。系统内部I/O总线采用双重化结构，实现从冗余控制器到I/O卡件之间的连接。数据服务器用来存储数据并实时通过控制网络将数据传送到访问者。在操作员工作站可进行控制过程的可视化组态，并可在线监视工艺过程状态。
4.4其他保护措施
（1）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。
（2）增加飞轮转矩。增加泵机组转动部件的惯性可以改变泵机组失电后的减速过程，从而减轻减压波的减压速率，缓解排出端管道的低压瞬变过程，但这种方法只适用于管径较小的短管道系统。
（3）对于管道系统的首站，为了防止失电后因液体反向流动在单向阀处产生高压力；可在进、出站管道之间安装可以自动控制的旁通调节阀。当管内液体发生反向流动时，通过控制旁通调节阀的开关程序，使管内液体缓慢减速，达到控制瞬变压力的目的。
（4）对于油库内地形起伏的低压头管道系统，有时适当增加理深，降低管道的相对标高，也可以有效地控制失电后排出端管道的低压瞬变过程。
结束语
水击现象在压力管道系统中是难以避免的。其关键在于采用合理的管路参数和工艺布局，选用设备的调节和泄压装置，同时提升操作人员的技术水平，才能真正保证管道安全、平稳运行。因此，在输油管道运行管理中，需严格执行操作规程，熟悉掌握水击应急处置方案，将管道水击发生频率及造成的损失降到最低。
参考文献
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