9、输油管道的水击分析解析

输油管道的水击分析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。输油管道的水击分析“泵到泵”输油管道水击发生示意图输油管道的水击分析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。水击物理概念输油管道的水击分析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，1、从阀门突然开启或关闭，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阀门处，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，称为一个相长。往返两次的时间称为一个周期。式中a为水击波的波速，L为管道的长度。2LTc42LTc输油管道的水击分析阶段时段流速变化流速方向压强变化水击波传播方向运动状态液体状态一水库阀门即BA增高阀门---水库即A---B减速增压压缩二阀门水库即AB恢复原状水库---阀门即B---A减速减压恢复原状三阀门水库即AB降低阀门---水库即A---B增速减压膨胀四水库阀门即BA恢复原状水库---阀门即B---A增速增压恢复原状cLt0cLtcL2cLtcL32cLtcL4300v00v00v00v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）。阀门突然关闭时有压管道中的水击的物理过程V00pgH0ABLpga0LttaV=0V00pgH0ABLpg2LLttaaV0aV023LLttaaV00pgH0ABLpgV0V0=0pgaV=034LLttaaV00pgH0ABLpgV0V0=0pgV0aV0流速由V0→0，压强增加△p，管壁膨胀流速由0→-V0，压强减小，恢复原状，管壁恢复原状流速由-V0→0，压强降低△p，管壁收缩流速由0→V0，压强增加，恢复原状，管壁恢复原状水击压强的计算（直接水击）依动量定理可推得：输油管道的水击分析0()paVV0()paHVVgg当阀门突然完全关闭时，V=0，则有0paV0paHVgg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6m/s减少到零时，阀门突然关闭时的压强水头增量为100066009.8Hm输油管道的水击分析根据质量守恒原理可推导出水击波的传播速度11()1)KaDKDKEE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、管壁厚度输油管道的水击分析以苏南管道为模型，对压力波速度进行计算：8829-29.16101730=9.16100.392211+1-0.3()1)2.0710710KaDKDKEE=1013.25(m/s)此速度为充满汽油的406.47.1的管道中，压力波的理论速度。输油管道的水击分析V00pgH0L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101()paVV△t2时段212()paVV2sLTa若则阀门处01niippaV2sLTa若则阀门处01niippaV2sLTa若则阀门处将不可能升到阀门突然关闭时那样高的水击压强直接水击间接水击输油管道的水击分析直接水击——当时，阀门处的压强不受阀门关闭时间长短的影响2sLTa间接水击——当或时，阀门处的压强与阀门关闭时间的长短有关2sLTa2saTL工程设计中减小水击压强的措施：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。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。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）：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。输油管道的水击分析)()(00VVCgVVCP00CVgCVP（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。输油管道的水击分析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。输油管道的水击分析回流保护：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。输油管道的水击分析回流超前保护：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。输油管道的水击分析