海上外输原油管道系统动态水击分析

张振鹏，陈文峰，张振兴，蔡广元，张苏飞

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

管道系统水击是由于管道系统内部流体流速突然发生变化的一种典型瞬态水力学现象，水击会对管道系统造成严重的破坏，如管道破裂、阀门断裂、增压设备损坏等严重事故[1-3]。对于海底输油管道而言，当存在以下情况时可能发生水击，如机组转速变化或事故状态停外输泵、输量突变、下游阀门突然关闭等[4]。为防止在水击工况下管道超压以及削弱管道运行参数的波动，最有效的防护手段是依靠管道的自动保护系统。输油管道水击保护措施主要由压力联锁保护、水击超前保护、水击泄压保护三部分组成。水击泄压保护作为管道安全运行中重要保障，是输油管道的最后一道安全屏障[5-6]。

PIPENET是目前主流的管网流体计算和分析软件，广泛应用于石油、天然气、造船、化工以及电力工业等领域，用以进行管网系统计算和优化[7-8]。

2 某海上外输原油管道系统流程简述

某海上油田外输原油管道系统主要组成部分有：上游中心平台原油外输泵4台，44.2 km海底管道，14.6 km上岸管道，1.5 km终端厂区工艺管道，1.4 km终端至炼化厂外输管道，整个管道系统全长为61.7 km，尺寸为16寸；其中终端厂区工艺管道出口与入口均设有16寸紧急关断阀(ESDV-A/B)，关阀时间为6 s，上岸管道出口与关断阀ESDV-A之间设有4寸水击泄放阀，水击泄放阀出口设有容积为150 m2的水击接受罐；终端至炼化厂1.4 km管道出口设有16寸界区关断阀(XV-C)，关阀时间为120 s。海底部分管道和上岸部分管道设计压力为8.1×106Pa，终端厂区工艺管道和厂区至炼化厂外输管道的设计压力为1.5×106Pa；管道最大输油量为25 000 m3/d，50℃外输原油密度和粘度分别为828.9 kg/m3和25.7 mPa·s。

3 模拟分析

基于该外输原油管道系统上下游工艺流程，运用PIPENET软件建立的水力学模型如图1所示。

图1 PIPENET计算模型Fig.1 PIPENET computational model

3.1 正常输送工况下管道水力校核

为能够准确的模拟分析管道动态水击压力，首先基于管道的实际运行参数做了管道的稳态水力计算，通过模型计算，当管道输量为25 000 m3/d时，海底输油管道的起始输送压力为7.74×106Pa，厂区工艺管道的入口压力为5.9×105Pa，终端至炼厂外输管道入口压力为4.1×105Pa，水力计算结果和管道实际运行参数吻合良好，误差不超过5%，运行压力均未超出管道的原设计压力，管道流速为2.52 m/s，如图2。

图2 管道起始输送压力计算结果Fig.2 Calculation results of initial transmission pressure of pipeline

3.2 管道下游紧急关断阀B关闭

根据该输油管道的上下游关断逻辑可知，当下游紧急关断阀B突然关闭时，紧急关断阀A同时关闭，同时通过通讯系统，将下游阀门的关断信号迅速传至上游平台中控系统，由中控系统给原油外输泵输出关泵信号进行停泵。紧急关断阀的阀门关闭时间为6 s，紧急关断阀A的上游设有4寸氮气式水击泄放阀，当紧急关断阀A关闭时，管道产生的水击压力波可以通过该水击泄放阀进行泄放，以对上游管道起到保护作用。通过模拟计算，在紧急关断阀B和A同时关闭且上游原油外输泵停泵时，下游水击泄放阀迅速开启，最大瞬时泄放流量达到840 m3/h，关断阀17101上游管道入口压力呈急剧下降趋势，过程中管道压力未超出其设计压力8.1×106Pa，水击泄放阀累计泄放量为84 m3，未超出水击泄放接受罐的有效容积150 m3。关断阀A和B之间工艺管道最大水击压力达到2.86×106Pa超出其设计压力1.5×106Pa的1.1倍[9]。如图3、图4。

图3 紧急关断阀A上游管道入口压力和水击泄放阀泄放流量变化趋势Fig.3 Change trend of inlet pressure of upstream pipeline of emergency shut-off valve A and discharge flow of surge relief valve

图4 紧急关断阀A和B之间管道压力变化趋势Fig.4 Change trend of pipeline pressure between emergency shut-off valves A and B

3.3 管道末端界区关断阀C关闭

该输油管道系统的末端设有界区关断阀C，此关断阀和上游设备设施之间没有任何关断逻辑，当该关断阀突然关闭时，整个管道系统的压力迅速上升，当紧急关断阀B下游管道的入口操作压力达到关断阀的设定值时，关断阀B关闭，同时触发紧急关断阀A关闭和上游外输泵关停。通过模拟该工况，紧急关断阀 A上游管道的水击压力变化趋势和工况3.2相同，紧急关断阀A和B之间管道的最大水击压力为2.45×106Pa，紧急关断阀B下游管道的最大水击压力达到2.79×106Pa，均超出管道设计压力1.5×106Pa的1.1倍[8]。如图5、图6。

图5 紧急关断阀A和B之间管道压力变化趋势Fig.5 Change trend of pipeline pressure between emergency shut-off valves A and B

图6 紧急关断阀B下游管道压力变化趋势Fig.6 Change trend of pipeline pressure downstream of emergency shut-off valves B

3.4 极端工况下紧急关断阀A关闭(图7)

此外输原油管道系统上下游距离较长，当下游阀门关闭而上游的外输系统没有接受到关断联锁信号，则管道入口不断有流体流入，4寸水击泄放阀出口不断有流体泄出。通过模拟，在极端工况下，管道的最大水击压力达到8.14×106Pa，略微超出管道设计压力8.1×106Pa，但未超出管道设计压力8.1×106Pa的1.1倍[8]；水击泄放阀的最大泄放量为890 m3/h，且不断有流体泄出，水击泄放接受罐有冒罐风险。

图7 紧急关断阀A上游管道压力和水击泄放阀泄放流量变化趋势Fig.7 Change trend of pipeline pressure upstream of emergency shut-off valve A and discharge flow of surge relief valve

4 结论及建议

通过对该原油外输管道系统不同工况下的水击模拟分析，可以看出该管道系统现有的4寸水击泄放阀能够有效释放下游阀门突然关闭时产生的水击压力，可以保证水击泄放阀上游管道水击压力不超出其设计压力；紧急关断阀A下游管道在不同关阀工况下的水击压力均超出了管道设计压力，需要对该部分管道加装水击泄放保护装置，保障管道输送安全；在极端关阀工况下，管道上下游失去联锁控制，4寸水击泄放阀仍能进行有效的水击保护，但是持续的流体泄出，有冒罐和遗油风险，因此在实际操作过程中应保证管道上下游的通讯信号畅通，当下游阀门突然关闭时上游外输泵应能够及时关停，防止出现遗油事故。