李曉平 鄧 濤 周 軍 陳媛媛 宮 敬

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室)

管道輸送作為五大運(yùn)輸方式之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。對(duì)于新建起伏管道，試壓操作是對(duì)管道施工質(zhì)量、管材性能和管道整體強(qiáng)度的一次綜合檢驗(yàn)，也是工程竣工投產(chǎn)前對(duì)管道進(jìn)行安全檢查的重要手段，它可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道存在的缺陷，以便及早采取措施，排除管線中的隱患。目前，常見(jiàn)的管道試壓介質(zhì)主要有潔凈水和壓縮空氣兩種，試壓介質(zhì)也可以是天然氣或惰性氣體，根據(jù)實(shí)際情況需要，防凍液也可用作試壓介質(zhì)。在 GB/T 16805-2009 和API-RP-1110-2007 中對(duì)試壓介質(zhì)有新的規(guī)定，即在滿足標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的特定條件時(shí)，試壓介質(zhì)也可以是蒸汽壓小于 0.05MPa 的液體石油。國(guó)內(nèi)外大多數(shù)管道出于安全和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮通常采用水作為試壓介質(zhì)[1, 2]。實(shí)際工程中一般是利用壓縮空氣推動(dòng)清管器將管道內(nèi)的試壓水推至管口排出[3]。試壓排水過(guò)程中管道中若發(fā)生壓力減小的現(xiàn)象，則會(huì)引起一個(gè)向下游傳播的負(fù)壓波，在液體壓力進(jìn)一步下降到該溫度下液體的飽和蒸汽壓時(shí)，局部液體汽化，在管內(nèi)形成蒸汽空穴，這就產(chǎn)生了液柱分離現(xiàn)象。生產(chǎn)實(shí)踐中的長(zhǎng)輸水管路中所出現(xiàn)的管路破裂, 70%～80%與液柱分離再?gòu)浐嫌嘘P(guān)。特別在長(zhǎng)距離管道中途經(jīng)起伏地段，由于水擊導(dǎo)致氣泡潰滅，上、下游液柱在高速下相遇，可能產(chǎn)生巨大增壓而使管道壓力超限[4]。在管道試壓排水方案制定工作中，倘若對(duì)可能產(chǎn)生的液柱分離現(xiàn)象估計(jì)不足，可能導(dǎo)致管道和設(shè)備的損壞[5]。所以，需要借助相關(guān)仿真模擬手段對(duì)試壓排水方案是否會(huì)有不滿流發(fā)生進(jìn)行評(píng)估。但是目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)長(zhǎng)距離油氣管道試壓排水不滿流分析的模擬軟件，目前市場(chǎng)上主流的多相軟件如PIPEPHASE、PIPEFLO、PIPESIM及OLGA等，計(jì)算時(shí)入口必須為多相，需要輸入含氣率，這使得模擬仿真不方便。單相軟件如TLNET，計(jì)算汽化時(shí)壓力會(huì)降低到負(fù)值，不符合物理規(guī)律。為此，中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程系多相流課題組開(kāi)發(fā)了首套長(zhǎng)距離油氣管道試壓排水不滿流分析軟件。該軟件很好地解決了現(xiàn)有模擬軟件中對(duì)試壓排水過(guò)程不滿流分析的問(wèn)題，能準(zhǔn)確判斷發(fā)生不滿流現(xiàn)象的時(shí)間和位置，從而采取必要的預(yù)防措施避免不滿流的發(fā)生。

1 理論基礎(chǔ)研究

試壓排水過(guò)程中首端空壓機(jī)注氣，末端開(kāi)閥放水會(huì)在管道內(nèi)形成不穩(wěn)定流動(dòng)。長(zhǎng)距離油氣管道分段試壓排水過(guò)程中的管內(nèi)兩相流體的動(dòng)態(tài)流動(dòng)特性分析，可能會(huì)包括：氣泡流、下坡段非滿管分層流[4, 6]和清管器液塞前端非滿管流。

一方面，液態(tài)水發(fā)生汽化現(xiàn)象并以小氣泡的形式分布在液相區(qū)內(nèi)；另一方面，低壓段空氣在液體中的溶解度降低，空氣被釋放出來(lái)。此外，由于清管器與管壁密封性能隨著運(yùn)動(dòng)距離增加而減弱，或者在彎頭等變徑處導(dǎo)致清管器上游壓縮空氣竄漏到下游液段，隨液流運(yùn)動(dòng)形成氣泡流。當(dāng)上述過(guò)程持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，并往往在高點(diǎn)處發(fā)生聚集，就會(huì)存留足夠的氣體導(dǎo)致管段產(chǎn)生不滿流。清管器進(jìn)入到下坡非滿管分層流段時(shí)，會(huì)在清管器液塞前端形成多相流區(qū)。大落差管道運(yùn)行工況可能會(huì)在下坡段有不滿流段存在，通過(guò)局部流速的增大來(lái)消耗剩余的能量。一般情況下管道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)采取措施以避免不滿流出現(xiàn)[7]。

由于排水過(guò)程中局部壓力降低至液態(tài)介質(zhì)飽和蒸汽壓發(fā)生了汽化，會(huì)出現(xiàn)氣液兩相流動(dòng)。集中空穴模型計(jì)算簡(jiǎn)單，且容易與特征線法結(jié)合，所以在工程計(jì)算中得到了廣泛應(yīng)用。筆者首先選擇了Streeter 和Wylie 的蒸汽-液體模型，如圖1所示。

圖1 Streeter 和Wylie 的蒸汽-液體模型

首先求解節(jié)點(diǎn)j的壓頭Hp(j)和流量Qp(j) ，然后判斷節(jié)點(diǎn)j處的壓力是否低于液體的飽和蒸汽壓：

Hp(j)+Hatm-Z(j)

(1)

式中Hatm——當(dāng)?shù)卮髿鈮赫鬯愕囊褐叨龋?/p>

Hp(j) ——j點(diǎn)的壓頭；

Hv——液體飽和蒸汽壓力折算的液柱高度；

Z(j)——j點(diǎn)的高程。

若式(1)不成立則轉(zhuǎn)入下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算；若式(1)成立，則說(shuō)明發(fā)生了液柱分離，取節(jié)點(diǎn)的壓頭為：

Hp(j)=Z(j)+Hv-Hatm

(2)

(3)

根據(jù)氣穴體積確定下一時(shí)步的計(jì)算方法，如果V(j,t)> 0則說(shuō)明液柱分離仍然存在，下一時(shí)步時(shí)繼續(xù)按液柱分離計(jì)算；如果V(j,t)≤0則說(shuō)明分離的液柱已經(jīng)合攏，下一時(shí)步按一般的內(nèi)節(jié)點(diǎn)計(jì)算。

模擬軟件分析管道的不穩(wěn)定流動(dòng)是基于一維模型，采用特征線法(MOC)求解氣相、液相流體的質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程組，結(jié)合集中空穴模型可以預(yù)測(cè)沿線壓力變化并對(duì)不滿流發(fā)生時(shí)間、具體位置和范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)排水方案合理性進(jìn)行評(píng)估。

2 軟件介紹

2.1 軟件功能介紹

長(zhǎng)距離油氣管道試壓排水不滿流分析軟件是以流體力學(xué)和瞬變流理論為基礎(chǔ)，在Microsoft VC++和Delphi 語(yǔ)言環(huán)境下編寫(xiě)的通用軟件，具有人性化界面設(shè)計(jì)，操作直觀。可對(duì)任意地形條件下管道、不同工況下模擬計(jì)算試壓排水不滿流發(fā)生時(shí)間、具體位置和范圍進(jìn)行分析，為制定合理安全的排水方案提供技術(shù)指導(dǎo)。

2.2 軟件主界面

軟件界面主要用作模擬計(jì)算前基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的輸入，采用Delphi語(yǔ)言編寫(xiě)，用戶可方便地在界面上完成基礎(chǔ)參數(shù)的輸入、更改和保存，便于設(shè)定不同工況下的參數(shù)。另外，對(duì)較大量的輸入基礎(chǔ)參數(shù)，如高程、里程數(shù)據(jù)等，可直接從Excel中拷貝，方便快捷輸入軟件界面。用戶界面友好，操作簡(jiǎn)單，可滿足用戶的多種需求。此外，輸入信息還包括排水條件和物性參數(shù)。

2.3 軟件組成

軟件由基礎(chǔ)參數(shù)輸入、模擬結(jié)果輸出和核心計(jì)算三大部分組成。參數(shù)輸入功能主要在軟件的主界面上實(shí)現(xiàn)，模擬結(jié)果輸出包括TXT文檔和Word文檔輸出。Word文檔中主要包括兩部分內(nèi)容：文字輸出部分包括試壓排水主管段和排水管段基本參數(shù)輸出，軟件模擬網(wǎng)格劃分情況以及邊界條件設(shè)定，清管器設(shè)定及環(huán)境溫度；試壓排水壓力、流量的初始值，不滿流位置壓力、流量和持液率參數(shù)圖。采用文字和圖形相結(jié)合的輸出方式，符合普通用戶習(xí)慣，方便用戶使用。

3 軟件的應(yīng)用

利用長(zhǎng)距離油氣管道試壓排水不滿流分析軟件對(duì)國(guó)內(nèi)某條輸氣管道劃分段試壓排水過(guò)程進(jìn)行了不滿流模擬計(jì)算。建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，基于以下幾點(diǎn)假設(shè)：

a. 將管道內(nèi)的流體簡(jiǎn)化為一元流動(dòng)，忽略參數(shù)在橫截面上的變化；

b. 在整個(gè)管道長(zhǎng)度上，氣體的壓縮系數(shù)為常數(shù)；

c. 管內(nèi)流動(dòng)氣體是理想氣體；

d. 當(dāng)局部液體介質(zhì)發(fā)生汽化時(shí)，無(wú)氣體逸出，當(dāng)?shù)貕毫轱柡驼羝麎骸?/p>

一般現(xiàn)場(chǎng)試壓排水空壓機(jī)工作壓力在2MPa以下，管內(nèi)氣體可采用理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算。此外，研究試壓段長(zhǎng)度不超過(guò)8km，管道沿線溫度變化影響不大，所以氣體壓縮系數(shù)可設(shè)為常數(shù)。在工程計(jì)算減壓瞬變過(guò)程中，當(dāng)管道某結(jié)點(diǎn)的壓力低于液體的飽和蒸汽壓時(shí)，認(rèn)為此時(shí)壓力等于飽和蒸汽壓。

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)

該排水管段高點(diǎn)注氣，低點(diǎn)排水，是典型的復(fù)雜地形管道,模擬計(jì)算該管段試壓排水所需的部分基礎(chǔ)參數(shù)包括：

管道長(zhǎng)度 6.971km

最大高差 178.77m

管材規(guī)格φ1219×18.4mm (鋼級(jí)X80)

試壓頭筒體規(guī)格φ1219×22mm (鋼級(jí)X80)

排水端管材規(guī)格φ159mm

管內(nèi)壁的當(dāng)量粗糙度 0.1mm

直板式清管球質(zhì)量 1 000kg

清管球與管壁的摩擦阻力(靜摩擦) 0.2MPa

流體溫度 20℃

液體的動(dòng)力粘度(20℃) 0.001Pa·s

液體的飽和蒸汽壓(20℃) 3.2kPa

空氣運(yùn)動(dòng)粘度(20℃) 1.48×10-5m2/s

3.2 模擬結(jié)果及討論

管段試壓后，首先開(kāi)啟末端閥門排水泄壓直到末端靜水壓頭等于下坡段液柱靜壓力，然后關(guān)閉閥門并做好通球掃水前的準(zhǔn)備，最后開(kāi)閥通球排水。排水初始條件全線各個(gè)節(jié)點(diǎn)處流量為0m3/s，最高點(diǎn)處表壓為0MPa，其余各節(jié)點(diǎn)按與最高點(diǎn)高程差計(jì)算當(dāng)?shù)仂o壓力，最低點(diǎn)處壓力最大1.8MPa，閥后出口處壓力為大氣壓，如圖2所示。

圖2 試壓排水各項(xiàng)參數(shù)初始變化

由圖3可知，整個(gè)試壓排水過(guò)程約36.7h。排水閥打開(kāi)后，清管器初始運(yùn)動(dòng)階段速度較慢，下坡段高落差影響，重力作用下液體會(huì)加速流動(dòng)，減壓波從出口處向上游傳播。此時(shí)，在高點(diǎn)處(距離入口約5 460m)壓力會(huì)減小至飽和蒸汽壓。在整個(gè)排水過(guò)程中，絕大部分時(shí)間都處在不滿流狀態(tài)，壓力維持在飽和蒸汽壓值，在排水末期，清管器推動(dòng)前端水柱填充了高點(diǎn)處不滿流段，此時(shí)持液率值回升到1。

圖3 高點(diǎn)處(5 460m)各項(xiàng)參數(shù)隨時(shí)間變化

在下坡段，隨著排水過(guò)程的進(jìn)行，管道充裝減弱，特別是當(dāng)清管器進(jìn)入到?jīng)_溝階段時(shí)，清管器運(yùn)移非常緩慢，所以清管器推入下坡段的液體流量也減小，進(jìn)出流量不平衡造成下坡段液位減小。最后在低點(diǎn)處來(lái)流與排水口流量達(dá)到一定平衡，在低點(diǎn)處(6 700m)也形成了不滿流的情況，所以形成了1 200m長(zhǎng)的不滿流段，如圖4所示。

圖4 低點(diǎn)處(6 700m)各項(xiàng)參數(shù)隨時(shí)間變化

圖5顯示用戶輸入點(diǎn)(6 000m)處壓力、流量及持液率等參數(shù)隨時(shí)間的變化。此處流量在0.5m3/s附近波動(dòng)，壓力從開(kāi)始的1.0MPa左右逐漸減小至飽和蒸汽壓，此時(shí)便發(fā)生汽化并且持液率也從1開(kāi)始減小。在排水過(guò)程中相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)壓力維持在飽和蒸汽壓水平，會(huì)有空穴存在。在排水末期的時(shí)候壓力增至0.78MPa，空穴消失而且持液率重新增大到1。

圖5 用戶輸入點(diǎn)(6 000m)各項(xiàng)參數(shù)隨時(shí)間變化

從現(xiàn)場(chǎng)段試壓排水記錄可知實(shí)際耗時(shí)39.5h，由以上模擬結(jié)果分析可知，排水時(shí)間也與實(shí)際情況接近，軟件模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得值基本吻合。此外，現(xiàn)場(chǎng)記錄描述在排水末期出口處有大量的氣液噴發(fā)現(xiàn)象，形成一段氣柱，也證明了管道內(nèi)存在一定量的氣體。

綜上所述，對(duì)于此類起伏地形管道的試壓排水，需要關(guān)小閥門保持一定排水背壓，控制下坡段氣體聚集量。當(dāng)管道高點(diǎn)處聚集氣體量控制在一定范圍內(nèi)，進(jìn)入下坡段清管器會(huì)壓縮氣段，氣段會(huì)慢慢破碎并且隨著液流被帶到下游，這樣不會(huì)產(chǎn)生巨大增壓而使管道壓力超限，對(duì)管路造成嚴(yán)重破壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了可行的試壓排水不滿流分析理論，并開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)距離油氣管道試壓排水不滿流分析軟件，其界面友好、操作簡(jiǎn)單且通用性強(qiáng)，能幫助用戶對(duì)管道試壓排水工況中可能出現(xiàn)的不滿情況進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。目前，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測(cè)排水壓力不滿流發(fā)生時(shí)間、具體位置和范圍，結(jié)果輸出不滿流頭部和尾部特殊位置的各個(gè)參數(shù)，用戶還可以根據(jù)需要輸入位置并導(dǎo)出其結(jié)果。最后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)某條管道試壓排水進(jìn)行不滿流模擬預(yù)測(cè)，模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)觀察現(xiàn)象基本一致，提出了可行的改善措施，軟件指導(dǎo)工程實(shí)際對(duì)管道建設(shè)安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

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