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)16～17. 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--x Pg)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L—z≈L,因此,式(1)可写成: 一一(B+AQ)一一B(1+含Q)(2) A—fg∞ B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)㈣一z～一Ⅱ\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,Q