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輸油管道的水擊分析 輸油管道中的水擊水擊是指液體流速改變引起的壓力瞬變過(guò)程 其實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換 任何原因引起的流速變化 都將產(chǎn)生水擊 或是增壓 或是減壓 流速的突然下降所產(chǎn)生的水擊對(duì)輸油管道特別危險(xiǎn) 輸油管道的水擊分析 泵到泵 輸油管道水擊發(fā)生示意圖 輸油管道的水擊分析 當(dāng)流場(chǎng)中液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素不僅隨空間位置而變 而且隨時(shí)間而變化時(shí) 這種流動(dòng)稱為非恒定流動(dòng) 有壓管中的非恒定流動(dòng) 稱為有壓非恒定流動(dòng) 水擊 或稱水錘 是有壓管中的一種重要的非恒定流現(xiàn)象 當(dāng)流場(chǎng)中液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素不僅隨空間位置而變 而且隨時(shí)間而變化時(shí) 這種流動(dòng)稱為非恒定流動(dòng) 有壓管中的非恒定流動(dòng) 稱為有壓非恒定流動(dòng) 水擊 或稱水錘 是有壓管中的一種重要的非恒定流現(xiàn)象 這種壓強(qiáng)的交替升降 有時(shí)會(huì)達(dá)到很大的數(shù)值 處理不當(dāng)將導(dǎo)致管道系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng) 管道嚴(yán)重變形甚至爆裂 水擊物理概念 輸油管道的水擊分析 水擊波的傳播及波速計(jì)算 水擊是以壓力波的形式在有限的管道邊界內(nèi)進(jìn)行傳播和反射的 水擊波的傳播分為四個(gè)階段 從伐門突然開啟或關(guān)閉 使水流流速改變產(chǎn)生水擊波 這是水擊的第一個(gè)階段 也是直接波 水擊波所到之處 管道內(nèi)的流速和壓強(qiáng)也隨之發(fā)生變化 當(dāng)水擊波傳播到水庫(kù)或水池或者回到伐門處 水擊波將產(chǎn)生反射 這種反射的水擊波稱為間接波 當(dāng)水擊波傳播到水庫(kù)或水池 水擊波將發(fā)生反射 這種反射波是等值異號(hào)反射 即入射的是增壓波 反射將減壓波 反之亦然 水擊波傳播到閥門處將產(chǎn)生等值同號(hào)反射 即入射的是增 減 壓波 反射的也是增 減 壓波 由于摩擦阻力的作用 水擊波在管道內(nèi)的傳播將逐漸衰減 最后達(dá)到平衡狀態(tài) 水擊波在閥門和水庫(kù)之間往返一次所需的時(shí)間 稱為一個(gè)相長(zhǎng) 往返兩次的時(shí)間稱為一個(gè)周期 式中a為水擊波的波速 L為管道的長(zhǎng)度 輸油管道的水擊分析 水擊的分類 根據(jù)閘門關(guān)閉 或開啟 的時(shí)間Ts與相長(zhǎng)T的比值 直接水擊 閘門關(guān)閉 或開啟 的時(shí)間Ts T 相長(zhǎng) 即從水庫(kù)反射的減 增 壓波尚沒(méi)有到達(dá)閥門處時(shí) 閥門已經(jīng)關(guān)閉 開啟 完畢 閥門處已達(dá)最大 小 水擊壓強(qiáng) 間接水擊 指閘門關(guān)閉 或開啟 的時(shí)間Ts T 相長(zhǎng) 即從水庫(kù)反射的減 增 壓波已到達(dá)閥門處 閥門尚未關(guān) 開 完畢 使閥門處水擊壓強(qiáng)不能再升高 降低 到最大 小 閥門突然關(guān)閉時(shí)有壓管道中的水擊的物理過(guò)程 V 0 V0 0 V 0 流速由V0 0 壓強(qiáng)增加 p 管壁膨脹 流速由0 V0 壓強(qiáng)減小 恢復(fù)原狀 管壁恢復(fù)原狀 流速由 V0 0 壓強(qiáng)降低 p 管壁收縮 流速由0 V0 壓強(qiáng)增加 恢復(fù)原狀 管壁恢復(fù)原狀 水擊壓強(qiáng)的計(jì)算 直接水擊 依動(dòng)量定理可推得 輸油管道的水擊分析 當(dāng)閥門突然完全關(guān)閉時(shí) V 0 則有 例如某壓力引水鋼管內(nèi)水擊波傳播的速度a 1000m s 設(shè)流速由6m s減少到零時(shí) 閥門突然關(guān)閉時(shí)的壓強(qiáng)水頭增量為 輸油管道的水擊分析 根據(jù)質(zhì)量守恒原理可推導(dǎo)出水擊波的傳播速度 K 液體的體積模量 密度 E D 管壁材料的彈性模量 管徑 管壁厚度 輸油管道的水擊分析 以蘇南管道為模型 對(duì)壓力波速度進(jìn)行計(jì)算 1013 25 m s 此速度為充滿汽油的406 47 1的管道中 壓力波的理論速度 輸油管道的水擊分析 若關(guān)閉閥門所經(jīng)歷的總時(shí)間為Ts 則可將它分成n個(gè)時(shí)段 t1 t2 tn Ts t1 t1時(shí)段 t2時(shí)段 輸油管道的水擊分析 直接水擊 當(dāng)時(shí) 閥門處的壓強(qiáng)不受閥門關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)短的影響 間接水擊 當(dāng)或時(shí) 閥門處的壓強(qiáng)與閥門關(guān)閉時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān) 工程設(shè)計(jì)中減小水擊壓強(qiáng)的措施 在管壁材料強(qiáng)度允許的條件下 應(yīng)當(dāng)選用直徑較大 管壁較薄的水管 合理選擇參數(shù) 并盡可能延長(zhǎng)閥門調(diào)節(jié)時(shí)間 以避免產(chǎn)生直接水擊 水擊計(jì)算基本公式液體流速瞬時(shí)變化所引起的初始水擊壓力 直接水擊 防止水擊的措施 1 輸油管道水擊的特點(diǎn)1 對(duì)長(zhǎng)距離輸油管道的水擊要考慮水擊波傳遞過(guò)程中的阻尼現(xiàn)象 2 中間泵站突然停輸是長(zhǎng)輸管路中產(chǎn)生水擊的主要原因 其對(duì)上游站和下游站的影響各不同 對(duì)上游站傳遞的是增壓波 對(duì)下游站是減壓波 輸油管道的水擊分析 2 輸油管道水擊的控制對(duì)于水擊過(guò)程的控制 其目的是避免管道超壓 包括超高壓或超低壓 二是減輕管道運(yùn)行參數(shù)的脈動(dòng) 維持管道的平穩(wěn)運(yùn)行 用于控制水擊過(guò)程的裝置和措施很多 根據(jù)其作用原理可分為兩類 一類是從改變流速變化過(guò)程的角度考慮 如采用氣體緩沖罐 水擊罐等 設(shè)計(jì)合理的閥門開 關(guān)程序和停泵控制過(guò)程 減緩流體瞬變過(guò)程 例如在停電站上 下游的泵站上停一臺(tái)泵 以適應(yīng)事故站的流量變化等 另一類是使用各種壓力保護(hù)設(shè)備 防止管道超過(guò)允許工作壓力 如各種泄壓裝置 回流保護(hù)系統(tǒng)和邏輯控制順序停泵技術(shù)等 輸油管道的水擊分析 1 調(diào)節(jié)閥控制管道系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥是一種阻力可變的節(jié)流元件 通過(guò)改變閥門的開度 可以改變管道系統(tǒng)的工作特性 從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量 改變壓力的目的 2 壓力保護(hù)控制采用密閉輸送流程的管道 除采用調(diào)節(jié)閥控制泵站進(jìn) 出口壓力外 還使用壓力保護(hù)裝置 用于防止管道超壓 泄壓閥 泄壓閥系統(tǒng)作用是當(dāng)管道系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí) 在超壓點(diǎn)把部分甚至全部液體泄放到常壓罐中 以減輕瞬變壓力波動(dòng) 防止瞬變壓力造成的危害 泄壓系統(tǒng)一般由三部分組成 泄壓閥 泄壓罐和連接管道 輸油管道的水擊分析 回流保護(hù) 回流保護(hù)措施主要用于單泵或并聯(lián)泵站進(jìn)站壓力超低限的保護(hù) 由于進(jìn) 出站壓差大 對(duì)于泵站進(jìn)站壓力變化范圍小 自控水平比較低的管道 回流可以迅速調(diào)整進(jìn)站壓力 維持離心泵正常運(yùn)行 泵機(jī)組順序自動(dòng)停運(yùn) 是建立在泵站邏輯控制基礎(chǔ)上的一種保護(hù)措施 該措施主要用于泵站吸入壓力超低 或出站壓力超高的保護(hù) 停運(yùn)泵機(jī)組是人為造成的擾動(dòng) 這樣 降低了泵站提供的能量 減少了泵站的通過(guò)能力 使出站壓力下降 進(jìn)站壓力上升 這種措施主要用于采用串聯(lián)泵機(jī)組的泵站 輸油管道的水擊分析 回流超前保護(hù) 瞬變過(guò)程的超前保護(hù)是建立在高度自動(dòng)化基礎(chǔ)上的一項(xiàng)保護(hù)技術(shù) 當(dāng)管道發(fā)生嚴(yán)重?cái)_動(dòng)時(shí) 為了防止在壓力波傳遞過(guò)程中造成管道壓力超限破壞 由擾動(dòng)源通過(guò)通信系統(tǒng)迅速向上 下游泵站發(fā)出信號(hào) 讓上 下游泵站產(chǎn)生一個(gè)與傳來(lái)的壓力波相反的擾動(dòng) 兩波相遇后抵消 不至于對(duì)管道形成威脅性壓力 對(duì)于泵站之間管道上某些特殊位置 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) 動(dòng)水壓力接近管道允許強(qiáng)度限或動(dòng)水壓力最低的位置 超前保護(hù)可防止其超壓 輸油管道的水擊分析