李曉平 鄧 濤 周 軍 陳媛媛 宮 敬

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

管道輸送作為五大運(yùn)輸方式之一，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。對于新建起伏管道，試壓操作是對管道施工質(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)踐中的長輸水管路中所出現(xiàn)的管路破裂, 70%～80%與液柱分離再彌合有關(guān)。特別在長距離管道中途經(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)仿真模擬手段對試壓排水方案是否會(huì)有不滿流發(fā)生進(jìn)行評估。但是目前國內(nèi)外尚無長距離油氣管道試壓排水不滿流分析的模擬軟件，目前市場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，中國石油大學(xué)(北京)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程系多相流課題組開發(fā)了首套長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)有模擬軟件中對試壓排水過程不滿流分析的問題，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

試壓排水過程中首端空壓機(jī)注氣，末端開閥放水會(huì)在管道內(nèi)形成不穩(wěn)定流動(dòng)。長距離油氣管道分段試壓排水過程中的管內(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。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)上述過程持續(xù)時(shí)間足夠長，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，通過局部流速的增大來消耗剩余的能量。一般情況下管道運(yùn)營過程中會(huì)采取措施以避免不滿流出現(xiàn)[7]。

由于排水過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)測沿線壓力變化并對不滿流發(fā)生時(shí)間、具體位置和范圍進(jìn)行預(yù)測，對排水方案合理性進(jìn)行評估。

2 軟件介紹

2.1 軟件功能介紹

長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 語言環(huán)境下編寫的通用軟件，具有人性化界面設(shè)計(jì)，操作直觀?？蓪θ我獾匦螚l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語言編寫，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

利用長距離油氣管道試壓排水不滿流分析軟件對國內(nèi)某條輸氣管道劃分段試壓排水過程進(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)，無氣體逸出，當(dāng)?shù)貕毫轱柡驼羝麎骸?/p>

一般現(xiàn)場試壓排水空壓機(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，研究試壓段長度不超過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：

管道長度 6.971km

最大高差 178.77m

管材規(guī)格φ1219×18.4mm (鋼級X80)

試壓頭筒體規(guī)格φ1219×22mm (鋼級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)試壓排水過程約36.7h。排水閥打開后，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開始減小。在排水過程中相當(dāng)長時(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)場實(shí)際測得值基本吻合。此外，現(xiàn)場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，對管路造成嚴(yán)重破壞。

4 結(jié)束語

提出了可行的試壓排水不滿流分析理論，并開發(fā)了長距離油氣管道試壓排水不滿流分析軟件，其界面友好、操作簡單且通用性強(qiáng)，能幫助用戶對管道試壓排水工況中可能出現(xiàn)的不滿情況進(jìn)行分析與評價(jià)。目前，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測排水壓力不滿流發(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，對現(xiàn)場某條管道試壓排水進(jìn)行不滿流模擬預(yù)測，模擬結(jié)果和現(xiàn)場觀察現(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)際對管道建設(shè)安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

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