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1、概述

　　水击是长输管道运行中常有的一种现象。一面由于局部条件的改变使运行工况发生变化,另一方面输送油品的变化也会导致管道内水力状态发生变化。当突然断电导致停泵,或阀门的快速启闭等,都会使管道输送的稳定状态遭到破坏。在输油过程中由于压力的突变,产生的压力波值超过了管道允许的弹性值及设备的承压能力时,就会引起输油管道和设备的损坏,严重时出现爆管事故。长输管道专为流体集输管线设计的一种安全泄压装置,用于防止管道系统由于瞬变流产生的管网异常压力波动及水击压力对管道系统及设备的破坏,该阀可广泛用于油、气、化工产品、浆液、水等介质集输管道系统,作为管线安全保护装置。

2、泄压阀结构及工作原理

　　泄压阀(图1)与受保护的管线并联连接,其上游侧与受保护的管线相通,下游侧与水击泄放管道相连。在投入使用前预先向的柱塞腔内充入确定压力的氮气,这样当管线正常输送时,在内腔设定压力作用下柱塞紧密的与主阀座贴合,使泄压阀处于正常关闭状态。当管线发生水击,异常升压,超过其柱塞内腔所设定的安全控制压力时,在压差的作用下柱塞打开,通过柱塞外腔开始泄压并报警。当水击压力衰减到小于设定安全控制压力时,柱塞与阀座缓慢平稳贴合,恢复关闭状态,停止泄放,管线恢复正常输送。

3、水力瞬变分析

　　长输管线泄压阀一般安装在下游泵站的入口处(图2),用以保护上游泵站。可建立以下模型来分析终端阀门瞬时关闭产生水击泄压阀入口处的水力瞬变情况。以管道直径D=100mm,管道长度L=12000m,上游泵站提供压头H₀=250m,管道出口压头H₃=30m,管道内介质流动处于紊流区,m=0.125,f=81.35(s/m³ )^1.875,水击波速a=1000m/s的工况条件为例。在管线终端设置阀门在2s内关闭造成水击,泄压阀设置于终端阀门上游附近。

　　首先进行终端阀门关闭水击计算。画x - t网格,将管道等分成十二段(N=12),每段长度为Δx=L/N=1000m,时步Δt=Δx/a=1s。终端阀门关闭产生水击,水击特征线方程的差分形式可写为

　　水击波传播到泄压阀,当压力高于其开启压力时,泄压阀瞬时打开,泄放管路压力。此时再进行管路下游阀门瞬时开启的水击计算,水击特征线方程同终端阀门关闭的水击特征线方程。泄压阀动作的边界条件为

　　将特征线方程编制程序(图3、图4) ,代入题设条件,运行程序计算泄压阀入口端水力瞬变(图5)。

4、瞬变工况测试

　　泄压阀瞬变工况按图6所示流程进行测试。多级由变频电机驱动, 扬程335m, 流量155m³ /h,电磁流量计量程250m³ /h,精度110级,压力变送器量程0～5.0MPa,精度等级0.5,输出标准电流环信号进入计算机,压力测试点采用环形取压〔4〕〔5〕。

1.多级离心泵　2、10.止回阀　3、7、9.流程阀　4.电动调节阀 5.电磁流量计　6.压力变送器　8.被测泄压阀　11.试验水池
 

图6　瞬变工况测试流程

　　设定泄压阀的控制压力。通过变频器调节电机转速,使关阀压力略高于泄压阀在该控制压力下的泄放压力,以保证在快速关断止回阀时能打开泄压阀。快速关断止回阀模拟实际运行中的水击工况,同时启动计算机数据采集系统。观察阀门是否及时泄放,计算机自动记录阀前的压力变化情况。为了测试不同压力下泄压阀水力变化情况, 在0.8 ～2.2MPa之间基本均匀测试8组数据。由于数据太多,关阀以前及关阀稳定后的部分数据不予分析,将测试结果选取四组拟合成曲线(图7) 。

　　测试结果表明,在不同的控制压力下,泄压阀的{zd0}响应时间不超过50个采样间隔,即响应时间不超过110s。止回阀快速关断产生水击增压,当水击波向上游传播到泄压阀,水击压力高于泄压阀开启压力时,泄压阀响应开启,开始泄放,管道中的水击增压被减弱。泄压阀开启时产生的减压波与止回阀关闭产生的增压波相叠加,造成管道内压力的波动变化。当压力降至低于开启压力时泄压阀关闭。由于泄压阀的开启压力高于管道工作压力,所以泄压阀关闭后管道内的压力高于稳定工作压力。

1.控制压力0.8MPa　2.控制压力1.2MPa　3.控制压力1.8MPa　4.控制压力2.2MPa

图7　试验测试泄压阀入口端压力变化曲线

　　通过对长输管道泄压阀进行水力瞬变理论分析计算和试验测试,两者结果吻合良好。表明泄压阀能够在水击产生时迅速响应,且泄压效果明显,能够有效保护管道及设备不受水击的破坏。

5、结语

　　长输管道泄压阀作为专门保护流体集输管线的安全泄压装置,对于防止管道系统受水击压力的破坏起着重要的作用。通过对长输管道泄压阀进行水力分析和水力瞬变试验,编程计算得出的理论结果与试验实际测得的结果相符合,这为掌握泄压阀对管道水力状态的影响提供了理论和试验依据,以使其在工程应用中更好的发挥作用,保护管道及设备。