长陡下坡管道的特殊水力特性及其处置技术探讨

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【摘 要】长距离输油管道经常遇到地形起伏剧烈的线路，尤其是长陡下坡线路时，液流在翻越高峰点后，由于存在剩余能量，使下坡管段产生真空不满流。根据不满流的形成原因及水力特性，本文总结了解决这一问题的方法，包括：减缓下行坡度，延长管路长度；串接小口径管，增加管壁厚度；设置压力控制装置等。

【关键词】长陡下坡线路水力特性；处理技术及方法；结论

一、引言

长距离输油管道的工程设计中，经常遇到地形起伏剧烈的线路，尤其是长陡下坡线路时，液流在翻越高峰点后，由于存在剩余能量，使下坡管段产生真空不满流。管道中真空不满流的存在，不仅浪费能源，而且可能在液流速度突然变化时增大水击压力，引发悬空管段产生振动，在顺序输送时增大混油量。此外，长陡下坡管道还可能发生超压，对管道的安全构成威胁。由于超压引起管道破裂而造成的泄漏将十分严重，不仅在输油时泄漏迅猛异常，而且即使发现泄漏并立即将泵停运，漏点（尤其是在最低点）因位差产生的压力可能非常高，泄漏仍将很难控制。

因此，研究长陡下坡管道（见图1所示）特殊的水力状态，选择合理的处置方法和技术，对实际管道工程设计和生产管理具有重要的意义。

二、长陡下坡线路特殊水力特性分析

1、真空不满流

设有如图1所示的下坡管道，上游泵站提供的压能除必须克服管路水力摩阻外，还必须克服地形高程差，将油品输送到线路的高峰点F。油品一旦被输到该高峰点后，在地形自然落差位能的作用下，不仅可以克服FT段管路的摩擦阻力按规定流量自流到点T，而且还有剩余能量ΔH。由点F到点T之间的压能平衡关系有（近似认为点F与点T处的液流速度即动能相等）：

（1）

式中，PF、PT为点F和点T处管内油品的绝对压力；ΔZ为点F与点T之间的高程差；i为水力坡度；L为点F至点T之间的距离；ρ为油品密度；g为重力加速度。

下坡管段中的真空不满流根据流态可分为三段：空化段、加速段和水跃段，如图1所示。在靠近高峰点的上游段，管内流态为空化流。在此空化段，油品从正流区进入负流区，压力降低，气核膨胀；随着压力进一步降低，气核膨胀上浮现象越严重，从而在管道上部形成一个较长的超空穴。油品的空化情况可用空化数δ反应，它取决于该处油品的绝对压力P、饱和蒸汽压Pv以及流速v等参数的大小，可按下式计算：

（2）

在加速流段，管道上方形成一个稳定的空穴，为油蒸汽和空气的混合体。由于该空穴的存在，使流体脱离管道边界，形成类似明流的流动。在油品重力作用下，流速越来越快，“水深”越来越小，阻力能耗越来越大，直至流速达到最大，最后形成均匀流，流速为vmax。

真空不满流加速段的问题，一是会加剧该管段的磨蚀，二是由于真空腔的存在使得下游阻力增加时会发生弥合水击，该水击压力有可能大大高出管道的允许工作压力，直接威胁到管道的安全。

2、超压

液体管道在途经长陡下坡线路时，即使不出现真空不满流，也可能会发生超压，给管道运行埋下不安全隐患。超压有动水压头超压、静水压头超压及动、静水压头双超压之分，对于实际线路，要根据线路纵断面起伏状况、管道落差大小及水力条件综合判定。

解决静态超压常采用隔断、放空和厚壁管等措施。其中，隔断法最简易和最经济。处理动态超压的逻辑措施是从工艺设计上着手，把线路的动水压头线往下降，降到动压不超为止。但是对于坡度很陡的下坡线路，即使将动水压头线降至最低极限（即与高峰点相交，高峰点处动压为零），其接近坡底的部分管段仍可能超压。因此，应另想它法。

总之，输油管道的长陡下坡线路与一般地形线路的水力状态大不相同，存在真空不满流和超压等特殊问题，对管道的安全运行和控制管理十分不利，必须设法解决和有效控制。

三、处理技术与方法

1、减缓下行坡度，延长管路长度

在选择管道线路走向时，尽量降低管道的敷设坡度，适当延长管线的敷设长度。随着管线长度的增加，摩阻损失也将增大，从而将多余的能量消耗掉，达到消除真空不满流的目的。减缓下坡管线的坡度，还可使输油时的动水压头线更接近线路纵断面线，有利于降低下坡管道承受的动压，从而避免发生动压超压。从工艺技术上讲，这是一种比较好的方法。由于无任何附加的控制技术和设备，使得管道的运行管理简单可靠。不足之处是要增大管道建设投资，且不能解决静水压头超压的问题。

2、串接小口径管，增加管壁厚度

在管道输送量不变的情况下，管径减小，必然会使管内流速增加。根据达西水力摩阻公式可知，管道的水力摩阻与管径成反比，与流速的平方成正比，综合起来，水力摩阻与管径的5次方成反比。可见，管径减小很少一点，摩阻损失就会增加很多。因此，在下坡段串联小口径管，相当于设置一节流阻力部件，可消耗掉多余的能量，并提高管线承压能力；既有利于消除可能发生的不满流和超压等现象，还可降低管材成本，减少建造投资，可谓一举多得。

以上两种方法虽可解决下坡线路的真空不满流和超压问题，但无论是前者还是后者，其自身均无调节能力，当管道输送条件发生较大或剧烈变化时，都不可能作出及时和准确的反应，因而不能适应运行工况的变化。

此外，采用小口径管不能在管道停输时将下坡线路截断以分隔静压，因此无法解决静压超压问题；也无法通行清管器。

3、设置压力控制装置

为了适应多种变化工况条件下均能消除剩余能量、降低动压的需要，必须在下坡管路的适当位置安装具有调节能力的压力控制设备（一般采取旁通安装方式，以便通行清管器）。孔板节流消能装置和压力调节装置就是常用的两类压力控制设备。

（1）孔板消能装置

在下坡管道中串入孔板节流消能装置，通过预先编制好的计算机程序指令指挥有关阀门自动启闭，使某些孔板串入或退出，可适应管道运行工况变化的需要。图3所示为巴西萨马柯管道安装的孔板消能装置的孔口布置示意图。

单个孔板的消能效果可用下式表示：