长输管道排水过程中的气阻现象与气阻定律.pdf

第 3 6卷第 5期 石油工程建设 1 3 安 金 龙 ( 中国石化集团江汉石油管理局油田建设工程公司，湖北潜江4 3 3 1 2 3 ) 摘 要：长输管道在试压排水过程中时常会发生气阻现 象，导致排水压力大大高于理论估算值 。工 程 实践 中．应该采取措施防止 气阻现象的产生，以减小试压排 水的 困难。文章运用流体力学的基本 理论 ．结合塑料管水力实验和长输管道工程 实践 ，对气阻现 象进行 了分析 ，对所谓 “ 气阻定律”做 出了否定的辨析 文章的结论对于长输管道工程的试压排水和输配水系统的正常操作具有一定的指 导意 义。 关 键词 ：长输 管道 ；水压 试验 ；排 水 ；水 力 实验 ；气 阻定律 中图分类号 ：T E 9 7 3 ． 6 文献标 识码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 1 — 2 2 0 6 ( 2 0 1 0 )0 5 - 0 0 1 3 - 0 4 1 长输 管道 排水压 力 的估算 建设中的长输管道一般都采用洁净水作为分段 试压 的介质 。分 段试 压合 格后 ，用 压缩 空气 推 动清 管球( 器 )排 出管 内 的试 压水 。 根据流 体力 学 的基本 原理 ，排 水清 管器 在管 内 正常行走的正面压力( 压缩空气压力 ，在此称为排 水 压力 ) 至少 应 大 于 以下 5种 阻力 之 和 ：试 压 管段 的最低点与排水 口的静水压差 - △ i ；试压 管段 的沿 程 水 头 损失 Y w ~ h ；试 压 管 段 的局 部 水 头 损 失 h j ；推 动清 管 器 正 常 行 走 所 需 的压 力( 用 于克服清管器的重力与摩擦阻力 ) ；排水 E l 的压 力( 背 压 )P 0 。也就是 说 ，一般 情 况下应 有 ： ≥ ( 。 + h f +h j )+ +P o ( 1 ) 式 中 一排水 清 管器 正 常行走 的排 水压 力( 表 压 ，下 同)／ MP a ： —— 水 的重度 ，取 0 ． 0 1 MN ／ m ； 十 一 — — “ +“ — + 一 一 +一 +一 +一 — — + 一 一 +- +一 +- 参考 文献 ： [ 1 ]陈守平， 莫荣． 开发喷涂补 口新技术提高整体 防腐新 水平『 J ] ． 石 油科技论坛 ， 2 0 0 6， ( 6 ) ：4 1 — 4 4 ． f 2 】何 淑静 ， 周伟 国， 严铭卿 ， 等． 燃气 输配管网可靠性 的故 障树分析 l J 1 ． 煤气与热力 ， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 8 ) ： 4 5 9 — 4 6 1 ． 【 3 】尤秋 菊 ， 朱伟 ， 白永 强 ， 等． 北京 市燃气管 网危 险因素 的事 故树分 析『 J 1 ． 油气储运 ， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 9 ) ： 2 7 — 3 0 ． [ 4 ]孙永庆 ， 李又绿 ， 张铮 ， 等． 城市埋地燃气管网失效树的研 究I J 1． 天 然气工业 ． 2 0 0 4， 2 4 ( 1 1 ) ： 1 2 4 — 1 2 6 ． [ 5 ]廖柯 熹， 姚安林 ， 张淮鑫． 天然气管线 失效树故 障分析l J J ． 天然气 A H；——试 压管 段 最低 点 与排 水 E l 的高 程 差／ m： h — —设 定 排水 速度 下 的沿程 水 头损失 ／ m； h j —— 设 定 排水 速度 下 的局部 水头 损失／ m； —— 推 动 清 管 器 正 常 行 走 所 需 的 压 力／ MP a ．一般 为 0 ． 2～0 ． 3 MP a ； 一 排 水 口压 力( 背压 )／ MP a ，一般 为 大 气压 力 ．取 0 ． 1 MP a 。 在工程实践中 ，为便于应用 ， ( 1 )式常常被 简 化成 下式 ： ≥J i} ( A H + ) ( 2 ) 式 中 ——保险系数 ，一般取 1 ． 3～1 ． 5 ； △ 。 一试压管段沿线的最大高程差／ m。 一 般 情 况 下 ，运 用( 2 )式计 算 出 的排水 压 力 与 工程 实际 压力 能够 很好 地 吻合 。根据 计算 结 果确 定的设备参数能够满足排水的操作要求 。但有时也 - +*+-— 卜_ ”— - 卜 -十*+-+一+-+-+-+-— - 卜 - — 卜 _* — — + 一- — — +一 -+-+-+- +- + 工 业 ， 2 0 0 1 ， 2 1 ( 2 ) ：9 4 — 9 6 ． [ 6 ]霍春勇 ， 董玉华 ， 高惠临 ， 等． 管道故 障树基 本事件分析 的德尔斐 法f J ] ． 油气储运 ， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 1 ) ： 8 -1 0 ． 【 7 】刘 铁民 ， 张兴凯 ， 刘功智． 安 全评价方法应 用指南【 M】 ． 北京 ： 化学 工业 出版社 ． 2 0 0 5 ． 作 者简介 ：宋袢 昕( 1 9 7 8 一) ，男 ，河南上 蔡人 ，工程 师 ， 曾从 事城 市燃气输 配工作 8年 ，现为 西南石油 大学在读 硕 士研究生 ，主要从事油气管道风险评价与完整性管理研 究。 收稿 日期 ：2 0 1 0 — 0 5 — 2 4：修回 日期 ：2 0 1 0 — 0 6 — 2 8 ￥ ￥ ￥ ￥ ￥ ￥ ■0 ～ 一 ～ - ◆ 0～ 一 ～ 一 l I ～ 一 一 0 一精 啦 0 - 一 _ ■ ～ 盥 _ l l 一 瓣 鬻 赣 ～ _ lllll_ 星 一 ⋯ 一l l l ． 一 糍 獬 ． 鬻 ： ㈣ 1 r l 鬻 煞 恤冁 瓣 誊 一 一 ：lI匣_ 囊 臻 誊 囊 糍 一 一 褥 一 一 长 ‘ ‘ 1 4 石油工程建设 2 0 1 0年 1 0月 会发生异常现象 ：排水压力远远超过 了按 ( 2 )式 计算的 P e ，排水清管器( 球 )还是不能正常行走 ， 管内的试压水也不能正常排出。此时，我们通常认 为产生了气阻现象。 那么 ，气阻现象为什么会产生?如何评估气阻 现象对 试压 排水 产生 的影 响 ?怎样 防止气 阻现 象 的 产生? 对于这些问题 ，很多人进行 了有益的探索 ，提 出了自己的见解 ，其中包括翁友彬 、阮天恩 ( 以下 简称 翁一 阮 )的水力 实验 和他们 的 “ 气 阻定律 ” 。 2 气 阻定律 翁一 阮设计 了一 组长 达 1 7 m的管 道实 验装 置 ， 委托清华大学进行了相应的水力实验 ，试 图揭示重 力流输配水管道 中发生的气阻现象 ．并合作撰写了 一 篇题 为 《 气 阻定律 》的论 文 ( h t t p ： ／ ／ w w w ． s t u d a ． n e e s i g n s ／ 0 6 0 3 O 7 ／ l 1 4 8 3 8 1 6 ． h t m1 ) 。 在这篇论文 中．翁一阮通过考察管内微段空气 柱 的受 力状 态 ．推导 出 “ 气阻定 律 ” ： P F 一 =P a e ( 3 ) 式 中 P E 一 — — 管 道 系 统 内 E — E断 面 的最 大 压 力 ( 绝 对压力 ) ； 一 管道系统 出口处压力 ( 绝对压力) ； e —— 自然对数的底 ，e=2 ． 7 1 8 2 8 ⋯⋯； 管道 内气体 的黏滞 系数 ，与管道特性 有关 ，通 过实 验测 定 ； Z 。 ——管道系统内当量空气柱 的长度； D ——管道内径 。 对 于 这个“ 气 阻定 律 ” ，笔 者 认 为 不 能成 立 ， 理 由是 ： 第一 ，它 的基 本假 设与 流体 在管道 内的实 际运 动状 态相 去甚 远 。翁一 阮在 推导 “ 气 阻定律 ” 时将 微段空气柱作为考察对象 ，建立 了一个 轴方向 的力学平衡式 ： d P—r n = ~ r Dd x ：0 ( 4 ) 斗 式中d p ——微段空气柱的压降； 广一单位面积管壁对微段空气柱的黏滞 阻力 ； d — — 微段 空气 柱 的长度 。 这个力学平衡 式的成立至少需要两个基本条 件 ：一是考察 的对象为均质 、连续 的圆柱形刚性 体：二是外部的约束为均质、连续 、与圆柱形刚性 体紧密接触的弹性体。而空气( 或其他流体 )本身 一 不连续 ，二不是刚性 ，且 因其具有黏性、流动性 和可 压 缩 性 ，管 道 断 面 上 各 质 点 沿 轴 方 向的 流 速并不相同 ( 一般沿半径方 向从里到外逐渐减小 ) 。 也就是说 ，管道 内的微段空气柱并不是平行 向前移 动 。因此 ，式( 4 ) 的力 学平 衡 式不 能 成立 ，由此 而得出的 “ 气阻定律”当然也不能成立 。 第二，对水力实验 的理论解释不正确。翁一阮 对 自行设计的管道实验装置在实验中出现的断流现 象进行了分析。他们认为 ，出现断流现象的原因在 于管道系统 的某一断面存 在未 知力 P E ，这个 未知 力 阻止 了水 管 中水 的流动 。同 时 。对一 个确 定 的输 水管道系统而言 ，存在一个临界掺气量 ，当输水管 道系统内的掺气量达到或超过这一临界掺气量时 ， 正常的水流被气体阻隔，发生断流。 笔者不清楚他们的实验装置能否清晰地观察到 管 内流体的运动状态 ，但通过类似的塑料管水力实 验可以肯定地认为，这种分析既没有找到断流现象 发 生 的真正 原 因 ，也 没有注 意 到这套 实验装 置所 阐 释的普遍意义。只要我们注意到这套实验装置所具 备的 “ 管道系统存在波状起伏”和 “ 管道系统内同 时存在气 、液两相介质” 这两个基本特性 ，就可以 用传统流体力学的基本原理加以分析和解释 ( 参见 本文第 3 部分) 。管道系统产生气阻现象的基本条件 就是要具备这两个基本特性 。出现断流现象是系统 作用的结果，而不是某一断面未知力作用的结果。 第三 ，气阻定律不具备基本的普遍适应性。根 据翁一阮的 “ 气阻定律” 。当管道直径 D、特性值 和出水端压力 尸 日 一定 时 ，P E 一 随着管 内当量空 气柱长度 成指数上升 。也就是说 ，如果翁一阮 “ 气 阻 定律 ” 的基 本假 设 是 正 确 的 ，对 于如 图 1 所 示的最简单的输水 管道 系统 ，要想 出水 口有水流 出 ，应 该 有 h > >h 。 ；但 实 际 上 ，如果 忽 略 管道 的 沿 程 和 局 部 水 头 损 失 ，只 要 h >h 。 ，打 开 阀 门 r l 、 0 ．管道内就会有介质流动 ，出口端就会有水流出。 这种现象符合传统流体力学的基本原理 。 图 1 简单重 力输水 系统示意 第 3 6卷第 5 期 安金龙 ：长输管道排水过程中的气 阻现象与气 阻定律 1 5 3 塑 料管水 力 实验 尽管翁一阮的 “ 气阻定律”不能成立 ，但他们 在 论文 中阐述 的断流 现象( 实 际上 就是 通 常所说 的 气阻现象)确实是客观存在。那么，到底是什么原 因导致实验装置产生了断流现象呢? 为了更直观地反映这类管道系统内气、水两相 介 质 的运 动状 态 ．笔 者用透 明塑料 管进 行 了类似 的 水 力 实验 。方 法如 下 ： 在标有高程刻度的墙壁上将一根长 1 0 m、直径 2 0 mm 的 透 明塑 料 管 安装 成 不 规 则 的 蛇形 状 态 ( 见 图 2 ) 。蛇形管的一端与大气连通 ，另一端与高位水 箱相接。打开阀门 n 、o ，在水流速度足够小 、水流 到达末 端 。或保持 流 动 时 ．将 形成 如 图 2所 示 的状 态 ：在 k — i 、g — f 、c — b段会残存一定体积的空气。 图 2塑 料 管 水 力 实 验 示 惹 设出水端压力为 尸 n ，进水端压力为 ，忽略空 + ( h 一h i ) 】 ( 9 ) 气的质量 ，在管道系统达到静态平衡时有 ： 从( 9 )式可 以看 出 ，对于波状起伏 ，且存在 +y w h b =P o +Y w h 0 ( 5 ) 气一液两相介质 的管道系统而言，管道系统内液体 + h f =P c + h 。 ( 6 ) 正常流动的基本条件是 ：进水端液面的压力与位能 P k _ j + T w h j = - 4 - T w " h ( 7 ) 之 和大 于 出水端 液面 压力 、位 能 与各段 弯 管波 峰 两 P e +’ ， w h 。 =吧 +y w h ( 8 ) 侧液柱的重力差之和 。 综合以上 4式得到 ： 对于翁一 阮设 计 的水 力实验 装置( 见 图 3 ) ， P e + ( 一h o )=P o + [ ( h 一h b )+ ( h 一 h ) 也可以用此方法进行分析。 3 ． 2 0 ． }} 2 J h E 2．5 0 L一 一 ／ ／ | 图 3翁一 阮水力 实验装置( 图中标高尺 寸为 m) 无论是先打开管道末端阀门，还是先打开管道 首端 阀 门 ，如 果不 在水 与 空气 之 间放 置 隔离 球 ( 器) ，由于水与空气存在较大的密度差 ，在放水过 程 中，管道系统 内总会或多或少地残存部分空气 ， 从 而形成 一定 的气 阻 。气 阻 的大 小 与管道 系 统 的特 ： Z ! ： 性( 波峰的高度、数量 ，管道的直径、内壁粗糙度 等)有关。 极端的情况 ，下坡段 ( 波峰右侧 )的空气全部 积存在管内，被上坡段( 波峰左侧 )的水 密封住 ． 此时系统末端出水所需的压力( 排水压力 )达到最 1 6 石油工程建设 2 0 1 0年 1 0月 大。这个最大的排水压力在具体情况下可以计算出 来 ，但计算 的过程 非常复杂 。我们 通过( 2 )和 ( 9 )两式 可 以推 断 。 ．i} ( A 日 + ) ≤ P o ≤ ( ∑ △ 十 ) ( 1 O ) 式中 △ H - ～管段波峰与波谷的高程差， m。 4工 程 实践 某段蜿蜒穿行于低 山丘陵地区的输气管道 ，管 径 7 1 1 mm，长度 3 8 k m，最大高程 差 7 2 i n 。管道 焊接下沟后按要求进行 了清管、测径 ，然后用洁净 水作为分段试压的介质 。试压合格后用板式清管器 推球排水 。按 ( 2 )式的计算 ，压缩空气的压力只 要达到 1 ． 2 ～ 1 ． 5 MP a 就足以推动排水清管器将管 内 试压水推 出。但实际操作 中，进气端压力( 表压 ) 达到 1 ． 6 MP a ，出水端的压力仍然为零 ，没有试压 水排 出。再加压至 2 ． 5 MP a ，试 压水 仍不能排出。 为什 么会 出现 这种 状况 呢 ? 最 初 的分 析 只考虑 到两 种可 能 ：一是测 径完 毕 后 ，管道受外力作用( 例如重型车辆或机械挤压 ) 局部变形 ，致使排水清管器在某处卡阻；二是排水 清管器损坏。 通过对管道沿线进行反复勘察 ，排除了第一种 可能。将该管段从 中间较高点切断后分段排水 ，推 出排水清管器检查 ，发现清管器也完好无损 ，且断 点一 侧 的管段 没有试 压水 。 这说 明在推球排水 的过程 中 ．发 生了气 阻现 象。正是气阻的存在导致了排水清管器不能正常行 走 ．试 压水不 能 正常排 出 。 5结论 通过以上的分析 ，并以工程实践为佐证 ，可以 作出以下结论 ： 一+ - +- +一 +一 +- +一 +- +- +- +- +- + ( 1 )以理想流体为基本假设 的传统流体力学的 正确性不应受到怀疑 。 ( 2 )翁一 阮的 “ 气阻定 律 ”不 能成立 。 因为 它 的基本假设与流体在管道 内的实际运动状态相去甚 远，对水力实验 的理论解释不正确 ，且不具备基本 的普遍适用性。 ( 3 )产生气 阻现 象必须 同时存 在两个基本条 件 ：一是管道系统存在波状起伏 ；二是管道系统内 同时存在气、液两相介质。 ( 4 )长输管道试压排水过程中发生气阻现象的 主要危害是提高了排水压力 ，对排水设备提出了更 高的要求 。当排水设备无法达到这种要求时，可能 导致 切 管 。 ( 5 )在工程实践中，特别是在山区、丘陵地段 长输 管道 的试 压上水 过 程 中 ．应该 采取严 密措 施防 止气阻现象的发生。一要合理使用 隔离球( 器) ， 避免大量空气残存在管内 ；二要认真检查上水系统 的密封状况 ，避免试压水中混入空气。 ( 6 )试压排水所需的最小压力不仅与试压管段 的最大高差有关 ，也与试压管段的起伏状况 ( 起伏 次数和每次起伏的高差等)和试压水中的空气含量 有关。基于这种考虑 ， ( 2 )式中的 值应提高至 2～2 ． 5 ，并 尽可 能取 上 限 ，或 者 直接按( 1 0 )式 估 算排水压力。 作者 简介 ：安金龙( 1 9 6 3 一) ，男，湖北黄梅人 ，教授 级 高 级 工程 师 ，1 9 8 3年 毕 业 于 西 南石 油 学 院石 油储 运 专 业 ， 2 0 0 4年 毕业 于华 中科技 大 学工程管理 专业 ．获硕 士学位 。 现从事施工技术管理工作 。 收稿 日期 ：2 0 0 9 — 1 1 - 1 6 *+ 一 +- +- — + ～ - — + 一- — + 一一 — - + - - +一 +一 + 。蕾 国内最大 L N G码头在大连建成 x “—+一一—+一一—+一 J 2 6 ． 7万 r n ， L N G码头 于 2 0 1 0年 8月 2 9日在大 连竣 工 。这 是 中 国石 油建 成 的第 一个 L N G码头 ，也是 目 前 国内最大、中国北方第一个 L N G码头 ，将成为中国海上油气战略通道的重要枢纽。 大连 L N G项 目是国家 “ 十一五”发展规划重点项 目。该项 目由码头、接收站和输气管道三部分组成，位 于大连保税区大孤山新港 ，通过接收国际市场 L N G资源 ，形成了国内输气管网的多气源、多方位供气格局， 为东北老工业基地建设提供清洁能源 ，年最大供气能力达到 1 0 5 亿 r n 。整个项目预计 2 0 1 1 年 4月投入运行。 大连 L N G码头全长 4 4 6 I l l ，其中码头栈桥全长 1 5 013 " 1 ，是国内目前最大的开敝式 L N G码头，可停泊 目前 世界最大的 L N G运输船。大连 L N G码头于 2 0 0 9年 3月 1日动工建设 ，截至 2 0 1 0年 8月 2 9日码头工程竣 工，累计实现安全人工时 5 5 5万 h ，经大连港口建设监理咨询有限公司检定，工程质量合格率达到 1 0 0 ％。 监测数据显示 ，码头施工对周围海域环境未造成任何影响和危害 ，实现 了零污染 、零事故 、零伤害 的 目标 。 本刊 报道