爆管機(jī)理及排水講座課件

1、中國(guó)石油大學(xué)（北京）中國(guó)石油大學(xué)（北京）宮敬宮敬 內(nèi)容內(nèi)容1爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象234過(guò)程分析及實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析及實(shí)驗(yàn)研究成果研究成果施工建議施工建議1爆管現(xiàn)象l 西氣東輸二線(xiàn)十八標(biāo)段第一次爆管西氣東輸二線(xiàn)十八標(biāo)段第一次爆管20102010年年7 7月月2020日日5 5：1010，西氣東輸二線(xiàn)東段，西氣東輸二線(xiàn)東段1818標(biāo)段在標(biāo)段在EB026EB026樁樁EB034-2EB034-2樁間管道試壓后排水作業(yè)時(shí)，發(fā)生樁間管道試壓后排水作業(yè)時(shí)，發(fā)生一起線(xiàn)路管道破裂事件。一起線(xiàn)路管道破裂事件。爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象l 西氣東輸二線(xiàn)十八標(biāo)段第二次爆管爆裂點(diǎn)爆裂點(diǎn)BJ602759BJ602759BJ6523

2、25BJ652325HY235226HY235226短接短接HY235372HY235372試壓頭試壓頭爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象排除了管材質(zhì)量問(wèn)題排除了管材質(zhì)量問(wèn)題破裂鋼管檢測(cè)分析爆管現(xiàn)象l 某油管道爆管 2013 2013年年3 3月月2727日，日，KP114KP114接力注水點(diǎn)使用兩臺(tái)試壓泵通過(guò)接力注水點(diǎn)使用兩臺(tái)試壓泵通過(guò)KP114-KP125KP114-KP125（氣管道里程）油管線(xiàn)和（氣管道里程）油管線(xiàn)和KP125-KP129KP125-KP129氣氣管線(xiàn)作為引水段，正在對(duì)管線(xiàn)作為引水段，正在對(duì)KP129-KP135KP129-KP135氣管線(xiàn)注水，早上氣管線(xiàn)注水，早上8 8時(shí)，為滿(mǎn)足時(shí)，為

3、滿(mǎn)足KP128-KP140KP128-KP140（氣管道里程）段油管線(xiàn)試壓（氣管道里程）段油管線(xiàn)試壓，操作人員將，操作人員將128128位置閥門(mén)微啟以提供此段試壓用水，即時(shí)位置閥門(mén)微啟以提供此段試壓用水，即時(shí)，KP114KP114位置壓力表表壓為位置壓力表表壓為5.6MPa5.6MPa。 直到直到9 9時(shí)時(shí)2020分，分，KP114KP114現(xiàn)場(chǎng)操作人員突然聽(tīng)到一聲震響，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)操作人員突然聽(tīng)到一聲震響，同時(shí)壓力表震壞。操作人員立刻停機(jī)，并更換另一塊壓力表，壓壓力表震壞。操作人員立刻停機(jī)，并更換另一塊壓力表，壓力顯示為力顯示為“0.8MPa”“0.8MPa”。爆管現(xiàn)象 現(xiàn)場(chǎng)注水流程示意圖現(xiàn)場(chǎng)注

4、水流程示意圖爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象l 中貴輸氣管道爆管 中貴輸氣管道中貴輸氣管道EC288-EC326EC288-EC326試壓試壓段段20132013年年9 9月月1818日日1717點(diǎn)開(kāi)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)球排水始發(fā)球排水，9 9月月2020日日1818：0707在在EC288EC288處（末端）發(fā)生了處（末端）發(fā)生了封被打爆情況。封被打爆情況。注氣端發(fā)生爆管前壓力注氣端發(fā)生爆管前壓力2MPa2MPa，爆管后變?yōu)?，爆管后變?yōu)?.1MPa1.1MPa。爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象十八標(biāo)段排水爆管特點(diǎn)：（一）時(shí)間上接近，都發(fā)生在排水末期；（二）爆管部位緊鄰，都位于排水尾端，試壓頭前部；（三）破壞斷口特性相同

5、，具有韌性斷裂的特征，在破裂之前發(fā)生了大量的塑性變形；（四）鋼管的破裂是由異常瞬時(shí)過(guò)載造成的。中貴管道排水爆管特點(diǎn)：（一）發(fā)生在排水末期；（二）位于排水尾端，使封頭與主管道撕裂脫離；（三）破壞是由異常瞬時(shí)過(guò)載造成的。爆管現(xiàn)象某油管道爆管特點(diǎn)：（一）沒(méi)有明顯的時(shí)間特征；（二）爆管部位處于低點(diǎn)附近；（三）破壞斷口具有韌性斷裂的特征，在破裂之前發(fā)生了大量的塑性變形；（四）鋼管的破裂是由異常瞬時(shí)過(guò)載造成的。u爆管的機(jī)理到底是什么，及其與地形、管內(nèi)狀況、爆管的機(jī)理到底是什么，及其與地形、管內(nèi)狀況、清管器運(yùn)行狀況、排水管排水能力的關(guān)系？清管器運(yùn)行狀況、排水管排水能力的關(guān)系？ u從流動(dòng)過(guò)程的瞬間壓力分析，管

6、道超壓能夠達(dá)到從流動(dòng)過(guò)程的瞬間壓力分析，管道超壓能夠達(dá)到多大？多大？u為什么其他類(lèi)似的管段沒(méi)有爆管？為什么其他類(lèi)似的管段沒(méi)有爆管？ u需要怎樣規(guī)范我們的操作需要怎樣規(guī)范我們的操作 ？爆管由什么引起的？?jī)?nèi)容內(nèi)容1爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象234過(guò)程分析及實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析及實(shí)驗(yàn)研究成果研究成果施工建議施工建議1排水物理過(guò)程排水物理過(guò)程模型分析2010（一）清管器初始運(yùn)行階段 （二）清管器在平坦地段運(yùn)行階段 （三）清管器在沖溝運(yùn)行階段（四）清管器到達(dá)排水口附近的超壓階段 爆管注氣開(kāi)閥室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究試驗(yàn)主管道部分發(fā)球裝置收球裝置、排水管道及回水系統(tǒng)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)建設(shè)供氣系統(tǒng)供水系統(tǒng)回水系統(tǒng)試驗(yàn)管道系統(tǒng)測(cè)量與數(shù)采系統(tǒng)室內(nèi)

7、試驗(yàn)工藝流程圖試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)建設(shè)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)視頻實(shí)驗(yàn)視頻1 1實(shí)驗(yàn)視頻實(shí)驗(yàn)視頻2 2實(shí)驗(yàn)視頻實(shí)驗(yàn)視頻3 3實(shí)驗(yàn)視頻實(shí)驗(yàn)視頻4 4室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過(guò)程展示過(guò)程展示現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀表安裝示意圖現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置圖現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置圖現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)象現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)象現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果注氣端壓力-時(shí)間圖示排水端壓力-時(shí)間圖示 高效、穩(wěn)定、收斂-數(shù)值算法 合適邊界條件模擬結(jié)果 介質(zhì)物性 設(shè)備特性 數(shù)學(xué)公式描述過(guò)程 排水過(guò)程 建立與數(shù)學(xué)模型聯(lián)系 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù) 室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)物理過(guò)程分析 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行分析，清楚認(rèn)識(shí)排水過(guò)程中各個(gè)階段物理過(guò)程，通過(guò)結(jié)合理論知識(shí)，建立能夠描述整個(gè)排

8、水過(guò)程及工況變化的數(shù)理模型。并且基于數(shù)理模型和合適的邊界條件，選擇高效，穩(wěn)定的數(shù)值計(jì)算方法，最后達(dá)到對(duì)揭示爆管機(jī)理的目的。數(shù)理模型 理論研究與建模理論研究與建模流體動(dòng)力學(xué)理論多相流理論瞬變流理論理論研究形成了計(jì)算軟件形成了計(jì)算軟件中貴現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比內(nèi)容內(nèi)容1爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象234過(guò)程分析及實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析及實(shí)驗(yàn)研究成果研究成果施工建議施工建議1項(xiàng)目項(xiàng)目 參數(shù)參數(shù)管道管道主管段長(zhǎng)度主管段長(zhǎng)度6.93 Km主管段直徑主管段直徑121918.4 mm最大高差最大高差178.5 m排水管長(zhǎng)度排水管長(zhǎng)度150.0 m排水管直徑排水管直徑159.0 8.7 mm管壁當(dāng)量粗糙度管壁當(dāng)量粗糙度0.01 mm清管器清

9、管器質(zhì)量質(zhì)量700.0 kg清管器與管壁動(dòng)摩擦阻力清管器與管壁動(dòng)摩擦阻力0.03MPa清管器與管壁靜摩擦阻力清管器與管壁靜摩擦阻力0.04MPa壓縮機(jī)壓縮機(jī)工作流量工作流量0.5x2 Nm3/s、 0.5Nm3/s介質(zhì)介質(zhì)氣體壓縮因子氣體壓縮因子1.0注氣段溫度注氣段溫度 20.0空氣密度空氣密度1.293 kg/m3空氣運(yùn)動(dòng)粘度空氣運(yùn)動(dòng)粘度0.000015 m2/s空氣中波速空氣中波速355.0 m/s水的密度水的密度998.0 kg/m3水的動(dòng)力粘度水的動(dòng)力粘度0.001 Pa.s水的飽和蒸汽壓水的飽和蒸汽壓2340.0 Pa.s兩次排水爆管的基本參數(shù)兩次爆管過(guò)程的模擬 第一次爆管模擬兩次

10、爆管過(guò)程的模擬 清管器位移第一次爆管模擬兩次爆管過(guò)程的模擬 清管器速度第一次爆管模擬兩次爆管過(guò)程的模擬 排水末端和翻越點(diǎn)處流量第一次爆管模擬兩次爆管過(guò)程的模擬 特殊地段節(jié)點(diǎn)壓力第一次爆管模擬結(jié)果第一次爆管模擬結(jié)果兩次爆管過(guò)程的模擬 編編號(hào)號(hào)項(xiàng)目項(xiàng)目結(jié)果結(jié)果備注備注1排水末端排水末端壓力峰值壓力峰值30.5MPa超過(guò)管道超過(guò)管道爆管所需爆管所需壓力壓力2排水末期排水末期壓力峰值壓力峰值 2.13 MPa3模擬時(shí)間模擬時(shí)間19小時(shí)又小時(shí)又40分鐘分鐘現(xiàn)場(chǎng)接近現(xiàn)場(chǎng)接近20小時(shí)小時(shí)4瞬時(shí)超壓瞬時(shí)超壓是清管器是清管器位置位置離入口離入口6854.6m現(xiàn)場(chǎng)清管現(xiàn)場(chǎng)清管器接近排器接近排水末端水末端5清管器在

11、清管器在翻越點(diǎn)處翻越點(diǎn)處速度速度35m/s實(shí)驗(yàn)室模實(shí)驗(yàn)室模擬達(dá)到擬達(dá)到30m/s排水末端6930m處壓力各個(gè)節(jié)點(diǎn)最大壓力第二次爆管模擬兩次爆管過(guò)程的模擬 清管器位移清管器速度排水末端和翻越點(diǎn)處流量特殊地段節(jié)點(diǎn)壓力第二次爆管模擬結(jié)果第二次爆管模擬結(jié)果兩次爆管過(guò)程的模擬 編編號(hào)號(hào)項(xiàng)目項(xiàng)目結(jié)果結(jié)果備注備注1排水末端排水末端壓力峰值壓力峰值37.0MPa超過(guò)管道爆超過(guò)管道爆管所需壓力管所需壓力2排水末期排水末期壓力峰值壓力峰值 2.02 MPa3 模擬時(shí)間模擬時(shí)間37小時(shí)又小時(shí)又40分鐘分鐘現(xiàn)場(chǎng)接近現(xiàn)場(chǎng)接近39小時(shí)又小時(shí)又40分分鐘鐘4瞬時(shí)超壓瞬時(shí)超壓是清管器是清管器位置位置離入口離入口6898.5m

12、根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，清管器件，清管器也接近排水也接近排水盲端盲端5清管器在清管器在翻越點(diǎn)處翻越點(diǎn)處速度速度40m/s排水末端6930m處壓力各個(gè)節(jié)點(diǎn)最大壓力u對(duì)西氣東輸二線(xiàn)東段18標(biāo)段EB026樁EB034/2樁間進(jìn)行排水模擬中，入口分別安裝1臺(tái)和2臺(tái)（額定工作壓力2.2MPa、排氣量為30m3/min）空壓機(jī)，排水末端與一臺(tái)DN150閥門(mén)相連接管徑159mm的鋼管進(jìn)行排水。u由以上模擬結(jié)果可知：第一次試壓排水進(jìn)行模擬，安裝2臺(tái)空壓機(jī)，末端瞬時(shí)壓力排水末期在達(dá)到30.5MPa；第二次模擬，安裝1臺(tái)空壓機(jī)，在末期瞬時(shí)壓力也達(dá)到37.0MPa，兩次模擬結(jié)果都超處出了管道爆管所需壓力，繼而可能導(dǎo)

13、致爆管事故。結(jié)果分析結(jié)果分析 兩次爆管過(guò)程的模擬 2734502101219159不同排水管徑的模擬分析項(xiàng)目項(xiàng)目 參數(shù)參數(shù)管道管道主管段長(zhǎng)度6.93 Km主管段直徑121918.4 mm最大高差178.5 m排水管長(zhǎng)度150.0 m排水管直徑159.0 8.7 mm管壁當(dāng)量粗糙度0.01 mm清管器清管器質(zhì)量700.0 kg清管器與管壁動(dòng)摩擦阻力0.03MPa清管器與管壁靜摩擦阻力0.04MPa壓縮機(jī)壓縮機(jī)工作流量0.5x2 Nm3/s介質(zhì)介質(zhì)氣體壓縮因子1.0注氣段溫度 20.0空氣密度1.293 kg/m3空氣運(yùn)動(dòng)粘度0.000015 m2/s空氣中波速355.0 m/s水的密度998.0

14、 kg/m3水的動(dòng)力粘度0.001 Pa.s水的飽和蒸汽壓2340.0 Pa.s基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 不同排水管徑的模擬分析排水管徑210不同排水管徑的模擬分析清管器位移清管器速度排水末端和翻越點(diǎn)處流量特殊地段節(jié)點(diǎn)壓力不同排水管徑的模擬分析210模擬結(jié)果編號(hào)編號(hào)項(xiàng)目項(xiàng)目結(jié)果結(jié)果備注備注1排水末端壓排水末端壓力峰值力峰值29.4MPa超過(guò)超過(guò)管道管道爆管爆管所需所需壓力壓力2排水末期壓排水末期壓力峰值力峰值 2.1MPa3模擬時(shí)間模擬時(shí)間18小時(shí)又小時(shí)又54分鐘分鐘 /排水末端6930m處壓力各個(gè)節(jié)點(diǎn)最大壓力不同排水管徑的模擬分析排水管徑273清管器位移清管器速度排水末端和翻越點(diǎn)處流量特殊地段節(jié)點(diǎn)壓力不同排

15、水管徑的模擬分析273模擬結(jié)果編編號(hào)號(hào)項(xiàng)目項(xiàng)目結(jié)果結(jié)果備注備注1沿線(xiàn)壓力最大沿線(xiàn)壓力最大值值3.25MPa達(dá)不到管達(dá)不到管道爆管所道爆管所需壓力需壓力2排水末期壓力排水末期壓力峰值峰值 2.0 MPa3模擬時(shí)間模擬時(shí)間18小時(shí)又小時(shí)又36分鐘分鐘 /排水末端6930m處壓力各個(gè)節(jié)點(diǎn)最大壓力排水管徑320不同排水管徑的模擬分析清管器位移清管器速度排水末端和翻越點(diǎn)處流量特殊地段節(jié)點(diǎn)壓力不同排水管徑的模擬分析編編號(hào)號(hào)項(xiàng)目項(xiàng)目結(jié)果結(jié)果備注備注1沿線(xiàn)壓力最沿線(xiàn)壓力最大值大值3.3MPa達(dá)不到管道達(dá)不到管道爆管所需壓爆管所需壓力力2排水末期壓排水末期壓力峰值力峰值 1.98 MPa3模擬時(shí)間模擬時(shí)間18小

16、時(shí)又小時(shí)又30分鐘分鐘 /320模擬結(jié)果排水末端6930m處壓力各個(gè)節(jié)點(diǎn)最大壓力排水管徑450不同排水管徑的模擬分析清管器位移清管器速度排水末端和翻越點(diǎn)處流量特殊地段節(jié)點(diǎn)壓力不同排水管徑的模擬分析編編號(hào)號(hào)項(xiàng)目項(xiàng)目結(jié)果結(jié)果備注備注1沿線(xiàn)壓力最沿線(xiàn)壓力最大值大值2.8MPa達(dá)不到管道爆達(dá)不到管道爆管所需壓力管所需壓力2排水末期瞬排水末期瞬時(shí)壓力峰值時(shí)壓力峰值 1.9 MPa3模擬時(shí)間模擬時(shí)間18小時(shí)小時(shí) 又又18分鐘分鐘/450模擬結(jié)果排水末端6930m處壓力各個(gè)節(jié)點(diǎn)最大壓力不同排水管徑的模擬分析排水管徑1219不同排水管徑的模擬分析排水管徑1219清管器位移清管器速度排水末端和翻越點(diǎn)處流量特殊地

17、段節(jié)點(diǎn)壓力不同排水管徑的模擬分析編編號(hào)號(hào)項(xiàng)目項(xiàng)目結(jié)果結(jié)果備注備注1沿線(xiàn)壓力最沿線(xiàn)壓力最大值大值3.25MPa達(dá)不到達(dá)不到管道爆管道爆管所需管所需壓力壓力2排水末期壓排水末期壓力峰值力峰值 1.7MPa3模擬時(shí)間模擬時(shí)間18小時(shí)又小時(shí)又24分鐘分鐘 /1219模擬結(jié)果（2臺(tái)空壓機(jī)）排水末端6930m處壓力各個(gè)節(jié)點(diǎn)最大壓力不同排水管徑的模擬分析編號(hào)編號(hào)項(xiàng)目項(xiàng)目結(jié)果結(jié)果備注備注1沿線(xiàn)壓力最沿線(xiàn)壓力最大值大值4.25MPa離入口離入口4510m處，理論處，理論計(jì)算壓力峰值達(dá)不到計(jì)算壓力峰值達(dá)不到管道爆管所需壓力管道爆管所需壓力2排水末期壓排水末期壓力峰值力峰值 1.89MPa現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)1.75

18、MPa3模擬時(shí)間模擬時(shí)間35小時(shí)又小時(shí)又40分鐘分鐘 現(xiàn)場(chǎng)約現(xiàn)場(chǎng)約36小時(shí)小時(shí)模擬結(jié)果（模擬結(jié)果（1臺(tái)空壓機(jī)）臺(tái)空壓機(jī)）序序號(hào)號(hào)注氣流量注氣流量(Nm3/s)排水管徑排水管徑(mm)模擬結(jié)果模擬結(jié)果起伏起伏管段管段11159超壓西氣東輸二線(xiàn)東段18標(biāo)段21210超壓31273正常41320正常51450正常61 1219正常70.5159超壓不同排水管徑的模擬分析u對(duì)西氣東輸二線(xiàn)東段18標(biāo)段EB026樁EB034/2樁間進(jìn)行排水模擬中，安裝2臺(tái)（額定工作壓力2.2MPa、排氣量為30m3/min）的空壓機(jī)，排水末端與不同管徑的鋼管連接進(jìn)行排水；u模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)基本吻合，也驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性

19、；u由以上模擬結(jié)果可知，改變排水管徑，末端壓力呈現(xiàn)規(guī)律性變化。當(dāng)排水取管徑為210，對(duì)發(fā)生爆管事故管段進(jìn)行評(píng)估，模擬也會(huì)出現(xiàn)超壓的結(jié)果，瞬時(shí)壓力達(dá)到29.4MPa。但是，當(dāng)管徑分別取273、320、450、1219進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬時(shí)候，沿線(xiàn)工況都沒(méi)有出現(xiàn)超壓，保持在安全范圍。結(jié)果分析結(jié)果分析 不同排水管徑的模擬分析某油管道分析u結(jié)果：超壓結(jié)果：超壓u原因：流動(dòng)不暢原因：流動(dòng)不暢機(jī)理？機(jī)理？u瞬變過(guò)程瞬變過(guò)程u含氣含氣/ /純液？純液？后面流動(dòng)不暢、泵流量減小 現(xiàn)場(chǎng)注水流程示意圖現(xiàn)場(chǎng)注水流程示意圖管道純液入口壓力要超過(guò)15MPa，但現(xiàn)場(chǎng)泵5檔12MPa含氣過(guò)程，比較合理 誘因：后面流動(dòng)不暢、 泵壓反

20、射、 液柱彌合20MPa20MPa中貴管道分析中貴管道分析試壓排水現(xiàn)場(chǎng)工況試壓排水現(xiàn)場(chǎng)工況 將EC326和EC288分別設(shè)為注氣端和排水端，注氣端安放2臺(tái)空氣壓縮機(jī)（額定工作流量約為27 Nm3/min，空壓機(jī)額定壓力2.7MPa），環(huán)境溫度28；試壓管段規(guī)格是1016 x15.3mm，排水管規(guī)格為108 x3mm、長(zhǎng)度為50m；清管器為8直板清管器(8DP-1016)，質(zhì)量400kg。 當(dāng)試壓管線(xiàn)完成水試壓試驗(yàn)后，首先，利用閥門(mén)排水泄壓，將排水端至最高點(diǎn)間管段管水排盡；然后，開(kāi)啟一臺(tái)空壓機(jī)（現(xiàn)場(chǎng)有兩臺(tái)，另一臺(tái)沒(méi)有開(kāi)啟）向管內(nèi)注氣推球（400kg），并將末端閥門(mén)打開(kāi)排水，在排水過(guò)程中，排水管接到水溝里的緩沖罐，經(jīng)緩沖后排出（發(fā)生爆管過(guò)程中緩沖罐沒(méi)有使用），可以認(rèn)為末端邊界條件為恒定大氣壓。最終，排水總耗時(shí)約49h，并在排水端EC288處發(fā)生爆管（注氣端發(fā)生爆管