爆管機(jī)理及排水講座

1、中國石油大學(xué)（北京）中國石油大學(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過程分析及實驗過程分析及實驗研究成果研究成果施工建議施工建議1爆管現(xiàn)象l 西氣東輸二線十八標(biāo)段第一次爆管西氣東輸二線十八標(biāo)段第一次爆管20102010年年7 7月月2020日日5 5：1010，西氣東輸二線東段，西氣東輸二線東段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，發(fā)生一樁間管道試壓后排水作業(yè)時，發(fā)生一起線路管道破裂事件。起線路管道破裂事件。爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象l 西氣東輸二線十八標(biāo)段第二次爆管爆裂點爆裂點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)量問題排除了管材質(zhì)量問題破裂鋼管檢測分析爆管現(xiàn)象l 某油管道爆管 2013 2013年年3 3月月2727日，日，KP114KP114接力注水點使用兩臺試壓泵通過接力注水點使用兩臺試壓泵通過KP114-KP125KP114-KP125（氣管道里程）油管線和（氣管道里程）油管線和KP125-KP129KP125-KP129氣管氣管線作為引水段，正在對線作為引水段，正在對KP129-KP135KP129-KP135氣管線注水，早上氣管線注水，早上8 8時時，為滿足，為

3、滿足KP128-KP140KP128-KP140（氣管道里程）段油管線試壓，操作（氣管道里程）段油管線試壓，操作人員將人員將128128位置閥門微啟以提供此段試壓用水，即時，位置閥門微啟以提供此段試壓用水，即時，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時時2020分，分，KP114KP114現(xiàn)場操作人員突然聽到一聲震響，同現(xiàn)場操作人員突然聽到一聲震響，同時壓力表震壞。操作人員立刻停機(jī)，并更換另一塊壓力表，壓時壓力表震壞。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)場注水流程示意圖現(xiàn)場

4、注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點點開始發(fā)球排水開始發(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：（一）時間上接近，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

5、同，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過載造成的。中貴管道排水爆管特點：（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）破壞是由異常瞬時過載造成的。爆管現(xiàn)象某油管道爆管特點：（一）沒有明顯的時間特征；（二）爆管部位處于低點附近；（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過載造成的。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、清管器運行狀況、排水管排水能力的關(guān)系？清管器運行狀況、排水管排水能力的關(guān)系？ u從流動過程的瞬間壓力分析，

6、管道超壓能夠達(dá)到從流動過程的瞬間壓力分析，管道超壓能夠達(dá)到多大？多大？u為什么其他類似的管段沒有爆管？為什么其他類似的管段沒有爆管？ 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？內(nèi)容內(nèi)容1爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象234過程分析及實驗過程分析及實驗研究成果研究成果施工建議施工建議1排水物理過程排水物理過程模型分析2010（一）清管器初始運行階段 （二）清管器在平坦地段運行階段 （三）清管器在沖溝運行階段（四）清管器到達(dá)排水口附近的超壓階段 爆管注氣開閥室內(nèi)實驗研究試驗主管道部分發(fā)球裝置收球裝置、排水管道及回水系統(tǒng)試驗裝置設(shè)計建設(shè)供氣系統(tǒng)供水系統(tǒng)回水系統(tǒng)試驗管道系統(tǒng)測量與數(shù)采系統(tǒng)室

7、內(nèi)試驗工藝流程圖試驗裝置設(shè)計建設(shè)室內(nèi)實驗實驗視頻實驗視頻1 1實驗視頻實驗視頻2 2實驗視頻實驗視頻3 3實驗視頻實驗視頻4 4室內(nèi)實驗過程展示過程展示現(xiàn)場試驗現(xiàn)場實驗儀表安裝示意圖現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗裝置圖現(xiàn)場試驗裝置圖現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗現(xiàn)象現(xiàn)場試驗現(xiàn)象現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗結(jié)果現(xiàn)場試驗結(jié)果注氣端壓力-時間圖示排水端壓力-時間圖示高效、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)公式描述過程排水過程建立與數(shù)學(xué)模型聯(lián)系 現(xiàn)場數(shù)據(jù) 室內(nèi)及現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)物理過程分析 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及實驗 對現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行分析，清楚認(rèn)識排水過程中各個階段物理過程，通過結(jié)合理論知識，建立能夠描述整個排水過程及工況

8、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)值計算方法，最后達(dá)到對揭示爆管機(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力學(xué)理論多相流理論瞬變流理論理論研究形成了計算軟件形成了計算軟件中貴現(xiàn)場實驗對比內(nèi)容內(nèi)容1爆管現(xiàn)象爆管現(xiàn)象234過程分析及實驗過程分析及實驗研究成果研究成果施工建議施工建議1項目項目 參數(shù)參數(shù)管道管道主管段長度主管段長度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排水管長度排水管長度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清管器清管器質(zhì)量質(zhì)量

9、700.0 kg清管器與管壁動摩擦阻力清管器與管壁動摩擦阻力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空氣運動粘度空氣運動粘度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水的動力粘度水的動力粘度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)兩次爆管過程的模擬 第一次爆管模擬兩次爆管過程的模

10、擬 清管器位移第一次爆管模擬兩次爆管過程的模擬 清管器速度第一次爆管模擬兩次爆管過程的模擬 排水末端和翻越點處流量第一次爆管模擬兩次爆管過程的模擬 特殊地段節(jié)點壓力第一次爆管模擬結(jié)果第一次爆管模擬結(jié)果兩次爆管過程的模擬 編編號號項目項目結(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超過管道超過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模擬時間模擬時間19小時又小時又40分鐘分鐘現(xiàn)場接近現(xiàn)場接近20小時小時4瞬時超壓瞬時超壓是清管器是清管器位置位置離入口離入口6854.6m現(xiàn)場清管現(xiàn)場清管器接近排器接近排水末端水末端5清管器在清管器在翻越

11、點處翻越點處速度速度35m/s實驗室模實驗室模擬達(dá)到擬達(dá)到30m/s排水末端6930m處壓力各個節(jié)點最大壓力第二次爆管模擬兩次爆管過程的模擬 清管器位移清管器速度排水末端和翻越點處流量特殊地段節(jié)點壓力第二次爆管模擬結(jié)果第二次爆管模擬結(jié)果兩次爆管過程的模擬 編編號號項目項目結(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超過管道爆超過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 模擬時間模擬時間37小時又小時又40分鐘分鐘現(xiàn)場接近現(xiàn)場接近39小時又小時又40分分鐘鐘4瞬時超壓瞬時超壓是清管器是清管器位置位置離入口離入口6898.5m根據(jù)現(xiàn)場條根

12、據(jù)現(xiàn)場條件，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處翻越點處速度速度40m/s排水末端6930m處壓力各個節(jié)點最大壓力u對西氣東輸二線東段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臺和2臺（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DN150閥門相連接管徑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臺空壓機(jī)，末端瞬時壓力排水末期在達(dá)到30.5MPa；第二次模擬，安裝1臺空壓機(jī)，在末期瞬時壓力也達(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)致爆管事故。

13、結(jié)果分析結(jié)果分析 兩次爆管過程的模擬 2734502101219159不同排水管徑的模擬分析項目項目 參數(shù)參數(shù)管道管道主管段長度6.93 Km主管段直徑121918.4 mm最大高差178.5 m排水管長度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空氣運動粘度0.000015 m2/s空氣中波速355.0 m/s水的密度998.0 kg/m3

14、水的動力粘度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處流量特殊地段節(jié)點壓力不同排水管徑的模擬分析210模擬結(jié)果編號編號項目項目結(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超過超過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模擬時間模擬時間18小時又小時又54分鐘分鐘 /排水末端6930m處壓力各個節(jié)點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處流量特殊地段節(jié)點壓力不同排水管徑的模擬

15、分析273模擬結(jié)果編編號號項目項目結(jié)果結(jié)果備注備注1沿線壓力最大沿線壓力最大值值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模擬時間模擬時間18小時又小時又36分鐘分鐘 /排水末端6930m處壓力各個節(jié)點最大壓力排水管徑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處流量特殊地段節(jié)點壓力不同排水管徑的模擬分析編編號號項目項目結(jié)果結(jié)果備注備注1沿線壓力最沿線壓力最大值大值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模擬時間模擬時間18小時又小時又3

16、0分鐘分鐘 /320模擬結(jié)果排水末端6930m處壓力各個節(jié)點最大壓力排水管徑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處流量特殊地段節(jié)點壓力不同排水管徑的模擬分析編編號號項目項目結(jié)果結(jié)果備注備注1沿線壓力最沿線壓力最大值大值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壓力峰值時壓力峰值 1.9 MPa3模擬時間模擬時間18小時小時 又又18分鐘分鐘/450模擬結(jié)果排水末端6930m處壓力各個節(jié)點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處流量特殊地段節(jié)點壓力不

17、同排水管徑的模擬分析編編號號項目項目結(jié)果結(jié)果備注備注1沿線壓力最沿線壓力最大值大值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模擬時間模擬時間18小時又小時又24分鐘分鐘 /1219模擬結(jié)果（2臺空壓機(jī)）排水末端6930m處壓力各個節(jié)點最大壓力不同排水管徑的模擬分析編號編號項目項目結(jié)果結(jié)果備注備注1沿線壓力最沿線壓力最大值大值4.25MPa離入口離入口4510m處，理論處，理論計算壓力峰值達(dá)不到計算壓力峰值達(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)場數(shù)據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)1.75 MPa3模擬

18、時間模擬時間35小時又小時又40分鐘分鐘 現(xiàn)場約現(xiàn)場約36小時小時模擬結(jié)果（模擬結(jié)果（1臺空壓機(jī)）臺空壓機(jī)）序序號號注氣流量注氣流量(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對西氣東輸二線東段18標(biāo)段EB026樁EB034/2樁間進(jìn)行排水模擬中，安裝2臺（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)場數(shù)據(jù)基本吻合，也驗證了模型的準(zhǔn)確性；u由以上模

19、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，對發(fā)生爆管事故管段進(jìn)行評估，模擬也會出現(xiàn)超壓的結(jié)果，瞬時壓力達(dá)到29.4MPa。但是，當(dāng)管徑分別取273、320、450、1219進(jìn)行預(yù)測模擬時候，沿線工況都沒有出現(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：流動不暢原因：流動不暢機(jī)理？機(jī)理？u瞬變過程瞬變過程u含氣含氣/ /純液？純液？后面流動不暢、泵流量減小 現(xiàn)場注水流程示意圖現(xiàn)場注水流程示意圖管道純液入口壓力要超過15MPa，但現(xiàn)場泵5檔12MPa含氣過程，比較合理 誘因：后面流動不暢、 泵壓反射、 液柱彌

20、合20MPa20MPa中貴管道分析中貴管道分析試壓排水現(xiàn)場工況試壓排水現(xiàn)場工況 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)試壓管線完成水試壓試驗后，首先，利用閥門排水泄壓，將排水端至最高點間管段管水排盡；然后，開啟一臺空壓機(jī)（現(xiàn)場有兩臺，另一臺沒有開啟）向管內(nèi)注氣推球（400kg），并將末端閥門打開排水，在排水過程中，排水管接到水溝里的緩沖罐，經(jīng)緩沖后排出（發(fā)生爆管過程中緩沖罐沒有使用），可以認(rèn)為末端邊界條件為恒定大氣壓。最終，排水總耗時約49h，并在排水端EC288處發(fā)生爆管（注氣端發(fā)生爆管前