爆管機理及排水講座

1、中國石油大學（北京）中國石油大學（北京）宮敬宮敬 內容內容1爆管現象爆管現象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爆管現象l 西氣東輸二線十八標段第一次爆管西氣東輸二線十八標段第一次爆管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標段在標段在EB026EB026樁樁EB034-2EB034-2樁間管道試壓后排水作業(yè)時，發(fā)生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。一起線路管道破裂事件。爆管現象爆管現象爆管現象l 西氣東輸二線十八標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象爆管現象排除了管材質量問題排除了管材質量問題破裂鋼管檢測分析爆管現象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氣氣管線作為引水段，正在對管線作為引水段，正在對KP129-KP135KP129-KP135氣管線注水，早上氣管線注水，早上8 8時，為滿足時，為

3、滿足KP128-KP140KP128-KP140（氣管道里程）段油管線試壓（氣管道里程）段油管線試壓，操作人員將，操作人員將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現場操作人員突然聽到一聲震響，同時現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，并更換另一塊壓力表，壓壓力表震壞。操作人員立刻停機，并更換另一塊壓力表，壓力顯示為力顯示為“0.8MPa”“0.8MPa”。爆管現象 現場注水流程示意圖現場注

4、水流程示意圖爆管現象爆管現象爆管現象爆管現象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點開點開始發(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。爆管現象爆管現象十八標段排水爆管特點：（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爆管的機理到底是什么，及其與地形、管內狀況、爆管的機理到底是什么，及其與地形、管內狀況、清管器運行狀況、排水管排水能力的關系？清管器運行狀況、排水管排水能力的關系？ u從流動過程的瞬間壓力分析，管

6、道超壓能夠達到從流動過程的瞬間壓力分析，管道超壓能夠達到多大？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？內容內容1爆管現象爆管現象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）清管器到達排水口附近的超壓階段 爆管注氣開閥室內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)試驗裝置設計建設供氣系統(tǒng)供水系統(tǒng)回水系統(tǒng)試驗管道系統(tǒng)測量與數采系統(tǒng)室內

7、試驗工藝流程圖試驗裝置設計建設室內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室內實驗過程展示過程展示現場試驗現場實驗儀表安裝示意圖現場試驗現場試驗裝置圖現場試驗裝置圖現場試驗現場試驗現象現場試驗現象現場試驗現場試驗結果現場試驗結果注氣端壓力-時間圖示排水端壓力-時間圖示 高效、穩(wěn)定、收斂-數值算法 合適邊界條件模擬結果 介質物性 設備特性 數學公式描述過程 排水過程 建立與數學模型聯(lián)系 現場數據 室內及現場實驗數據物理過程分析 基礎數據及實驗 對現場調研數據和現象進行分析，清楚認識排水過程中各個階段物理過程，通過結合理論知識，建立能夠描述整個排

8、水過程及工況變化的數理模型。并且基于數理模型和合適的邊界條件，選擇高效，穩(wěn)定的數值計算方法，最后達到對揭示爆管機理的目的。數理模型 理論研究與建模理論研究與建模流體動力學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場實驗對比內容內容1爆管現象爆管現象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 參數參數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管壁當量粗糙度管壁當量粗糙度0.01 mm清管器清

9、管器質量質量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壓縮機壓縮機工作流量工作流量0.5x2 Nm3/s、 0.5Nm3/s介質介質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兩次爆管過程的模擬 第一次爆管模擬兩次

10、爆管過程的模擬 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果第一次爆管模擬結果兩次爆管過程的模擬 編編號號項目項目結果結果備注備注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分鐘分鐘現場接近現場接近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現場清管現場清管器接近排器接近排水末端水末端5清管器在

11、清管器在翻越點處翻越點處速度速度35m/s實驗室模實驗室模擬達到擬達到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果第二次爆管模擬結果兩次爆管過程的模擬 編編號號項目項目結果結果備注備注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分鐘分鐘現場接近現場接近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

12、根據現場條根據現場條件，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標段EB026樁EB034/2樁間進行排水模擬中，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，排水末端與一臺DN150閥門相連接管徑159mm的鋼管進行排水。u由以上模擬結果可知：第一次試壓排水進行模擬，安裝2臺空壓機，末端瞬時壓力排水末期在達到30.5MPa；第二次模擬，安裝1臺空壓機，在末期瞬時壓力也達到37.0MPa，兩次模擬結果都超處出了管道爆管所需壓力，繼而可能導

13、致爆管事故。結果分析結果分析 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 參數參數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管壁當量粗糙度0.01 mm清管器清管器質量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壓縮機壓縮機工作流量0.5x2 Nm3/s介質介質氣體壓縮因子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

14、 kg/m3水的動力粘度0.001 Pa.s水的飽和蒸汽壓2340.0 Pa.s基礎數據 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模擬結果編號編號項目項目結果結果備注備注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

15、水管徑的模擬分析273模擬結果編編號號項目項目結果結果備注備注1沿線壓力最大沿線壓力最大值值3.25MPa達不到管達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果結果備注備注1沿線壓力最沿線壓力最大值大值3.3MPa達不到管道達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

16、時又小時又30分鐘分鐘 /320模擬結果排水末端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果結果備注備注1沿線壓力最沿線壓力最大值大值2.8MPa達不到管道爆達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

17、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果結果備注備注1沿線壓力最沿線壓力最大值大值3.25MPa達不到達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模擬結果（2臺空壓機）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果結果備注備注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不到計算壓力峰值達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現場數據現場數據1.75

18、MPa3模擬時間模擬時間35小時又小時又40分鐘分鐘 現場約現場約36小時小時模擬結果（模擬結果（1臺空壓機）臺空壓機）序序號號注氣流量注氣流量(Nm3/s)排水管徑排水管徑(mm)模擬結果模擬結果起伏起伏管段管段11159超壓西氣東輸二線東段18標段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標段EB026樁EB034/2樁間進行排水模擬中，安裝2臺（額定工作壓力2.2MPa、排氣量為30m3/min）的空壓機，排水末端與不同管徑的鋼管連接進行排水；u模擬結果與現場數據基本吻合，也驗證了模型的準確性

19、；u由以上模擬結果可知，改變排水管徑，末端壓力呈現規(guī)律性變化。當排水取管徑為210，對發(fā)生爆管事故管段進行評估，模擬也會出現超壓的結果，瞬時壓力達到29.4MPa。但是，當管徑分別取273、320、450、1219進行預測模擬時候，沿線工況都沒有出現超壓，保持在安全范圍。結果分析結果分析 不同排水管徑的模擬分析某油管道分析u結果：超壓結果：超壓u原因：流動不暢原因：流動不暢機理？機理？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 現場注水流程示意圖現場注水流程示意圖管道純液入口壓力要超過15MPa，但現場泵5檔12MPa含氣過程，比較合理 誘因：后面流動不暢、 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場工況試壓排水現場工況 將EC326和EC288分別設為注氣端和排水端，注氣端安放2臺空氣壓縮機（額定工作流量約為27 Nm3/min，空壓機額定壓力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)，質量400kg。 當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（現場有兩臺，另一臺沒有開啟）向管內注氣推球（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，經緩沖后排出（發(fā)生爆管過程中緩沖罐沒有使用），可以認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