毛伟志

（海洋石油工程股份有限公司，天津　300451）

海上平台复杂消防水管网的水击力初步模拟计算

毛伟志

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

根据国内某平台群的消防水管网实际布置情况，建立了复杂消防水管网的PIPENET模型，计算出了复杂消防水管网各弯头处水击力的大小，并对典型弯头处水击力计算结果进行了研究及分析。结果表明海上平台群各平台消防水环网间确实存在相互影响，但发生火灾平台对其它平台主环网的水击力影响不大，工程设计中可以不考虑发生火灾平台对其它平台的影响；平台群复杂管网各弯头水击力在雨淋阀启动后2～4 s内达到最大值，随后呈现振荡的趋势，18 s以后水击力基本消失。

复杂消防水管网；水击力；海上平台；PIPENET软件

在有压管道中，由于某种原因（如阀门启闭，换向阀变换工位，水泵机组突然停车，管道中有气室等），使水流速度发生突然变化，同时引起管道中水流压力急剧上升或下降的现象，称为水击（或水锤）。压力管道系统的水击现象是一种典型的有压管道非恒定流问题。水锤引起的压强升高，可达管道正常工作压强的几十倍至数百倍。另外，还会使管内出现负压。压强大幅波动，可导致管道系统强烈振动、产生噪声，造成阀门破坏、管件接头破裂、断开，甚至管道炸裂等重大事故［1］。虽然对于水击力计算的研究已经有100多年的历史，但是对于海上平台消防水管网的水击力计算研究并不是很多。随着近年来海洋工程的迅猛发展，平台群越来越多地出现，中心平台与井口平台由栈桥连接，井口平台的消防水由中心平台的消防泵提供，因此对于水击力的计算要综合考虑中心平台及井口平台消防水管网的相互影响，这大大增加了水击力计算的难度，并且工况考虑将更加复杂。本文利用PIPENET软件［2］，对中心平台与井口平台通过栈桥连接的复杂消防水管网的水击力进行了初步的模拟计算及研究，为海上平台群复杂消防水管网水击力计算的进一步研究奠定基础。

1　海上平台群消防水系统

平台水消防系统主要是由消防泵、消防主管网、软管站、消防软管站、喷淋阀、水喷淋系统等几部分组成［3］。对于平台群而言，井口平台的消防水系统往往由中心平台支持，中心平台与井口平台由栈桥连接，中心平台的消防泵为中心平台及井口平台消防水主环网提供消防水。平台群消防水系统示意如图1所示。

图1　平台群消防水系统示意Fig.1　Structure of firefighting system of offshare p1atform

2　PIPENET水击力模型模拟计算

2.1水击力模型建模

以国内某平台群的实际工程为例，中心平台（CEP平台）与井口平台（WHPA）平台通过栈桥连接，CEP平台上的消防泵A及消防泵B为CEP平台及WHPA平台的消防环网供水，且两消防泵互为备用。当CEP平台上某区域发生火灾时，该区域的火焰探头探测到火灾并反馈到中控系统，这时该区域的雨淋阀开启对火灾区域进行喷淋，消防环网内的压力下降，消防泵启动。同时CEP平台及WHPA平台消防水管网中的水流速度均发生递变，将产生较大的水击力。同样，WHPA平台上某火区发生火灾后，火灾区域的雨淋阀及消防泵也先后启动，CEP平台及WHPA平台消防水管网也将产生较大的水击力［4］。下面应用PIPENET 1.6瞬态模块对上述2种工况进行模拟，并进行比较分析。

管线的材质、长度、走向及消防泵、雨淋阀的布置等均根据设计及现场的实际情况输入，消防泵的特性曲线及雨淋阀的参数均来源于实际的厂家资料。根据设计要求及实际情况，雨淋阀取5 s完全开启（12″阀），消防泵启动时间取21 s（实际情况可能稍慢）。根据上述情况建立模型如图2所示。

图2 平台群复杂消防水管网PIPENET模型Fig.2　PIPENET mode1 for hammer ca1cu1ation of comp1icated firefighting pipe1ine networks of p1atforms

2.2计算结果及分析

结果表明，对于WHPA平台及CEP平台分别发生火灾的工况，CEP平台及WHPA平台消防水主环网各个弯头处均产生了水击力，并且很多的弯头处产生了极大的水击力，典型计算结果如表1、表2所示。

表1WHPA平台发生火灾时PIPENET计算输出结果Tab.1　Cacu1ation resu1ts by PIPENET software when WHPA p1atform was on fire

表2CEP平台发生火灾时PIPENET计算输出结果Tab.2　Cacu1ation resu1ts by PIPENET software when CEP p1atform was on fire

由表1、表2可以看出，CEP及WHPA的消防水主环网确实存在着相互影响，无论是CEP平台发生火灾（CEP-DVS-6007雨淋阀开启）还是WHPA平台发生火灾（WHPA-DVS-6002雨淋阀开启），整个复杂管网均产生了巨大的水击力。其中CEP平台发生火灾时，CEP主环网的水击力最大值为30 110 N，WHPA主环网的水击力最大值为10 199 N，栈桥管线水击力最大值为15 253 N；而WHPA平台发生火灾时，CEP主环网的水击力最大值为26 603 N，WHPA主环网的水击力最大值为10 429 N，栈桥管线水击力最大值为16 902 N。其中，WHPA平台发生火灾时，对CEP平台主环网的水击力影响不是很大，其水击力的数值一般小于CEP平台发生火灾的工况；CEP平台发生火灾时，对WHPA平台主环网的水击力影响不是很大，其水击力的数值一般小于WHPA平台发生火灾的工况。另外，对于消防泵A启动及消防泵B启动两种工况，各个弯头处的水击力大小变化不大。

该平台群消防水主环网产生水击的原因为，由于消防泵和雨淋阀开启的时间差，导致了消防主管网内的压力迅速下降（由于稳压流量很小，当雨淋阀完全开启之后，稳压流量可以忽略不计，管网不能再保持恒定压力），位于消防主管网最高点的压力可能下降到海水的饱和蒸汽压以下，在管段内形成气蚀，当消防泵达到额定状态，管网内压力升高时，气泡破裂，管网内就产生了较大的瞬间压力。对于上述模拟计算水击力最大值的产生点为较长的管段（F13/F14、B38/B40）及垂直管段底部（F45）。水击压力与管线长度有关，且主环网管线长度均小于一个水击波的波长，这样管线越长，则水击力也会相应变大［5］；对于垂直管段，由于管网内压力变化剧烈，垂直方向上形成了重力流，从而形成了气蚀，使得垂直管段底部水击压力较大。

根据上述分析结果，在实际的工程设计中，可以采用在水击力较大的管段增加泄压阀、缓冲设施等自动保护装置［6］，以及增加固定支架等措施来优化平台群消防水管网的设计。

CEP平台主环网、WHPA平台主环网及栈桥的几个典型代表弯头处的水击压力变化结果如图3、图4所示。

由图3、图4可以看出，复杂管网各弯头水击力的变化趋势基本相同，在雨淋阀启动后2～4 s水击力达到最大值，随后呈现振荡的趋势，18 s以后基本趋于平衡，水击力基本消失。

图3WHPA平台发生火灾工况典型弯头处水击力变化Fig.3　Water hammer at typica1 e1bows of comp1icated firefighting pipe1ine networks when the WHPA p1atform was on fire

图4　CEP平台发生火灾工况典型弯头处水击力变化Fig.4　Water hammer at typica1 e1bows of comp1icated firefighting pipe1ine networks when the CEP p1atform was on fire

3　结论

（1）海上平台群各个平台消防水主环网的水击力存在着相互影响，但发生火灾平台对其它平台主环网的水击力影响不大，工程设计中可以不考虑发生火灾平台对其它平台的影响。

（2）平台群复杂管网各弯头水击力的变化趋势基本相同，基本上是在雨淋阀启动后2～4 s水击力达到最大值，随后呈现振荡的趋势，18 s以后基本趋于平衡，水击力基本消失。

［1］陈贵清，王维军，周红星，等.压力管道水击危害及其防治［J］.河北理工学院学报，2005，27（1）：128-135.

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［6］李立婉，高永强，万宇飞.水击分析方法及保护措施［J］.当代化工，2014，（7）：1367-1369.

Preliminary simulation calculation of water hammer of complicated firefighting pipeline networks in offshore platforms

MAO Wei-zhi
（China Offshore Oil Engineering Company，Tianjin 300451，China）

According to the 1ayout of fire-fighting pipe1ine networks of a domestic offshore p1atform，a PIPENET mode1 was bui1t to ca1cu1ate water hammer of comp1icated firefighting pipe1ine networks e1bows，the ca1cu1ation resu1ts for some typica1 e1bows were studied and ana1yzed.The resu1ts showed that a1though there existed mutua1 inf1uence among the fire water ring mains of every offshore p1atform，the inf1uence of the burning p1atform on the water hammer of the 1oop network of other p1atforms was so sma11 that cou1d be ignored in engineering design.The water hammer of the comp1icated firefighting pipe1ine networks e1bows wou1d reach the maximum 2-4 seconds after the actuation of de1uge va1ve，then appeared the trend of shock，it disappeared 18 seconds after the actuation of de1uge va1ve.

comp1icated firefighting pipe1ine networks；water hammer；offshore p1atform；PIPENET software

TU998.1

A

1009-2455（2016）02-0077-04

毛伟志（1982-），男，山东潍坊人，工程师，工学硕士，主要从事海上油气田安全方面的研究工作，（电子信箱）maowz@mai1.cooec.com.cn。

2016-02-25（修回稿）