長輸管道排水過程中的氣阻現象與氣阻定律

安金龍

（中國石化集團江漢石油管理局油田建設工程公司，湖北潛江433123）

長輸管道排水過程中的氣阻現象與氣阻定律

安金龍

（中國石化集團江漢石油管理局油田建設工程公司，湖北潛江433123）

長輸管道在試壓排水過程中時常會發(fā)生氣阻現象，導致排水壓力大大高于理論估算值。工程實踐中，應該采取措施防止氣阻現象的產生，以減小試壓排水的困難。文章運用流體力學的基本理論，結合塑料管水力實驗和長輸管道工程實踐，對氣阻現象進行了分析，對所謂“氣阻定律”做出了否定的辨析。文章的結論對于長輸管道工程的試壓排水和輸配水系統(tǒng)的正常操作具有一定的指導意義。

長輸管道；水壓試驗；排水；水力實驗；氣阻定律

1 長輸管道排水壓力的估算

建設中的長輸管道一般都采用潔凈水作為分段試壓的介質。分段試壓合格后，用壓縮空氣推動清管球（器）排出管內的試壓水。

根據流體力學的基本原理，排水清管器在管內正常行走的正面壓力（壓縮空氣壓力，在此稱為排水壓力）Pe至少應大于以下5種阻力之和：試壓管段的最低點與排水口的靜水壓差γw·ΔHi；試壓管段的沿程水頭損失γw·hf；試壓管段的局部水頭損失γw·hj；推動清管器正常行走所需的壓力（用于克服清管器的重力與摩擦阻力）Pg；排水口的壓力（背壓）P0。也就是說，一般情況下應有：

式中Pe——排水清管器正常行走的排水壓力（表壓，下同）/MPa；

γw——水的重度，取0.01 MN/m3；

ΔHi——試壓管段最低點與排水口的高程差/m；

hf——設定排水速度下的沿程水頭損失/m；

hj——設定排水速度下的局部水頭損失/m；

Pg——推動清管器正常行走所需的壓力/MPa，一般為0.2～0.3 MPa；

P0——排水口壓力（背壓）/MPa，一般為大氣壓力，取0.1 MPa。

在工程實踐中，為便于應用，（1）式常常被簡化成下式：

式中k——保險系數，一般取1.3～1.5；

ΔHm——試壓管段沿線的最大高程差/m。一般情況下，運用（2）式計算出的排水壓力與工程實際壓力能夠很好地吻合。根據計算結果確定的設備參數能夠滿足排水的操作要求。但有時也會發(fā)生異?，F象：排水壓力遠遠超過了按（2）式計算的Pe，排水清管器（球）還是不能正常行走，管內的試壓水也不能正常排出。此時，我們通常認為產生了氣阻現象。

那么，氣阻現象為什么會產生？如何評估氣阻現象對試壓排水產生的影響？怎樣防止氣阻現象的產生？

對于這些問題，很多人進行了有益的探索，提出了自己的見解，其中包括翁友彬、阮天恩（以下簡稱翁—阮）的水力實驗和他們的“氣阻定律”。

2 氣阻定律

翁—阮設計了一組長達17 m的管道實驗裝置，委托清華大學進行了相應的水力實驗，試圖揭示重力流輸配水管道中發(fā)生的氣阻現象，并合作撰寫了一篇題為《氣阻定律》的論文（http://www.studa.net/designs/060307/11483816.html）。

在這篇論文中，翁—阮通過考察管內微段空氣柱的受力狀態(tài)，推導出“氣阻定律”：

式中PEmax——管道系統(tǒng)內E-E斷面的最大壓力（絕對壓力）；

Pa——管道系統(tǒng)出口處壓力（絕對壓力）；

e——自然對數的底，e=2.718 28……；

σ——管道內氣體的黏滯系數，與管道特性有關，通過實驗測定；

lσ——管道系統(tǒng)內當量空氣柱的長度；

D——管道內徑。

對于這個“氣阻定律”，筆者認為不能成立，理由是：

第一，它的基本假設與流體在管道內的實際運動狀態(tài)相去甚遠。翁—阮在推導“氣阻定律”時將微段空氣柱作為考察對象，建立了一個X軸方向的力學平衡式：

式中dp——微段空氣柱的壓降；

τmax——單位面積管壁對微段空氣柱的黏滯阻力；

dx——微段空氣柱的長度。

這個力學平衡式的成立至少需要兩個基本條件：一是考察的對象為均質、連續(xù)的圓柱形剛性體；二是外部的約束為均質、連續(xù)、與圓柱形剛性體緊密接觸的彈性體。而空氣（或其他流體）本身一不連續(xù)，二不是剛性，且因其具有黏性、流動性和可壓縮性，管道斷面上各質點沿X軸方向的流速并不相同（一般沿半徑方向從里到外逐漸減?。?。也就是說，管道內的微段空氣柱并不是平行向前移動。因此，式（4）的力學平衡式不能成立，由此而得出的“氣阻定律”當然也不能成立。

第二，對水力實驗的理論解釋不正確。翁—阮對自行設計的管道實驗裝置在實驗中出現的斷流現象進行了分析。他們認為，出現斷流現象的原因在于管道系統(tǒng)的某一斷面存在未知力PE，這個未知力阻止了水管中水的流動。同時，對一個確定的輸水管道系統(tǒng)而言，存在一個臨界摻氣量，當輸水管道系統(tǒng)內的摻氣量達到或超過這一臨界摻氣量時，正常的水流被氣體阻隔，發(fā)生斷流。

筆者不清楚他們的實驗裝置能否清晰地觀察到管內流體的運動狀態(tài)，但通過類似的塑料管水力實驗可以肯定地認為，這種分析既沒有找到斷流現象發(fā)生的真正原因，也沒有注意到這套實驗裝置所闡釋的普遍意義。只要我們注意到這套實驗裝置所具備的“管道系統(tǒng)存在波狀起伏”和“管道系統(tǒng)內同時存在氣、液兩相介質”這兩個基本特性，就可以用傳統(tǒng)流體力學的基本原理加以分析和解釋（參見本文第3部分）。管道系統(tǒng)產生氣阻現象的基本條件就是要具備這兩個基本特性。出現斷流現象是系統(tǒng)作用的結果，而不是某一斷面未知力作用的結果。

第三，氣阻定律不具備基本的普遍適應性。根據翁—阮的“氣阻定律”，當管道直徑D、特性值σ和出水端壓力Pa一定時，PEmax隨著管內當量空氣柱長度lσ成指數上升。也就是說，如果翁—阮“氣阻定律”的基本假設是正確的，對于如圖1所示的最簡單的輸水管道系統(tǒng)，要想出水口有水流出，應該有he>>h0；但實際上，如果忽略管道的沿程和局部水頭損失，只要he>h0，打開閥門n、o，管道內就會有介質流動，出口端就會有水流出。這種現象符合傳統(tǒng)流體力學的基本原理。

圖1 簡單重力輸水系統(tǒng)示意

3 塑料管水力實驗

盡管翁—阮的“氣阻定律”不能成立，但他們在論文中闡述的斷流現象（實際上就是通常所說的氣阻現象）確實是客觀存在。那么，到底是什么原因導致實驗裝置產生了斷流現象呢？

為了更直觀地反映這類管道系統(tǒng)內氣、水兩相介質的運動狀態(tài)，筆者用透明塑料管進行了類似的水力實驗。方法如下：

在標有高程刻度的墻壁上將一根長10 m、直徑20 mm的透明塑料管安裝成不規(guī)則的蛇形狀態(tài)（見圖2）。蛇形管的一端與大氣連通，另一端與高位水箱相接。打開閥門n、o，在水流速度足夠小、水流到達末端o或保持流動時，將形成如圖2所示的狀態(tài)：在k-j、g-f、c-b段會殘存一定體積的空氣。

圖2 塑料管水力實驗示意

設出水端壓力為Po，進水端壓力為Pe，忽略空氣的質量，在管道系統(tǒng)達到靜態(tài)平衡時有：

從（9）式可以看出，對于波狀起伏，且存在氣—液兩相介質的管道系統(tǒng)而言，管道系統(tǒng)內液體正常流動的基本條件是：進水端液面的壓力與位能之和大于出水端液面壓力、位能與各段彎管波峰兩側液柱的重力差之和。

對于翁—阮設計的水力實驗裝置（見圖3），也可以用此方法進行分析。

圖3 翁—阮水力實驗裝置（圖中標高尺寸為m）

無論是先打開管道末端閥門，還是先打開管道首端閥門，如果不在水與空氣之間放置隔離球（器），由于水與空氣存在較大的密度差，在放水過程中，管道系統(tǒng)內總會或多或少地殘存部分空氣，從而形成一定的氣阻。氣阻的大小與管道系統(tǒng)的特性（波峰的高度、數量，管道的直徑、內壁粗糙度等）有關。

極端的情況，下坡段（波峰右側）的空氣全部積存在管內，被上坡段（波峰左側）的水密封住，此時系統(tǒng)末端出水所需的壓力（排水壓力）達到最大。這個最大的排水壓力在具體情況下可以計算出來，但計算的過程非常復雜。我們通過（2）和（9）兩式可以推斷。

式中ΔH——管段波峰與波谷的高程差/m。

4 工程實踐

某段蜿蜒穿行于低山丘陵地區(qū)的輸氣管道，管徑711 mm，長度38 km，最大高程差72 m。管道焊接下溝后按要求進行了清管、測徑，然后用潔凈水作為分段試壓的介質。試壓合格后用板式清管器推球排水。按（2）式的計算，壓縮空氣的壓力只要達到1.2～1.5 MPa就足以推動排水清管器將管內試壓水推出。但實際操作中，進氣端壓力（表壓）達到1.6 MPa，出水端的壓力仍然為零，沒有試壓水排出。再加壓至2.5 MPa，試壓水仍不能排出。為什么會出現這種狀況呢？

最初的分析只考慮到兩種可能：一是測徑完畢后，管道受外力作用（例如重型車輛或機械擠壓）局部變形，致使排水清管器在某處卡阻；二是排水清管器損壞。

通過對管道沿線進行反復勘察，排除了第一種可能。將該管段從中間較高點切斷后分段排水，推出排水清管器檢查，發(fā)現清管器也完好無損，且斷點一側的管段沒有試壓水。

這說明在推球排水的過程中，發(fā)生了氣阻現象。正是氣阻的存在導致了排水清管器不能正常行走，試壓水不能正常排出。

5 結論

通過以上的分析，并以工程實踐為佐證，可以作出以下結論：

（1） 以理想流體為基本假設的傳統(tǒng)流體力學的正確性不應受到懷疑。

（2） 翁—阮的“氣阻定律”不能成立。因為它的基本假設與流體在管道內的實際運動狀態(tài)相去甚遠，對水力實驗的理論解釋不正確，且不具備基本的普遍適用性。

（3） 產生氣阻現象必須同時存在兩個基本條件：一是管道系統(tǒng)存在波狀起伏；二是管道系統(tǒng)內同時存在氣、液兩相介質。

（4） 長輸管道試壓排水過程中發(fā)生氣阻現象的主要危害是提高了排水壓力，對排水設備提出了更高的要求。當排水設備無法達到這種要求時，可能導致切管。

（5） 在工程實踐中，特別是在山區(qū)、丘陵地段長輸管道的試壓上水過程中，應該采取嚴密措施防止氣阻現象的發(fā)生。一要合理使用隔離球（器），避免大量空氣殘存在管內；二要認真檢查上水系統(tǒng)的密封狀況，避免試壓水中混入空氣。

（6） 試壓排水所需的最小壓力不僅與試壓管段的最大高差有關，也與試壓管段的起伏狀況（起伏次數和每次起伏的高差等）和試壓水中的空氣含量有關?；谶@種考慮，（2）式中的k值應提高至2～2.5，并盡可能取上限，或者直接按（10）式估算排水壓力。

Abstract:Air lock phenomena often happen during dewatering in long-distance pipeline pressure tests,which causes the dewatering pressure to be greater than the theoretical estimated value.In engineering practice,measures of preventing air lock phenomenon should be taken to reduce dewatering difficulty in pressure test.In this paper,air lock phenomenon is analyzed by applying the fundamental theory of fluid mechanics together with the plastic tube hydraulic experiment and the long-distance pipeline engineering practice,and the so-called“air lock law”is discriminated as a mistake.The conclusion offers certain guidance for dewatering in long-distance pipeline pressure test and the normal operation of water supply and distribution system.

Key words:long-distance pipeline;hydraulic pressure test;pipeline system;dewatering;hydraulic experiment;air lock law

（13）Air Lock Phenomenon and Law during Long-distance Pipeline Dewatering

AN Jin-long（Oilfield Construction Co.,SINOPEC Jianghan Petroleum Administration,Qianjiang 433123，China）

TE973.6

A

1001－2206（2010）05－0013－04

安金龍（1963-），男，湖北黃梅人，教授級高級工程師，1983年畢業(yè)于西南石油學院石油儲運專業(yè)，2004年畢業(yè)于華中科技大學工程管理專業(yè)，獲碩士學位?，F從事施工技術管理工作。

2009-11-16