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【摘 要】长距离输油管道经常遇到地形起伏剧烈的线路，尤其是长陡下坡线路时，液流在翻越高峰点后，由于存在剩余能量，使下坡管段产生真空不满流。根据不满流的形成原因及水力特性，本文总结了解决这一问题的方法，包括：减缓下行坡度，延长管路长度；串接小口径管，增加管壁厚度；设置压力控制装置等。
【关键词】长陡下坡线路水力特性；处理技术及方法；结论
一、引言
长距离输油管道的工程设计中，经常遇到地形起伏剧烈的线路，尤其是长陡下坡线路时，液流在翻越高峰点后，由于存在剩余能量，使下坡管段产生真空不满流。管道中真空不满流的存在，不仅浪费能源，而且可能在液流速度突然变化时增大水击压力，引发悬空管段产生振动，在顺序输送时增大混油量。此外，长陡下坡管道还可能发生超压，对管道的安全构成威胁。由于超压引起管道破裂而造成的泄漏将十分严重，不仅在输油时泄漏迅猛异常，而且即使发现泄漏并立即将泵停运，漏点（尤其是在最低点）因位差产生的压力可能非常高，泄漏仍将很难控制。
因此，研究长陡下坡管道（见图1所示）特殊的水力状态，选择合理的处置方法和技术，对实际管道工程设计和生产管理具有重要的意义。
二、长陡下坡线路特殊水力特性分析
1、真空不满流
设有如图1所示的下坡管道，上游泵站提供的压能除必须克服管路水力摩阻外，还必须克服地形高程差，将油品输送到线路的高峰点F。油品一旦被输到该高峰点后，在地形自然落差位能的作用下，不僅可以克服FT段管路的摩擦阻力按规定流量自流到点T，而且还有剩余能量ΔH。由点F到点T之间的压能平衡关系有（近似认为点F与点T处的液流速度即动能相等）：
（1）
式中，PF、PT为点F和点T处管内油品的绝对压力；ΔZ为点F与点T之间的高程差；i为水力坡度；L为点F至点T之间的距离；ρ为油品密度；g为重力加速度。
下坡管段中的真空不满流根据流态可分为三段：空化段、加速段和水跃段，如图1所示。在靠近高峰点的上游段，管内流态为空化流。在此空化段，油品从正流区进入负流区，压力降低，气核膨胀；随着压力进一步降低，气核膨胀上浮现象越严重，从而在管道上部形成一个较长的超空穴。油品的空化情况可用空化数δ反应，它取决于该处油品的绝对压力P、饱和蒸汽压Pv以及流速v等参数的大小，可按下式计算：
（2）
在加速流段，管道上方形成一个稳定的空穴，为油蒸汽和空气的混合体。由于该空穴的存在，使流体脱离管道边界，形成类似明流的流动。在油品重力作用下，流速越来越快，“水深”越来越小，阻力能耗越来越大，直至流速达到最大，最后形成均匀流，流速为vmax。
真空不满流加速段的问题，一是会加剧该管段的磨蚀，二是由于真空腔的存在使得下游阻力增加时会发生弥合水击，该水击压力有可能大大高出管道的允许工作压力，直接威胁到管道的安全。
2、超压
液体管道在途经长陡下坡线路时，即使不出现真空不满流，也可能会发生超压，给管道运行埋下不安全隐患。超压有动水压头超压、静水压头超压及动、静水压头双超压之分，对于实际线路，要根据线路纵断面起伏状况、管道落差大小及水力条件综合判定。
解决静态超压常采用隔断、放空和厚壁管等措施。其中，隔断法最简易和最经济。处理动态超压的逻辑措施是从工艺设计上着手，把线路的动水压头线往下降，降到动压不超为止。但是对于坡度很陡的下坡线路，即使将动水压头线降至最低极限（即与高峰点相交，高峰点处动压为零），其接近坡底的部分管段仍可能超压。因此，应另想它法。
总之，输油管道的长陡下坡线路与一般地形线路的水力状态大不相同，存在真空不满流和超压等特殊问题，对管道的安全运行和控制管理十分不利，必须设法解决和有效控制。
三、处理技术与方法
1、减缓下行坡度，延长管路长度
在选择管道线路走向时，尽量降低管道的敷设坡度，适当延长管线的敷设长度。随着管线长度的增加，摩阻损失也将增大，从而将多余的能量消耗掉，达到消除真空不满流的目的。减缓下坡管线的坡度，还可使输油时的动水压头线更接近线路纵断面线，有利于降低下坡管道承受的动压，从而避免发生动压超压。从工艺技术上讲，这是一种比较好的方法。由于无任何附加的控制技术和设备，使得管道的运行管理简单可靠。不足之处是要增大管道建设投资，且不能解决静水压头超压的问题。
2、串接小口径管，增加管壁厚度
在管道输送量不变的情况下，管径减小，必然会使管内流速增加。根据达西水力摩阻公式可知，管道的水力摩阻与管径成反比，与流速的平方成正比，综合起来，水力摩阻与管径的5次方成反比。可见，管径减小很少一点，摩阻损失就会增加很多。因此，在下坡段串联小口径管，相当于设置一节流阻力部件，可消耗掉多余的能量，并提高管线承压能力；既有利于消除可能发生的不满流和超压等现象，还可降低管材成本，减少建造投资，可谓一举多得。
以上两种方法虽可解决下坡线路的真空不满流和超压问题，但无论是前者还是后者，其自身均无调节能力，当管道输送条件发生较大或剧烈变化时，都不可能作出及时和准确的反应，因而不能适应运行工况的变化。
此外，采用小口径管不能在管道停输时将下坡线路截断以分隔静压，因此无法解决静压超压问题；也无法通行清管器。
3、设置压力控制装置
为了适应多种变化工况条件下均能消除剩余能量、降低动压的需要，必须在下坡管路的适当位置安装具有调节能力的压力控制设备（一般采取旁通安装方式，以便通行清管器）。孔板节流消能装置和压力调节装置就是常用的两类压力控制设备。
（1）孔板消能装置
在下坡管道中串入孔板节流消能装置，通过预先编制好的计算机程序指令指挥有关阀门自动启闭，使某些孔板串入或退出，可适应管道运行工况变化的需要。图3所示为巴西萨马柯管道安装的孔板消能装置的孔口布置示意图。
单个孔板的消能效果可用下式表示： （4）
式中，Δh为孔板节流压差；Pu、Pd为孔口前后侧压力；v为液体流经孔口的速度；为孔板的消能因数，决定于孔板的结构形状和几何尺寸，是孔径比、孔口外缘削角以及孔板厚度t的函数，即：
μ=f（θ，α，t）
孔板消能因数是衡量孔板消能性能的重要参数，其具体数值需通过实验确定。如果孔板消能因数大，则无空蚀危险，消能效果就好。
孔板消能效果除取定于孔板的结构形状外，还与孔板的布置有关；需要准确、可靠的外部指令和动力来指示和驱动工作，要求的自动化程度较高；布局复杂，成本高。
（2）调压装置
此种装置依靠管内输送介质的压力驱动工作，具有节流减压、截断隔压等功能，安装在管道的长陡下坡段，可起到减动压、隔静压的作用。它以出口压力为控制对象和目的，即无论其进口压力如何变化，只要在其工作压力范围以内，它均能实时地自动调整阀门开度，将多余的压力节流消耗掉，以保持出口压力基本稳定不变。因此，它是一动态阻力部件，可实时自动适应管道运行工况的变化，更有利于消除不满流和超压。
与孔板消能装置相比，调压装置具有更多的优越性。首先，后者是一种自力式控制装置，自力驱动工作，不需外部指令和动力源，无外围设备和通信电缆等，误动作可能性小，维护管理简单方便，成本、运行费用低，更适合野外使用；其次，前者采取梯级方式调压，而后者以无级方式调压，因此后者具有更好的调节性能和灵活性，更适应管道系统多变的运行工况；第三，后者功能多，适用范围广：既能在管道输油运行时进行节流减压，消耗多余的能量，避免出现真空不满流和动压超压；又可在管道停输时自动关闭，将线路截断，分隔静压，防止静态超压。
因此，处理长陡下坡管道的不满流和超压等问题的最佳方法是在下坡段线路的适当位置（一处或多处）安装调压装置。当然，能否取得好的效果，主要取决于调压装置的结构形式和工作性能。
四、结论
真空不满流、动水压头超压和静水压头超压等是山地管道长陡下坡段特有的水力状态。由于地形起伏状况的不同以及管道输送工况的改变，有时可能其中的某一种情况发生，有时也可能几种情况同时发生。
笔者以为，第一，对于高差不大、剩余能量不多、静水压头不超压、管路距离增加不长的情况，可考虑采用减缓下行坡度，延长管路长度的方法；第二，对于管道输送条件不会发生较大变化、静水压头不超压，并且不需要清管的局部线路，可采用串接小口经管道，增加管壁厚度的方法；第三，对于几种水力状态可能同时出现的最不利情况，最佳的处理方法是在下坡段线路设置压力控制装置。
当然，具体采用哪一种方法须经技术、经济评估，并视具体线路情况经多种方案优化比较而确定。
参考文献
[1]蒲家宁.军用输油管线.北京：解放军出版社，2001.9
[2]杨筱蘅等.输油管道设计与管理.山东东营：石油大学出版社，1996.8
[3]宫敬，严大凡.大落差管道下坡段不满流流动特性分析.石油大学学报，No.6，1995
[4]张林夫等.空化与空蚀.南京：河海大学出版社，1989.5
[5]蒲家宁，雍歧卫，张伟明.输油管道集成自力式壓力调节站.油气储运，No.5，2001
[6]Johnston H. N.，Portable Pressure Regulation Station for Critical Downhill Sections of 6， 8 and 12 Inch Military Fuel Pipeline，NTIS，1971.
【关键词】长陡下坡线路水力特性；处理技术及方法；结论
一、引言
长距离输油管道的工程设计中，经常遇到地形起伏剧烈的线路，尤其是长陡下坡线路时，液流在翻越高峰点后，由于存在剩余能量，使下坡管段产生真空不满流。管道中真空不满流的存在，不仅浪费能源，而且可能在液流速度突然变化时增大水击压力，引发悬空管段产生振动，在顺序输送时增大混油量。此外，长陡下坡管道还可能发生超压，对管道的安全构成威胁。由于超压引起管道破裂而造成的泄漏将十分严重，不仅在输油时泄漏迅猛异常，而且即使发现泄漏并立即将泵停运，漏点（尤其是在最低点）因位差产生的压力可能非常高，泄漏仍将很难控制。
因此，研究长陡下坡管道（见图1所示）特殊的水力状态，选择合理的处置方法和技术，对实际管道工程设计和生产管理具有重要的意义。
二、长陡下坡线路特殊水力特性分析
1、真空不满流
设有如图1所示的下坡管道，上游泵站提供的压能除必须克服管路水力摩阻外，还必须克服地形高程差，将油品输送到线路的高峰点F。油品一旦被输到该高峰点后，在地形自然落差位能的作用下，不僅可以克服FT段管路的摩擦阻力按规定流量自流到点T，而且还有剩余能量ΔH。由点F到点T之间的压能平衡关系有（近似认为点F与点T处的液流速度即动能相等）：
（1）
式中，PF、PT为点F和点T处管内油品的绝对压力；ΔZ为点F与点T之间的高程差；i为水力坡度；L为点F至点T之间的距离；ρ为油品密度；g为重力加速度。
下坡管段中的真空不满流根据流态可分为三段：空化段、加速段和水跃段，如图1所示。在靠近高峰点的上游段，管内流态为空化流。在此空化段，油品从正流区进入负流区，压力降低，气核膨胀；随着压力进一步降低，气核膨胀上浮现象越严重，从而在管道上部形成一个较长的超空穴。油品的空化情况可用空化数δ反应，它取决于该处油品的绝对压力P、饱和蒸汽压Pv以及流速v等参数的大小，可按下式计算：
（2）
在加速流段，管道上方形成一个稳定的空穴，为油蒸汽和空气的混合体。由于该空穴的存在，使流体脱离管道边界，形成类似明流的流动。在油品重力作用下，流速越来越快，“水深”越来越小，阻力能耗越来越大，直至流速达到最大，最后形成均匀流，流速为vmax。
真空不满流加速段的问题，一是会加剧该管段的磨蚀，二是由于真空腔的存在使得下游阻力增加时会发生弥合水击，该水击压力有可能大大高出管道的允许工作压力，直接威胁到管道的安全。
2、超压
液体管道在途经长陡下坡线路时，即使不出现真空不满流，也可能会发生超压，给管道运行埋下不安全隐患。超压有动水压头超压、静水压头超压及动、静水压头双超压之分，对于实际线路，要根据线路纵断面起伏状况、管道落差大小及水力条件综合判定。
解决静态超压常采用隔断、放空和厚壁管等措施。其中，隔断法最简易和最经济。处理动态超压的逻辑措施是从工艺设计上着手，把线路的动水压头线往下降，降到动压不超为止。但是对于坡度很陡的下坡线路，即使将动水压头线降至最低极限（即与高峰点相交，高峰点处动压为零），其接近坡底的部分管段仍可能超压。因此，应另想它法。
总之，输油管道的长陡下坡线路与一般地形线路的水力状态大不相同，存在真空不满流和超压等特殊问题，对管道的安全运行和控制管理十分不利，必须设法解决和有效控制。
三、处理技术与方法
1、减缓下行坡度，延长管路长度
在选择管道线路走向时，尽量降低管道的敷设坡度，适当延长管线的敷设长度。随着管线长度的增加，摩阻损失也将增大，从而将多余的能量消耗掉，达到消除真空不满流的目的。减缓下坡管线的坡度，还可使输油时的动水压头线更接近线路纵断面线，有利于降低下坡管道承受的动压，从而避免发生动压超压。从工艺技术上讲，这是一种比较好的方法。由于无任何附加的控制技术和设备，使得管道的运行管理简单可靠。不足之处是要增大管道建设投资，且不能解决静水压头超压的问题。
2、串接小口径管，增加管壁厚度
在管道输送量不变的情况下，管径减小，必然会使管内流速增加。根据达西水力摩阻公式可知，管道的水力摩阻与管径成反比，与流速的平方成正比，综合起来，水力摩阻与管径的5次方成反比。可见，管径减小很少一点，摩阻损失就会增加很多。因此，在下坡段串联小口径管，相当于设置一节流阻力部件，可消耗掉多余的能量，并提高管线承压能力；既有利于消除可能发生的不满流和超压等现象，还可降低管材成本，减少建造投资，可谓一举多得。
以上两种方法虽可解决下坡线路的真空不满流和超压问题，但无论是前者还是后者，其自身均无调节能力，当管道输送条件发生较大或剧烈变化时，都不可能作出及时和准确的反应，因而不能适应运行工况的变化。
此外，采用小口径管不能在管道停输时将下坡线路截断以分隔静压，因此无法解决静压超压问题；也无法通行清管器。
3、设置压力控制装置
为了适应多种变化工况条件下均能消除剩余能量、降低动压的需要，必须在下坡管路的适当位置安装具有调节能力的压力控制设备（一般采取旁通安装方式，以便通行清管器）。孔板节流消能装置和压力调节装置就是常用的两类压力控制设备。
（1）孔板消能装置
在下坡管道中串入孔板节流消能装置，通过预先编制好的计算机程序指令指挥有关阀门自动启闭，使某些孔板串入或退出，可适应管道运行工况变化的需要。图3所示为巴西萨马柯管道安装的孔板消能装置的孔口布置示意图。
单个孔板的消能效果可用下式表示： （4）
式中，Δh为孔板节流压差；Pu、Pd为孔口前后侧压力；v为液体流经孔口的速度；为孔板的消能因数，决定于孔板的结构形状和几何尺寸，是孔径比、孔口外缘削角以及孔板厚度t的函数，即：
μ=f（θ，α，t）
孔板消能因数是衡量孔板消能性能的重要参数，其具体数值需通过实验确定。如果孔板消能因数大，则无空蚀危险，消能效果就好。
孔板消能效果除取定于孔板的结构形状外，还与孔板的布置有关；需要准确、可靠的外部指令和动力来指示和驱动工作，要求的自动化程度较高；布局复杂，成本高。
（2）调压装置
此种装置依靠管内输送介质的压力驱动工作，具有节流减压、截断隔压等功能，安装在管道的长陡下坡段，可起到减动压、隔静压的作用。它以出口压力为控制对象和目的，即无论其进口压力如何变化，只要在其工作压力范围以内，它均能实时地自动调整阀门开度，将多余的压力节流消耗掉，以保持出口压力基本稳定不变。因此，它是一动态阻力部件，可实时自动适应管道运行工况的变化，更有利于消除不满流和超压。
与孔板消能装置相比，调压装置具有更多的优越性。首先，后者是一种自力式控制装置，自力驱动工作，不需外部指令和动力源，无外围设备和通信电缆等，误动作可能性小，维护管理简单方便，成本、运行费用低，更适合野外使用；其次，前者采取梯级方式调压，而后者以无级方式调压，因此后者具有更好的调节性能和灵活性，更适应管道系统多变的运行工况；第三，后者功能多，适用范围广：既能在管道输油运行时进行节流减压，消耗多余的能量，避免出现真空不满流和动压超压；又可在管道停输时自动关闭，将线路截断，分隔静压，防止静态超压。
因此，处理长陡下坡管道的不满流和超压等问题的最佳方法是在下坡段线路的适当位置（一处或多处）安装调压装置。当然，能否取得好的效果，主要取决于调压装置的结构形式和工作性能。
四、结论
真空不满流、动水压头超压和静水压头超压等是山地管道长陡下坡段特有的水力状态。由于地形起伏状况的不同以及管道输送工况的改变，有时可能其中的某一种情况发生，有时也可能几种情况同时发生。
笔者以为，第一，对于高差不大、剩余能量不多、静水压头不超压、管路距离增加不长的情况，可考虑采用减缓下行坡度，延长管路长度的方法；第二，对于管道输送条件不会发生较大变化、静水压头不超压，并且不需要清管的局部线路，可采用串接小口经管道，增加管壁厚度的方法；第三，对于几种水力状态可能同时出现的最不利情况，最佳的处理方法是在下坡段线路设置压力控制装置。
当然，具体采用哪一种方法须经技术、经济评估，并视具体线路情况经多种方案优化比较而确定。
参考文献
[1]蒲家宁.军用输油管线.北京：解放军出版社，2001.9
[2]杨筱蘅等.输油管道设计与管理.山东东营：石油大学出版社，1996.8
[3]宫敬，严大凡.大落差管道下坡段不满流流动特性分析.石油大学学报，No.6，1995
[4]张林夫等.空化与空蚀.南京：河海大学出版社，1989.5
[5]蒲家宁，雍歧卫，张伟明.输油管道集成自力式壓力调节站.油气储运，No.5，2001
[6]Johnston H. N.，Portable Pressure Regulation Station for Critical Downhill Sections of 6， 8 and 12 Inch Military Fuel Pipeline，NTIS，1971.