本发明涉及油气储运工程教学技术领域，更为具体地，涉及一套油气管道压力综合教学实验装置。
背景技术：
油气管道在工业生产和运营中发挥着巨大的作用。由于石油和天然气为易燃、易爆、高危、高风险物质。因此，在进行油气管道工程建设中，必须严格按照国家的规范和标准进行管道系统进行试压操作，这是十分重要和必不可少的一道关键工序。按试验的目的可分为检查管道力学性能的强度试验、检查管道连接质量的严密性试验。管道系统的强度试验与严密性试验一般采用水压试验，如因设计结构或其他原因不能采用水压试验时，可采用气压试验。管线压力试验介质一般分为两类：一类是气体，一类是液体。气体一般采用空气和氮气，液体一般采用洁净水。环形管道一般需要预先进行平差实验。
油气管道压力实验是油气储运工程教学培养的一个重要组成部分。然而，在现实生活中，由于油气管道所处场所多属于高危高风险管道，这给新人的培训和教学带来了巨大的不便，并且教学条件艰苦，教学质量差，教学成本高，难以培养高技能的专业人员。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种油气管道压力综合教学实验装置，以解决上述背景技术所提出的问题。
本发明提供的油气管道压力综合教学实验装置，包括环管、气源供给管线和水源供给管线，环管通过第一段试压管道、第二段试压管道、第三段试压管道和第四段试压管道首尾相连形成；其中，第一段试压管道包括依次连接的第八球阀、第一闸阀、第十球阀、第三流量计，在第八球阀与第一闸阀之间连接有第一放空支管线，在第一放空支管线上设置有第一调节阀，在第十球阀与第一闸阀之间连接有第一排水支管线，在第一排水支管线上设置有第二调节阀，在第三流量计未与第十球阀连接的一端连接有第一测压支管线，在第一测压支管线上设置有第三针型阀，在第三针型阀上安装有第一压力表，在第一段试压管道上并联有第九球阀，第九球阀的一端并联在第八球阀未连接第一调节阀的一端，第九球阀的另一端并联在第三流量计与第十球阀之间；第二段试压管道包括依次连接的第十一球阀、第二闸阀、第十三球阀、第四流量计和三段支管线，在第十一球阀与第二闸阀之间连接有第二放空支管线，在第二放空支管线上设置有第四调节阀，在第十三球阀与第二闸阀之间连接有第二排水支管线，在第二排水支管线上设置有第五调节阀，在第四流量计未与第十三球阀连接的一端连接有第二测压支管线，在第二测压支管线上设置有第六针型阀，在第六针型阀上安装有第二压力表，在第二段试压管道上并联有第十二球阀，第十二球阀的一端并联在第十一球阀未连接第四调节阀的一端，所述第十二球阀的另一端并联在第四流量计与第十三球阀之间；第三段试压管道包括依次连接的第十四球阀、第三闸阀、第十六球阀、第五流量计和三段支管线，在第十四球阀与第三闸阀之间连接有第三放空支管线，在第三放空支管线上设置有第七调节阀，在第十六球阀与第三闸阀之间连接有第三排水支管线，在第三排水支管线上设置有第八调节阀，在第五流量计未与第十六球阀连接的一端连接有第三测压支管线，在第三测压支管线上设置有第九针型阀，在第九针型阀上安装有第三压力表，在第三段试压管道上并联有第十五球阀，第十五球阀的一端并联在第十四球阀未连接第七调节阀的一端，第十五球阀的另一端并联在第十六球阀与第五流量计之间；第四段试压管道包括依次连接的第十七球阀、第四闸阀、第十九球阀、第六流量计和三段支管线，在第十七球阀与第四闸阀之间连接有第四放空支管线，在第四放空支管线上设置有第十调节阀，在第十九球阀与第四闸阀之间连接有第四排水支管线，在第四排水支管线上设置有第十一调节阀，在第六流量计未与第十九球阀连接的一端连接有第四测压支管线，在第四测压支管线上设置有第十一针型阀，在第十一针型阀上安装有第四压力表，在第四段试压管道上并联有第十八球阀，第十八球阀的一端并联在第十七球阀未连接第十调节阀的一端，第十八球阀的另一端并联在第十九球阀与第六流量计之间；环管通过可拆卸接头连接有连接管线，连接管线分别与水源供给管线、气源供给管线连接，在连接管线上依次安装有温度表和第五压力表；水源供给管线包括依次连接的水源、液体增压器、第二止回阀、第六球阀、第二流量计和第七球阀，第七球阀与连接管线连接；气源供给管线包括依次连接的移动式空压机、第一止回阀、第一球阀、第二球阀、第一流量计和第五球阀，第五球阀与连接管线连接，第二球阀的两端并联有干燥管线，干燥管线包括依次串联的第三球阀、干燥器和第四球阀。
另外，优选的结构是，第三针型阀的一端与第三流量计连接，另一端与第十一球阀连接；第六针型阀的一端与第四流量计连接，另一端与第十四球阀连接；第九针型阀的一端与第五流量计连接，另一端与第十七球阀连接；第十二针型阀的一端与第六流量计连接，另一端与第八球阀连接。
此外，优选的结构是，在第一段试压管道、第二段试压管道、第三段试压管道和第四段试压管道上分别预留有用于连接试压实验装置的接口。
再者，优选的结构是，试压实验装置包括移动压力天平、压力记录仪、温度记录仪或移动露点检测仪。
利用上述本发明的油气管道压力综合教学实验装置，能够在油气管道压力实验中实现模拟多种介质条件下、多工位操作情况下的压力试验，包括管道严密性实验、管道强度实验、管道吹扫实验、环管平差实验，同时能完成压力表和法兰闸阀的拆卸保养教学实验。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的油气管道压力综合教学实验装置的结构示意图。
其中的附图标记为：水源1、液体增压器2、移动式空压机3、干燥器4、试压实验装置5、第一调节阀T1、第二调节阀T2、第三针型阀T3、第四调节阀T4、第五调节阀T5、第六针型阀T6、第七调节阀T7、第八调节阀T8、第九针型阀T9、第十调节阀T10、第十一调节阀T11、第十二针型阀T12、第一球阀至第十九球阀Q1-Q19、第一止回阀H1、第二止回阀H2、第一闸阀至第四闸阀Z1-Z4、第一压力表至第五压力表P1-P5、温度表T、第一流量计至第六流量计F1-F6。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1示出了根据本发明实施例的油气管道压力综合教学实验装置的结构。
如图1所示，本发明提供的油气管道压力综合教学实验装置包括：环管、气源供给管线和水源供给管线，气源供给管线与水源供给管线分别与环管通过可拆卸的方式连通，环管通过四段试压管道首尾相连形成，四段试压管道分别为第一段试压管道、第二段试压管道、第三段试压管道和第四段试压管道，第一段试压管道包括依次连接的第八球阀Q8、第一闸阀Z1、第十球阀Q10、第三流量计F3，在第八球阀Q8与第一闸阀Z1之间连接有第一放空支管线，在第一放空支管线上设置有第一调节阀T1，在第十球阀Q10与第一闸阀Z1之间连接有第一排水支管线，在第一排水支管线上设置有第二调节阀T2，在第三流量计F3未与第十球阀Q10连接的一端连接有第一测压支管线，在第一测压支管线上设置有第三针型阀T3，在第三针型阀T3上安装有第一压力表P1，在第一段试压管道上并联有第九球阀Q9，第九球阀Q9的一端并联在第八球阀Q8未连接第一调节阀T1的一端，第九球阀Q9的另一端并联在所述第三流量计F3与第十球阀Q10之间，第九球阀Q9起到旁通的作用；第二段试压管道包括依次连接的第十一球阀Q11、第二闸阀Z2、第十三球阀Q13、第四流量计F4，在第十一球阀Q11与第二闸阀Z2之间连接有第二放空支管线，在第二放空支管线上设置有第四调节阀T4，在第十三球阀Q13与第二闸阀Z2之间连接有第二排水支管线，在第二排水支管线上设置有第五调节阀T5，在第四流量计F4未与第十三球阀Q13连接的一端连接有第二测压支管线，在第二测压支管线上设置有第六针型阀T6，在第六针型阀T6上安装有第二压力表P2，在第二段试压管道上并联有第十二球阀Q12，第十二球阀Q12的一端并联在第十一球阀Q11未连接第四调节阀T4的一端，第十二球阀Q12的另一端并联在第四流量计F4与第十三球阀Q13之间，第十二球阀Q12起到旁通的作用；第三段试压管道包括依次连接的第十四球阀Q14、第三闸阀Z3、第十六球阀Q16、第五流量计F5，在第十四球阀Q14与第三闸阀Z3之间连接有第三放空支管线，在第三放空支管线上设置有第七调节阀T7，在第十六球阀Q16与第三闸阀Z3之间连接有第三排水支管线，在第三排水支管线上设置有第八调节阀T8，在第五流量计F5未与第十六球阀Q16连接的一端连接有第三测压支管线，在第三测压支管线上设置有第九针型阀(T9)，在第九针型阀T9上安装有第三压力表P3，在第三段试压管道上并联有第十五球阀Q15，第十五球阀Q15的一端并联在第十四球阀Q14未连接第七调节阀T7的一端，第十五球阀Q15的另一端并联在第十六球阀Q16与第五流量计F5之间，第十五球阀Q15起到旁通的作用；第四段试压管道包括依次连接的第十七球阀Q17、第十调节阀T10、第四闸阀Z4、第十一调节阀T11、第十九球阀Q19、第六流量计F6，在第十七球阀Q17与第四闸阀Z4之间连接有第四放空支管线，在第四放空支管线上设置有第十调节阀T10，在第十九球阀Q19与第四闸阀Z4之间连接有第四排水支管线，在第四排水支管线上设置有第十一调节阀T11，在第六流量计F6未与第十九球阀Q19连接的一端连接有第四测压支管线，在第四测压支管线上设置有第十一针型阀T11，在第十一针型阀T11上安装有第四压力表P4，在第四段试压管道上并联有第十八球阀Q18，第十八球阀Q18的一端并联在第十七球阀Q17未连接第十调节阀T10的一端，第十八球阀Q18的另一端并联在第十九球阀Q19与第六流量计F6之间，第十八球阀Q18起到旁通的作用。
第三针型阀T3的一端与第三流量计F3连接，另一端与第十一球阀Q11连接；第六针型阀T6的一端与第四流量计F4连接，另一端与第十四球阀Q14连接；第九针型阀T9的一端与第五流量计F5连接，另一端与第十七球阀Q17连接；第十二针型阀T12的一端与第六流量计F6连接，另一端与第八球阀Q8连接，即第四压力表P4安装在第八球阀Q8与第六流量计F6之间，第一压力表P1安装在第十一球阀Q11与第三流量计F3之间，第二压力表P2安装在第十四球阀Q14与第四流量计F4之间，第三压力表P3安装在第十七球阀Q17与第五流量计F5之间，并实现第一段试压管道、第二段试压管道、第三段试压管道和第四段试压管道的首尾相连。
第一调节阀T1、第四调节阀T4、第七调节阀T7和第十调节阀T10分别起到调节和排气的作用，具体地，第一段试压管道内注入的气体通过第一调节阀T1泄压或排掉，第二段试压管道内注入的气体通过第四调节阀T4泄压或排掉，第三段试压管道内注入的气体通过第七调节阀T7泄压或排掉，第四段试压管道内注入的气体通过第十调节阀T10泄压或排掉。
第二调节阀T2、第五调节阀T5、第八调节阀T8、第十一调节阀T11分别起到调节和排水的作用，具体地，第一段试压管道内注入的水通过第二调节阀T2泄压或排掉，第二段试压管道内注入的水通过第五调节阀T5泄压或排掉，第三段试压管道内注入的水通过第八调节阀T8泄压或排掉，第四段试压管道内注入的水通过第十一调节阀T11泄压或排掉。
在第一段试压管道、第二段试压管道、第三段试压管道和第四段试压管道上分别预留有用于连接试压实验装置5的接口，试压实验装置5包括移动压力天平、压力记录仪、温度记录仪或移动露点检测仪。
环管通过可拆卸接头连接有连接管线，连接管线分别与水源供给管线、气源供给管线连接，在连接管线上依次安装有温度表T和第五压力表P5，温度表T相比第五压力表P5更接近环管。
水源供给管线包括依次连接的水源1、液体增压器2、第二止回阀H2、第六球阀Q6、第二流量计F2和第七球阀Q7，第七球阀Q7的一端与第二流量计F2连接，另一端接入连接管线，并与第五压力表P5连通。
气源供给管线包括依次连接的移动式空压机3、第一止回阀H1、第一球阀Q1、第二球阀Q2、第一流量计F1和第五球阀Q5，第五球阀Q5的一端与第一流量计F1连接，另一端接入连接管线，并与第五压力表P5连通，在第二球阀Q2的两端并联有干燥管线，干燥管线包括依次串联的第三球阀Q3、干燥器4和第四球阀Q4。
本发明中所有的闸阀均为法兰闸阀。
上述内容详细说明了本发明提供的油气管道压力综合教学实验装置的结构了，通过该油气管道压力综合教学实验装置可以实现以下实验：
一、模拟水压试验
以四段试压管道中的第一段试压管道为例进行说明，其它三段试压管道的水压试验同理可得，该水压试验流程为：
1、确定油气管道压力综合教学实验装置中各阀门的启闭状态，开启第二止回阀H2、第六球阀Q6、第七球阀Q7、第八球阀Q8、第十球阀Q10、第一闸阀Z1、第三针型阀T3，关闭第五球阀Q5、第九球阀Q9、第十一球阀Q11、第十二球阀Q12、第十八球阀Q18、第十九球阀Q19、第一调节阀T1、第二调节阀T2。
2、通过水源供给管线向第一段试压管道注水，在注水过程中准确记录注水压力、注水体积、环境温度、地表温度、管壁温度及入口水温度。
打开水源1，液体依次经过计量、测温、测压后进入环管。
3、在注水完成后，通过第五压力表P5和第一压力表P1检查第一段试压管道各端的压力差，核实试验压力，启动液体增压器2开始升压。
4、按每小时不大于1MPa的均匀速率缓慢增压，若当试压压力超过3MPa时，分3次升压，即在压力分别为30％、60％时，停止升压，并稳压30分钟后，对第一段试压管道进行观察，若未发现问题，继续升压至试验压力；当试验压力低于3MPa时，分2次升压，在压力为50％试验压力时稳压30分钟进行观察，若未发现问题继续升压至试验压力。
5、注意观察第五压力表P5和第一压力表P1，达到试压段的试验压力后开始稳压，关闭第七球阀Q7，并确定压力和温度是否稳定。
6、在确定压力稳定后，试压管段在开始4小时强度试验，利用移动压力天平、压力记录仪、温度记录仪在稳压试验的前30分钟，每5分钟记录一次压力的读数，下个30分钟内，每10分钟记录一次读数，再下个1小时内，每15分钟记录一次读数，以后每30分钟记录一次。
7、强度试验在规定的最低测试压力下保持4小时，没有发生裂管、明显的压降或者由于温度损失要增加水量，则水压试验通过。
8、当水压试验合格后，缓慢地打开第二调节阀T2，放掉第一段试压管道中的部分水，使管内压力降至严密性试验的试验压力。
9、在试验压力稳定后，开始24小时的严密性试验，在整个严密性试验过程中，记录仪继续工作，每15分钟记录一次压力和温度。
10、严密性试验在规定的最低测试压力下保持24小时，没有出现最大为1％的压力降，则严密性试验通过。
11、在试压通过后，缓慢地打开第二调节阀T2，将第一段试压管道中的水排净。
12、启动移动式空压机3和干燥器4，利用干空气对第一段试压管道进行低压吹扫，使用露点仪检测管道内露点低于-20℃为止。
二、模拟气压试验
以四段试压管道中的第一段试压管道为例进行说明，该气压试验流程为：
1、确定油气管道压力综合教学实验装置中各阀门的启闭状态，开启第一止回阀H1、第一球阀Q1、第二球阀Q2、第五球阀Q5、第八球阀Q8、第十球阀Q10、第一闸阀Z1、第三针型阀T3，关闭第七球阀Q7、第三球阀Q3、第四球阀Q4、第九球阀Q9、第十一球阀Q11、第十二球阀Q12、第十八球阀Q18、第十九球阀Q19、第一调节阀T1、第二调节阀T2。
2、若需使用干空气吹扫试压，则采取开启第一止回阀H1、第一球阀Q1、第三球阀Q3、第四球阀Q4、第五球阀Q5、第八球阀Q8、第十球阀Q10、第一闸阀Z1、第三针型阀T3，关闭第七球阀Q7、第二球阀Q2、第九球阀Q9、第十一球阀Q11、第十二球阀Q12、第十八球阀Q18、第十九球阀Q19、第一调节阀T1、第二调节阀T2。
3、启动移动式空压机3向第一段试压管道注气，缓慢升压，每小时升压不得超过1MPa。
4、注意观察第五压力表P5和第一压力表P1，当压力升至气压试验压力的30％和60％时，分别停止升压，稳压30分钟，检查第一段试压管道有无异常情况，若无异常情况则继续升压至试验压力。
5、关闭第五球阀Q5，开始强度试验稳压2小时，利用移动压力天平、压力记录仪、温度记录仪记录试验数据，在第一段试压管道无断裂、无变形、无渗漏，其压降小于2％试验压力时，气压试验通过。
6、在气压试验通过后，缓慢地打开第一调节阀T1，放掉第一段试压管道中的部分压缩空气，使管内压力降至严密性试验的试验压力，开始进行严密性试验。
7、严密性试验在规定的最低测试压力下稳压24小时，记录仪持续工作，经检查无渗漏，且压降率不大于允许压降率，则严密性试验通过。
8、在试压通过后，缓慢地打开第一调节阀T1，排出第一段试压管道内的气体。
三、模拟法兰闸阀的拆卸保养试验
以拆卸第一闸阀Z1为例进行说明，其它闸阀的拆卸保养试验同理可得。
1、打开第九球阀Q9，关闭闸阀Z1上游的第八球阀Q8，并用F型扳手加力关严；关闭下游第十一球阀Q11，并用F型扳手加力关严；缓慢打开第一调节阀T1泄压或第二调节阀T2泄流。
2、在观察第一压力表P1或压力记录仪的指针落零后，关闭第十球阀Q10，开始拆卸第一闸阀Z1法兰连接螺栓。
3、用活动扳手拆卸法兰连接螺栓，先卸下方外侧螺栓，再卸下方内侧螺栓，然后再卸其他螺栓。
4、取下第一闸阀Z1。
5、清理第一闸阀Z1的法兰面，用刮刀或纱布清理第一闸阀Z1的法兰密封面和水线以及第一段试压管道上的法兰密封面和水线，使环形槽内及密封表面干净无杂质。
6、更换第一闸阀Z1。
首先，在未取下第一闸阀Z1时，关闭第一闸阀Z1，检查第一闸阀Z1的规格质量及流向；然后，装上新的第一闸阀Z1，并在两组第一闸阀Z1上各装好三条螺栓；将两个垫片表面均匀涂抹上少许润滑油脂，然后用撬杠撬开法兰，将垫子放入管路法兰与第一闸阀Z1的间隙中；用撬杠撬开法兰，活动手柄调整垫片使其放在法兰中心，初步紧固三条螺栓，用撬杠和钢板尺调整法兰垂直度或水平度；穿上最后一条螺栓，用活动扳手对角均匀紧固螺栓，并检查法兰间隙是否均匀对称，最后二次紧固。
7、对更换后的第一闸阀Z1进行试压。
打开更换后的第一闸阀Z1；关闭第一调节阀T1或第二调节阀T2；缓慢打开第一闸阀Z1下游的第十球阀Q10、第十一球阀Q11试压，待观察第一压力表P1或压力记录仪上升至稳定状态后，检查确定更换后的第一闸阀Z1无渗漏后，缓慢关闭第九球阀Q9，打开第一闸阀Z1上游的第八球阀Q8。
四、模拟压力表的拆卸安装试验
以拆卸第一压力表P1为例进行说明，其它压力表的拆卸试验同理可得。
1、拆卸压力表：
(1)关闭第三针型阀T3。
(2)将两活扳手打开到适当开度，卡住第一压力表P1的接头及对应的下接头。
(3)旋转活扳手，松动第一压力表P1的接头。
(4)缓慢卸去第三针型阀T3至第一压力表P1管段内的气体。
(5)待第一压力表P1的指针回到零位后，再继续旋转活扳手，直至取下第一压力表P1。
(6)缓慢打开第三针型阀T3，吹扫去压导管内的污物。
(7)关闭第三针型阀T3。
2、安装压力表：
(1)缓慢打开第三针型阀T3，吹扫去压导管，直至无污物粉尘，再关闭第三针型阀T3；
(2)将第一压力表P1的接头垫圈涂少许黄油后装在接头上粘牢；
(3)将第一压力表P1的接头对准去压管接头，旋转第一压力表P1直至初步上牢；
(4)用活扳手开口，分别卡住第一压力表P1的接头和去压管接头，扭动扳手，上紧第一压力表P1；
(5)逐渐打开第三针型阀T3，观察第一压力表P1的起压情况；
(6)在第一压力表P1指针指示基本稳定后，用查漏用具检查接头处是否泄漏；
(7)如果泄漏，使用活扳手再拧紧接头，直到不泄漏为止。
3、压力表示值检查：
(1)关闭第九球阀Q10、第十球阀Q10、第十二球阀Q12、第十三球阀Q13，打开第四调节阀T4，卸去第一压力表P1表内的压力；
(2)对第一压力表P1进行零点检查与调整，使其符合检定规程要求，关闭第一调节阀T1。
4、压力表保养：将第一压力表P1拆卸下来后，更换垫片，添加润滑油。
五、模拟环管平差试验
在按初步分配流量确定管径的基础上，重新分配各管段的流量，反复计算，直到同时满足连续性方程组和能量方程组的环状管网水力计算过程即为环管平差。通过模拟管道流量调节，掌握流体力学相关计算公式和在工程当中的运用。
1、通过控制第一调节阀T1、第四调节阀T4、第七调节阀T7、第十调节阀T10的不同开度，模拟不同的管道流量大小，实现不同管道流量分配。将第一调节阀T1的开度设置为未知量，第四调节阀T4的开度开为1/3分度，第七调节阀T7的开度开为2/3分度，第十调节阀T10全开，管道上第一调节阀T1的控制流量在第三流量计F3表征，第四调节阀T4的控制流量在第四流量计F4表征，第七调节阀T7的控制流量在第五流量计F5表征，第十调节阀T10的控制流量在第六流量计F6表征。
2、对管网管段编号，对压降方程、连续性方程和能量方程联立求解，解出环方程组的相关参数。
3、改变第一调节阀T1的开度，改变了第一调节阀T1所在管段的流量，使环管流量重新分配并改变了各段试压管道的压力值，计算出管网管段途泄流量。
4、拟定环管管道中的气流流向和零点，气流的方向应为流离源点而流向零位置，不应逆向流动。
5、从零点开始，逐一推算各段试压管道的转输流量，求出各段试压管道的计算流量。
6、由管网的允许压降及源点至零点的计算长度，确定单位管段长度的允许压降，并根据单位长度的允许压降校核管径。
7、初步计算管网各管段的压降和环管压力降的闭合差。
8、环管平差计算，求出环管的校正流量，使环管压力降的代数和等于零或接近于零，达到工程容许的误差范围。
9、验证总压降满足要求则停止计算。否则改变个别管道的管流量，重新计算。
10、将计算数据与流量计和压力表的数值进行比较，得出误差值，校核第一调节阀T1、第四调节阀T4、第七调节阀T7、第十调节阀T10的开启度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。