实际工况管道气固两相流冲蚀磨损的数值模拟研究

在工况条件复杂的石化管道系统中,冲蚀磨损失效是造成石化管道失效的主要原因,管道内的冲蚀主要发生在如三通管、盲三通、弯头等流向或结构发生变化的位置。本文采用CFD方法,对某炼化厂实际工况管道中的气固两相流冲蚀磨损进行数值模拟研究,结果表明:入口盲三通处的冲蚀磨损最严重,将数值模拟与实际数据进行对比,验证了模拟结果的准确性,并提出了4点测厚点布置建议。本文的研究结果可为石化管道的定点测厚监测提供直观、准确的布点参考。     

T型结构压力管道流固耦合模拟与试验验证

为研究T型压力管道结构内部流体非定常流动诱发的管道振动问题,采用流固耦合分析方法进行分析,借助有限元分析软件ADINA对输送气体介质的T型压力管道结构的进行了流固耦合数值模拟,得到了管内流体流动参数的变化以及管道应力分布规律,并预测了管道振动特性。同时,利用管道振动测试试验系统进行T型管道结构的振动特性进测试,得到压力管道耦合振动响应频率。结果表明:流固耦合数值计算的结果与试验结果能较好地吻合,流体介质的T型压力管道内存在明显的流固耦合效应,不考虑流固耦合作用结果与实验结果相差很大。     

页岩气压裂弯管中液固两相流冲蚀磨损的数值模拟

为了研究超高压水力压裂下支撑剂颗粒进入弯管后冲蚀磨损区域的变化特性。基于液-固两相流理论、Fluent冲蚀模型建立弯管冲蚀模型,结合弯管内流场分析颗粒运动轨迹,引入斯托克斯数（St）探究冲蚀磨损区域变化,并进行数值分析。研究结果表明:弯管中冲蚀磨损发生区域有5处,主要严重区域有3处,弯管流场会改变固体颗粒数量及对壁面冲击动能与运动轨迹,St变化会明显引起冲蚀磨损区域的规律性变化;随着St从0~1至St>1变化,弯管段内壁面外侧（液体进入弯管后的正对区域）与直管段靠近弯管段的侧方区域的冲蚀磨损情况呈现“此消彼长”的规律性差异;管径越小,最大冲蚀速率的增长幅度越明显,增大管径,是减小冲蚀磨损的有效途径。研究结果对压裂弯管的改进设计及管道安全防护具有指导作用。     

气固两相流90°弯管抗冲蚀结构优化

为了提高天然气输送管道90°弯管的耐磨性能,提出了1种三段弯曲式弯管,通过对弯管弯曲段进行三段式改进来减小弯管中二次流的大小,优化弯管内的流场,改善弯管的冲蚀磨损状况。利用COMSOL仿真软件建立三段式弯管模型,并以弯管弯曲段和出口段二次流平均值之和最小为优化目标,在约束条件下凭借COMSOL中的COBYLA优化算法得到了最优管形;用Fluent对优化后的三段式弯管进行冲蚀数值模拟并与一段式弯管的模拟结果进行对比分析。研究结果表明:与一段式90°弯管相比,优化后的三段式弯管流场更加平稳,其弯曲段的二次流强度大幅降低,弯管壁面的冲蚀磨损程度得到较大的改善。     

弯管中油水固三相转相对冲刷腐蚀影响研究

为了研究三相流流经弯管产生转相时对管道的腐蚀问题,以辽河油田原油为例,在温度分别为40,50和55℃的实验条件下,测量不同温度下原油的粘度特性;分析了在不同温度和含水率情况下对高粘转相的影响;采用聚焦光束反射测量仪测量转相点附近固体颗粒沉降规律;采用RNGk-ε湍流模型和DPM模型相结合的方法,根据实验结果对其管道中的不同含水率以及不同混合速度变化对弯管的冲蚀影响进行了CFD模拟研究,得出在不同的入口速度和含水率变化条件下转相对于冲蚀速率的影响。研究结果表明:高粘原油的转相点与温度有关,温度越高,乳状液发生转相时的含水率越高;固体颗粒在油水固三相流沉降在转相点附近明显减少,变化规律与粘度成反向关系;当发生转相时,乳状液的粘度剧增导致管道中油品中包裹的颗粒数目增多,管道冲蚀速率明显减小。     

基于流固耦合的多弯管路系统动力学分析

为研究多弯管路系统的动力学特性,基于流固耦合和有限元原理,对充液L型管道的固有特性进行了数值模拟,并与TMM(传递矩阵法)进行了对比,证明了数值模型的合理性。建立了水下多弯管路的数值模型,进行了流固耦合模态分析,研究了壁厚、管径对管路固有频率的影响规律。并对非定常流下多弯管路系统的动力响应进行了分析,研究了壁厚和波动速度对管道振动的影响规律。研究结果表明:考虑管内、外流体与管道三者耦合时的管道固有频率比只考虑管内流体与管道二者耦合和不考虑耦合时小,但流固耦合作用对管道模态振型的影响较小;管道的固有频率随管径和壁厚的增大而增大, 气体与管道之间耦合作用对管道固有频率的影响小于液体;非定常流下,多弯管路的振动幅值随着壁厚的增大而减小,随着波动速度的增大而增大。     

快速接头内壁冲蚀规律的数值模拟分析*

为进一步改善快速接头受连续相作用易失效、内壁冲蚀磨损严重的问题,采用CFD软件中的Realizable k-ε湍流模型,对不同入口速度下的快速接头冲蚀磨损情况运用数值模拟方法分析,得到快速接头内部的流场分布及其冲蚀磨损情况。结果表明:快速接头的冲蚀主要集中在管径缩小段的大小管道交界处,且在管径突变处流体的压力、速度会发生明显变化。在粒径不变,其余变量恒定的情况下,入口流速越大,最大冲蚀速率随之增大;改变相同粒径颗粒的质量流率,可以看出最大冲蚀速率与质量流率呈正相关关系。模拟得到的不同入口速度、质量流率下在快速接头中的流动冲蚀规律,可对提高接头使用寿命、液冷散热器的平稳运行提供必要的参考。     

水力压裂冲蚀磨损对连续管剩余寿命影响研究

针对水力压裂中连续管内壁冲蚀磨损严重和连续管易失效的问题,基于液-固两 相流和冲蚀理论,建立了连续管内部砂砾冲蚀模型。采用Grant和Tabakoff模型求解砂 砾冲蚀速率,借助实验数据验证了CFD数值模型。利用该模型研究了连续管在不同弯曲 度、砂砾粒度、压裂液注入量、质量流量、压裂液粘度对连续管内壁的冲蚀特性。研究 表明:弯曲连续管比直连续管冲蚀磨损严重,且弯曲度对连续管内壁的冲蚀磨损影响较 大。随着注入量的增加,壁厚平均损失值和壁厚损失峰值呈现快速递增趋势。支撑剂固 体颗粒的粒度对连续管内壁的冲蚀磨损影响较大,粒度为40目时连续管冲蚀速率最大。 随质量流量的增加,连续管剩余寿命呈线性下降。随压裂液粘度的增加,连续管内壁冲 蚀速率总体呈现下降趋势。     

偏心载荷作用下弯管组合段局部屈曲失效分析

为研究弯管组合段在复杂载荷作用下的屈曲行为,提出1种基于远场应变评估管道稳定性的方法,利用数值模拟方法,建立偏心载荷作用下弯管组合段有限元模型,确定临界屈曲状态下管道的极限载荷及应变状态,并研究内压、壁厚以及载荷分布对弯管组合段极限承载能力与极限应变能力的影响。研究结果表明：内压增加或壁厚减少都会降低管道的极限承载能力,均布载荷增加与非均布载荷减少会增强管道抵抗屈曲能力;距离褶皱中心为0.21D的远场应变可以作为管道临界屈曲应变,其极限压缩应变值为0.5%。研究结果可为复杂载荷下弯管组合段的稳定性评估提供参考。     

水环境中管道结构对阴极保护系统电位分布影响的数值模拟

在实际水下铺设工程中,由于需要避开一些水下构筑物,管道不可避免地存在转弯或是分输的情况,传统的检测方法较难实现对水体中阴极保护效果的分析评估。利用有限元软件COMSOL,对水环境中弯管及分支管线对管道整体阴极保护系统的影响进行了数值模拟和分析论述,分别研究了不同角度弯管、管道以相同的角度分别转向和转离阳极等情况下阴极保护电位的分布情况,获取了管道不同结构对阴极保护系统的影响规律,为管线阴极保护系统的设计优化提供理论参考。     

内压作用下含体积型缺陷弯管极限载荷研究

油气管道一旦发生泄漏失效容易引发爆炸等灾难性事故,而管路中的弯管段是容易发生失效的部分,弯管段承载能力的高低将影响整个管道系统的安全性。为了解决油气管线中弯管的失效问题,考虑几何和材料非线性,建立内压作用下含体积型缺陷弯管的有限元模型,并与爆破试验结果对比验证模型的有效性,确定管道的失效判定准则。研究表明影响弯管极限载荷的主要因素有缺陷的几何尺寸、相对位置以及弯曲半径。基于模拟计算,讨论各因素对含缺陷弯管极限载荷的影响规律,通过对计算结果进行非线性拟合,提出内压作用下含体积型缺陷弯管的极限内压预测公式。该公式将为含缺陷弯管的剩余强度评价和完整性评价提供一定依据。     

基于CAESARⅡ的埋地输油管道热煨弯头 危险角度及安全防护措施分析

输油管道危险角度范围的热煨弯头容易产生应力集中,导致弯头失效,因此有必要探讨热煨弯头的危险角度。利用CAESARⅡ软件,采用 建立管道与土壤相互作用模型的方法,以阿赛线埋地输油管道增输改造项目为例,对其中埋地热煨弯头进行数值计算,通过模拟分析可知,阿 赛线水平和纵向热煨弯头危险角度集中在20°~40°范围内,采用两侧不回填的方式释放管道对弯头的推力效果明显,而调整管道曲率半径对减 小弯头应力效果不明显,因此应减少危险角度范围的热煨弯头使用,并采用不回填的方式减小弯头应力。     

非金属管道微小泄漏动力学数值模拟和试验对比

为了探索非金属输送管道泄漏规律,从数值模拟和试验两个角度,对液体PE管道发生泄漏前后管道内流体与泄漏口的流动状态进行了对比分析,为判定管道泄漏提供了依据。运用FLUENT软件针对PE液体管道泄漏,在不同孔径、不同压力下,构建管道泄漏模型分别进行仿真,分析不同泄漏情景下压力梯度的分布规律。同时在近似相同条件下进行PE管道两点泄漏模拟试验。结果显示:数值模拟与试验结果基本一致,泄漏孔处压力、流速均与管内初始压力成正相关;初始压力和孔径的增大,会导致管内压力下降速度上升,但最终会趋于稳定值。     

埋地PE燃气管道弯头挖掘破坏有限元分析

为分析挖掘载荷对PE燃气管道弯头的失效特征及影响因素，利用Abaqus建立了挖掘斗齿 管道弯头 土体多体动力学模型，将管道破坏过程分为接触、屈服、挖裂和挖穿4个阶段，分析了不同挖掘条件下，弯头破坏的力学响应。研究结果表明:管道被挖裂之前，外侧应力、应变大于内侧，此后弯头形变量明显增加，内测应力、应变大于外侧；挖掘速度越慢，管道椭圆度越大；斗齿沿轴向挖掘时，变形从齿 管接触面两端产生，沿径向挖掘时，危险点出现在齿 管接触中心位置，后者变形更大；同样径厚比的弯头，管径越小，挖穿时形变越大。     

页岩气压裂管汇弯头的冲蚀磨损影响分析*

为减小管汇弯头所受的冲蚀磨损率，在考虑固液两相流模型、流体控制方程及冲蚀磨损计算模型基础上，建立高压弯头冲蚀磨损数值模型，以现场工况为依据，对压裂液的流动速度、压裂液黏度、质量流量以及颗粒直径进行控制调整，研究高压弯头的冲蚀因素，得出各因素对弯头冲蚀磨损机理，总结各因素对弯头冲蚀磨损规律。结果表明:为减小冲蚀磨损率，提高高压弯头使用寿命，应减小施工压裂液的质量流量、选用直径较小的颗粒、压裂液黏度应为0.014 Pa·s左右；针对高压弯头提出弯径比为2～3、适当增加弯头的壁厚等改进措施。     

基于声信号特征分析的燃气管道探测识别方法

为了探测和辨识地下燃气管道,避免燃气管道改扩建的过程发生第三方破坏引发安全事故,提出1种基于声信号特征分析的燃气管道探测识别方法,该方法考虑燃气管道声信号声压级低以及易衰减的特点,采用Hilebert-Huang变换算法分析燃气管道流噪声信号特征,建立燃气管道流噪声信号的特征数据库,并通过BP神经网络进行模式识别,判别...     

基于子集模拟的埋地管道失效概率评估

对失效概率的评估是管道系统风险评价的核心内容,针对目前对埋地管道失效概率问题研究的不足,采用子集模拟方法（SS）建立埋地管道失效概率的定量评估模型以及参数敏感度模型,并对随机变量进行敏感分析。研究结果表明:子集模拟能利用少量样本定量计算出管道失效概率,有效弥补了管道结构可靠性模型中的不足;在管道运行中期,工作压力、腐蚀速率、管道壁厚和屈服强度是对管道失效概率影响较大的4个因素,而腐蚀因素在管道运行后期成为对系统失效概率影响最大的因素。     

红—克长输玻璃管线沿程压力和温度分布影响因素分析

为确定红—克长输玻璃管线常温输送方案,根据现场管线工况,利用Pipephase 软件建立了管道数值仿真模型,分析了原油含水率、输送流量、管道内壁粗糙度、环境 温度、入口温度等因素对管线沿程压力和温度分布的影响规律。结果表明:原油含水率 、输送流量、管壁粗糙度的增加会导致管线沿程压降增大;环境温度、入口温度的增加 会造成管线沿程压降减小,且压降变化趋势基本一致;原油含水率、入口温度的增加, 会引起管线沿程温降的增大;输送流量、环境温度的增加,会造成管线沿程温降的减小 ;管壁粗糙度对管线沿程温降影响较小。该研究工作为玻璃钢管线长输方案的制定提供 了参考依据,对保障油气安全运输具有重要的工程意义。