基于动态实验的玻璃钢原油管道结垢规律研究

为了研究玻璃钢管道在原油输送过程中的结垢问题,通过搅拌实验的方法对玻璃钢管道内的结垢情况进行了模拟实验,并运用Origin8.0绘图软件拟合得到了基于油品温度、流量以及流动距离的玻璃钢管道原油输送结垢计算公式;采用VB6.0编程语言,对所研究的内容及公式进行编程,通过与新疆HK玻璃钢管线现场清管运行参数对比,对结垢计算公式进行了修正。结果表明:由该程序计算所得玻璃钢管线结垢量情况以及不同位置在不同流量下的结构速率与实验结果吻合,因此,所编程序计算结果能够有效地为玻璃钢管线现场清管周期的确定提供理论依据。     

大落差原油管道投产油顶水过程研究

为了探究隔离球在大落差原油管段投产过程中的影响作用,以某大落差“U”型起伏原油管线为实际案例（其最大高差达1 490 m）,基于OLGA多相流瞬态模拟方法,对大落差原油管段油顶水过程进行仿真研究。分析隔离球对原油顶水过程中的混油影响,同时对不同输量、管内积液量条件下隔离球在大落差管段中的运动特性进行研究,得到了清管器的平均运行速度、管中压力、持液率的变化趋势以及清管过程中的段塞行为等。结果表明:当输量为900~2 500 m3/h时,隔离球的加入能够降低混油量84.2%~93.7%;同时,还能减少投产过程中由于油品轻质组分汽化所产生的气体,并将更多管内气体带走,减少管中段塞流,提高原油投产效率,为工程实际投产过程提供有效依据。     

长输管道凹陷提压回圆评价方法

为了解决长输管道深凹陷所导致的清管器及内检测器难以通过的工程问题,基于局部提高管道内压可使凹陷回圆、深度减小以达到清管器或检测器可通过深度门槛值的思想,建立了内压作用下管道凹陷回圆过程非线性有限元模型;提出了管道凹陷回圆系数的定义;通过应力应变响应分析对凹陷回圆过程的安全性进行论证;对回圆系数的影响因素进行分析,探讨径厚比、管材、凹陷尺寸、初始内压、回圆压力等参数对回圆系数的影响;基于有限元计算算例,采用非线性回归的方法拟合了凹陷回圆系数工程计算公式。研究结果表明:在极限回圆压力工况下,凹陷回圆过程中管道未发生二次塑性损伤;误差分析显示拟合所得公式预测精度较好,可用于长输管道凹陷的回圆评价。     

Modelling ice and wax formation in a pipeline in the Arctic environment

In the Arctic environment, the fluid temperature in the pipeline can drop below the freezing point of water, which causes wax and ice to form on the pipeline surface. Solid formation on the pipeline surface can lead to flow assurance and process safety issues, such as blockage of the pipeline, pipeline component failure, and release of hazardous liquid. Remediating the plugging requires a shutdown of pipeline operation, which incurs tremendous cost and delays the entire production system. In order to prevent blockage, the pigging operation can be used to remove the deposits on the pipeline surface on a regular interval. Ice and wax depositions in the pipeline are a slow process. However, if the deposition grows too thick, pipeline blockage can still occur after pigging operation. So, ice and wax deposition rates are required to be estimated accurately. This paper investigates ice and wax deposition rates in a 90,000 m pipeline. A fundamental model for both ice and wax deposition is proposed using the first principles of heat and mass transfer.     

天然气管道泄漏爆炸实验分析

天然气管道失效造成泄漏爆炸给周围人员带来非常严重的危害,对其危害范围的研究对输气管道设计和运行具有重要的意义。常见的天然气管道泄漏爆炸伤害半径计算方法有蒸气云爆炸(VCE)定量评价模型、TNO多能法评价模型、API pub 581定量后果评价模型和炸药爆炸经验公式。为验证不同评价模型在受限空间的预测效果,利用天然气爆炸试验台进行了受限空间爆炸实验,得到最大压强与距离经验关系,计算出天然气浓度为7%、9%和11%情况下爆炸死亡半径。计算结果与不同经验模型预测结果比较,表明当天然气浓度为7%~11%时,蒸气云爆炸(VCE)定量评价模型和炸药爆炸经验模型与实验结果最为接近,误差分别为-113%和189%,TNO多能法评价模型和API pub 581定量后果评价模型预测结果偏小。结论对有限空间天然气管道爆炸研究具有实际意义。     

Integrated leakage detection and localization model for gas pipelines based on the acoustic wave method

With the development of natural gas transportation systems, major accidents can result from internal gas leaks in pipelines that transport high-pressure gases. Leaks in pipelines that carry natural gas result in enormous financial loss to the industry and affect public health. Hence, leak detection and localization is a major concern for researchers studying pipeline systems. To ensure the safety and improve the efficiency of pipeline emergency repair, a high-pressure and long-distance circular pipe leakage simulation platform is designed and established by similarity analysis with a field transmission pipeline, and an integrated leakage detection and localization model for gas pipelines is proposed. Given that the spread velocity of acoustic waves in pipelines is related to the properties of the medium, such as pressure, density, specific heat, and so on, this paper proposes a modified acoustic velocity and location formula. An improved wavelet double-threshold de-noising optimization method is also proposed to address the original acoustic wave signal collected by the test platform. Finally, the least squares support vector machine (LS-SVM) method is applied to determine the leakage degree and operation condition. Experimental results show that the integrated model can enhance the accuracy and precision of pipeline leakage detection and localization.     

天然气管道直管段结垢速率数值模拟研究

为了探究天然气集输管道运行中结垢速率的影响因素,基于FLUENT软件建立了天然气集输管道结垢速率数值模拟模型。结合川西北天然气管网的实际运行参数,定量分析了管道压力、温度、垢粒子浓度和流速对结垢速率的影响。结果表明,管道压力、介质流速与结垢速率呈负相关关系,介质温度、粒子浓度与结垢速率呈正相关关系。在实际生产过程中,可以通过适当增大气田采出水的压力和流速,降低介质温度来达到抑制结垢发生的目的;并且还分析了CaCO3颗粒在直管段处的生成与沉积规律。     

水平管分层流下微孔泄漏特性数值模拟和实验分析

在油气田开发过程中,通常采用气液相混输模式,管道受腐蚀等因素影响容易出现穿孔而发生两相流泄漏。为分析两相流泄漏特性,对管内常见流型分层流下的微孔泄漏特性进行数值和实验分析;采用VOF耦合Level set算法分析了不同影响因素下的气液两相泄漏特性,设计了1种管道泄漏收集装置,进行室内两相流泄漏实验,并验证了数值预测模型的准确性。研究结果表明:气液两相流经过管壁泄漏口时会发生相分离,泄漏特性受小孔方位、管路内外压差、气液相流速影响较大;泄漏口位于管路侧壁时的泄漏特性与其他角度下的泄漏特性有所不同,可用泄漏影响区内的气液分布进行解释;当泄漏口位于管路底部时,存在临界液相分流系数,当液相分流比小于此临界值时,泄漏流体为单相液体。VOF耦合Level set算法的数值方法可为管路泄漏量预测和相分离特性分析提供参考。     

三氟甲烷灭火剂在管网中流动状态分析

通过对三氟甲烷灭火剂在管网中的流动状态、管网中灭火剂流动的压力～时间(p～t)曲线分析,进一步阐明三氟甲烷灭火剂气液两相流动状态下管道压力损失,利用推导的压力损失计算公式对具体的系统进行实际计算,并通过实际的系统喷放所测得的数据对计算结果进行验证,进一步证明推导的压力损失计算公式的可用性和对三氟甲烷灭火剂在管网中的流动状态分析的正确性。     

基于SPH-FEM耦合法的含缺陷输气管道爆炸冲击响应研究

针对大口径埋地输气管道发生物理爆炸对并行含体积缺陷邻管的冲击行为,利用LS-DYNA和LS-PREPOST有限元软件建立基于光滑粒子流体动力学-有限单元法的管-土-炸药耦合模型,分析不同缺陷深度、不同缺陷表面积、不同缺陷位置和不同爆心距下邻管的动力响应;基于爆腔预估公式和峰值振速经验公式,验证了所建耦合模型的可靠性,并通过设计算例开展多工况分析。研究结果表明:迎爆面上的缺陷处为动力响应的热点区域,最大响应特征值（应力、位移与振速）位于缺陷中心处,随缺陷深度的增加或管间距的减小特征值增速由平缓到急剧;相比缺陷位置和表面尺寸对管道的扰动程度,缺陷深度和爆心距对管道的动力响应影响较大;在本研究的条件下,建议埋地并行输气管道的安全间距不应小于5.16 m,且腐蚀深度不大于管道壁厚的0.633 6倍。研究结果可为埋地输气管道极端灾害下的风险评估提供技术支撑,为并行管道可能的抗爆隔爆设计提供模拟数据支持。     

X80天然气管道在役焊接应力分析与调控

为了探究X80天然气管道在役焊接的应力分布和变化规律,在考虑天然气介质的作用下,采用有限元方法模拟了X80天然气管道在役焊接应力场分布规律,分析了天然气工况参数和环境温度对X80天然气管道在役焊接应力的影响,并根据应力变化规律提出了降低X80天然气管道在役焊接应力的措施。研究结果表明:X80天然气管道轴向焊接应力和环向应力主要呈对称分布形式,且管道外壁的应力大于管道内壁上的应力;随着天然气压力和流速逐渐增大,轴向应力先增加后降低,而环向应力逐渐增大;当环境温度增大后,管道轴向和环向应力均呈下降趋势;降低天然气压力和流速、采用焊前预热能够有效降低焊接应力。研究结果可为我国X80天然气管道在役焊接安全提供参考。     

深水测试地面流程节流油嘴段温压场研究

为对深水高压气井测试地面流程中的节流油嘴段的温压场及水合物生成情况进行研究,采用数值模拟的方式对整个节流管路进行气体流动特性分析.并利用P-T图回归公式法,得出不同温压场条件下的水合物生成情况,进行水合物生成范围对比.结果表明:针阀出口后端气体速度随着管路入口压力和针阀直径的增大而增大,随管路出口压力的增大而减小,而气...     

海底管道受抛锚撞击的数值模拟

海底管道常会因受到抛锚等坠物撞击而发生管道破损、油气泄漏等事故,通常的保护措施是将海底管道埋入海床下一定安全的深度。锚在贯入海床的过程中,与海床相互作用会耗散掉锚的大部分能量,从而使锚对管道的撞击能量减小,继而避免或降低锚对管道的撞击损害。运用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立锚、海床、管道的有限元模型以还原锚贯入海床的过程,选取不同锚重、不同撞击速度及不同海底底质得到锚在贯入海床的过程中与海床的能量变换情况,即锚的速度及位移变化、海底管道的应力应变情况。模拟结果表明,锚的贯穿量随锚重和触底速度增加而增大,随土壤内摩擦角和土体黏聚力增加而减小。     

城市综合管廊燃气舱室输气管道泄漏扩散规律研究

为了掌握输气管道在城市综合管廊舱室泄漏扩散的基本规律,采用FLUENT软件,针对管廊正常通风—泄漏报警—事故通风—警报解除的全过程进行动态分析。首先在正常通风速度建立的稳态风场中,模拟天然气在不同管输压力下发生小孔泄漏后的报警时间,根据首个响应的报警器的位置判断泄漏源位置。结果表明,当泄漏孔径为20 mm,通风速度为1.92 m/s,且泄漏源处于2个报警器中间时,管输压力为200,400,800 kPa时对应的报警时间分别为10.4,6.7,4.5 s。事故通风速度下,对不同管输压力的天然气扩散进行分析,当天然气朝逆风侧扩散时,随动量逐渐减小而到达不同的边界坐标。同时,环境大气压的降低不仅会缩短报警器的首次报警时间,还能延长总扩散距离。预测所得的天然气爆炸上下限浓度区移动速度有助于动态了解处于爆炸上下限浓度之间气体的实时位置。解除报警时间与进风口风速呈近似线性关系,可为现场救援队伍选择经济通风量提供理论指导。     

压力脉冲波法复杂天然气管道堵塞检测实验研究*

为了解决复杂天然气管道堵塞定位难题,快速定位出堵塞位置,提出利用压力脉冲波法检测复杂管道堵塞。改造搭建长18.1 m、包含17个三通结构的压力波堵塞检测实验台,进行不同堵塞率以及气液混输管道的堵塞定位实验。结果表明:管道三通会引起频率范围为150~200 Hz的高频反射波,利用FFT谐波变换方法可以有效地对原始信号进行滤波分析,更利于对堵塞定位分析。在堵塞率100%时,定位误差为1.07%;在堵塞率50%时,定位误差最大,达到1.93%;对于含液率8%的气液混输管道,100%堵塞时,定位误差为0.48%。研究结果有效地证实了压力脉冲法检测复杂输运管道堵塞的可行性,可为该方法的现场应用提供指导和数据支撑。     

天然气净化厂管道泄漏H2S毒害后果影响因素数值分析

为定量评估高含硫天然气开敞空间泄漏过程中风速、风向、泄漏速度、泄漏方向对毒害后果的影响,以天然气净化厂管道泄漏为例,采用正交实验设计方法设计实验场景,基于CFD进行泄漏扩散仿真实验,以吸入剂量、毒害面积、最大毒害面积到达时间、毒害体积、最大毒害体积到达时间作为毒害效应指标,分析不同因素对毒害后果的影响,并提出后果控制建议。研究结果表明:采用CFD方法进行泄漏扩散仿真能够还原泄漏扩散过程;利用正交实验进行影响因素分析可以节省实验资源、获取准确结果;风向和风速对各后果指标均比较敏感,在天然气净化厂建设过程中应着重考虑风的影响。仿真与正交实验结合的方法能够有效评估毒害后果影响因素的敏感性,可为毒害气体泄漏风险防控提供指导。     

Numerical analysis of phase behavior during rapid decompression of rich natural gases

The effect of the condensation process on the gas and liquid phase behavior during rapid decompression of rich natural gases is studied in the paper numerically. A one-dimensional mathematical model of transient thermal two-phase flow of compressible multi-component natural gas mixture and liquid phase in a shock tube is developed. The set of mass, momentum and enthalpy conservation equations are solved for the gas and liquid phases. The approach to model a liquid condensation process during rapid decompression of rich natural gas mixture is proposed. The mass transfer between the gas and the liquid is taken into account by introducing the appropriate terms into the governing equations. Thermo-physical properties of multi-component natural gas mixture are calculated by solving the Equation of State (EOS) in the form of the Soave–Redlich–Kwong (SRK-EOS) model. The proposed liquid condensation model is integrated into the GDP model. A simple case of GDP model, where the liquid was not considered, was extensively validated on base and dry natural gases. The proposed two-phase model is validated against the experiments where the decompression wave speed was measured in rich natural gases at low temperature. It shows a good agreement with the experimental data.     

Large scale experiments to study fires following the rupture of high pressure pipelines conveying natural gas and natural gas/hydrogen mixtures

As part of the EC funded Naturalhy project, two large scale experiments were conducted to study the hazard presented by the rupture of high pressure transmission pipelines conveying natural gas or a natural gas/hydrogen mixture containing approximately 22% hydrogen by volume. The experiments involved complete rupture of a 150 mm diameter pipeline pressurised to nominally 70 bar. The released gas was ignited and formed a fireball which rose upwards and then burned out. It was followed by a jet fire which continued to increase in length, reaching a maximum of about 100 m before steadily declining as the pipeline depressurised. During the experiments, the flame length and the incident radiation field produced around the fire were measured. Measurements of the overpressure due to pipeline rupture and gas ignition were also recorded. The results showed that the addition of the hydrogen to the natural gas made little difference to radiative characteristics of the fires. However, the fraction of heat radiated by these pipeline fires was significantly higher than that observed for above ground high pressure jet fires (also conducted as part of the Naturalhy project) which achieved flame lengths up to 50 m. Due to the lower density, the natural gas/hydrogen mixture depressurised more quickly and also had a slightly reduced power. Hence, the pipeline conveying the natural gas/hydrogen mixture resulted in a slightly lower hazard in terms of thermal dose compared to the natural gas pipeline, when operating at the same pressure.     

隧道掘进爆破载荷作用下埋地管道的振动峰值速度预测研究

为研究隧道掘进爆破过程中地震效应对邻近埋地管道安全性的影响,建立平行于隧道的埋地管道数值模型,将管道视为薄壳圆柱体,定义管道在动载荷作用下的塑性破坏准则,并利用无量纲分析法构建管道表面质点的振动速度关于振动频率与爆破持续时间的数学模型,从而研究埋地管道受震特性.结果表明:隧道掘进爆破作业下成洞侧的管道应力峰值低于非成洞...     

滑坡灾害中埋地管道稳定性分析

滑坡灾害导致的管道局部失稳是油气管道面临的严重威胁之一。为了探讨滑坡灾害中工程管道位移、应力随参数的变化规律,研究管道结构稳定性,采用有限元方法,以管道外径、径厚比、滑坡宽度为研究变量,计算并分析了在滑坡灾害中管道位移、应力和稳定性。研究结果表明:增大管道外径可以有效抑制滑坡灾害中管道位移,同时随着管道外径的增加,管道最大位移呈现二次曲线降低,并且径厚比越小管道位移增量越小;滑坡灾害中管道的最大应力发生在滑坡中心和两端位置;以外径为0.965 m管道为例,屈曲特征值分析结果显示,随着管道径厚比的增大,屈曲特征值呈二次曲线减小;随着管道外径的增加,屈曲特征值呈线性增大,并且屈曲位置发生在滑坡段中间位置,管道所能承受的极限滑坡宽度约为70 m。