王曉橋 溫芝香 王泉生 夏鋒社 欒建雄

(1.陜西省鍋爐壓力容器檢驗所；2.北京中科法威普科技有限責(zé)任公司)

地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)*

王曉橋*王曉橋，男，1968年5月生，高級工程師。陜西省西安市，710048。1溫芝香1王泉生1夏鋒社1欒建雄2

(1.陜西省鍋爐壓力容器檢驗所；2.北京中科法威普科技有限責(zé)任公司)

在理論研究構(gòu)建的儲氣井疲勞壽命分析過程的基礎(chǔ)上，采用VB6.0研發(fā)了一個地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在西安某加氣站上的實際應(yīng)用結(jié)果表明它可實現(xiàn)高、中、低壓儲氣井的疲勞壽命實時監(jiān)測、分析和預(yù)警，并能指導(dǎo)儲氣井的優(yōu)化運(yùn)行。

地下CNG儲氣井 監(jiān)測系統(tǒng) 疲勞壽命 壓力波動 剩余使用時間

隨著科技的發(fā)展和能源的開拓，我國逐漸使用天然氣能源代替石油來進(jìn)行相關(guān)的化工生產(chǎn)。最初，我國儲存車用壓縮天然氣(Compressed Natural Gas,CNG)采用儲氣瓶或儲氣罐等地上儲氣方式。但是隨著一些化工廠爆炸事故的發(fā)生，暴露出了地上儲氣方式存在的安全隱患。因此，我國相關(guān)研究者在借鑒天然氣工業(yè)建設(shè)地下儲氣庫的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種新型、安全、經(jīng)濟(jì)的高壓地下儲氣井[1]，該儲氣井具有占地面積少、安全可靠、使用壽命長及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。我國CNG加氣站多采用地下CNG儲氣方式[2～4]。

目前，我國擁有約6 000口地下CNG儲氣井，占CNG加氣站儲氣方式的80%以上[5]。儲氣井掩埋地下，尚無有效手段適用于監(jiān)測CNG儲氣井在頻繁加壓降壓而承受交變載荷作用下的運(yùn)行時的實際循環(huán)次數(shù)。這將導(dǎo)致儲氣井可能超過設(shè)計疲勞壽命而繼續(xù)運(yùn)行，形成疲勞破壞。因此，筆者根據(jù)理論構(gòu)建的儲氣井疲勞壽命分析過程，采用VB6.0編程實現(xiàn)對地下CNG儲氣井疲勞壽命的監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析、顯示。

1 系統(tǒng)組成

地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)(圖1)由壓力變送器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)組成。壓力變送器選用防爆高精度壓力變送器，帶現(xiàn)場壓力顯示和現(xiàn)場壓力觀察；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于實時采集儲氣井運(yùn)行過程中的壓力值，并記錄壓力變化；監(jiān)測系統(tǒng)用于實時顯示并存儲儲氣井運(yùn)行參數(shù)，給出預(yù)警。

圖1 地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)框架

2 疲勞壽命分析過程

地下CNG儲氣井疲勞壽命分析過程如圖2所示[6～11]。首先對地下CNG儲氣井筒體采用拉美公式，計算出筒壁應(yīng)力后用名義應(yīng)力法對儲氣井進(jìn)行疲勞分析，獲得疲勞壽命曲線，再結(jié)合線性累積損傷理論進(jìn)行疲勞分析。

圖2 地下CNG儲氣井疲勞壽命分析過程

其中，K=Ro/Ri，Ri、Ro分別為殼體的內(nèi)外半徑；S為疲勞計算曲線中的應(yīng)力幅值；σb為材料的抗拉強(qiáng)度；σs為材料的屈服強(qiáng)度；ψ為材料的斷面收縮率，ψ<1；D為材料的累積損傷系數(shù)。

3 人機(jī)界面

地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分使用簡單、實用的VB6.0編程，使系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)安全、準(zhǔn)確、可靠，記錄每天的運(yùn)行參數(shù)、分析疲勞壽命。

系統(tǒng)軟件界面由當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示、剩余使用時間和原始數(shù)據(jù)3部分組成。

當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示窗口如圖3所示。其中，“壓力MPa”為儲氣井的實時運(yùn)行壓力；“當(dāng)天值”為儲氣井疲勞累積損傷系數(shù)的當(dāng)天累加值；“累加值”為儲氣井疲勞累積損傷系數(shù)的總累加值。窗口中顯示的其他信息為通信端口狀態(tài)、運(yùn)行總天數(shù)、當(dāng)天運(yùn)行時間和數(shù)據(jù)文件存放位置。

圖3 當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示窗口

剩余使用時間窗口如圖4所示，可根據(jù)已運(yùn)行天數(shù)和疲勞累積損傷系數(shù)累加值計算剩余使用時間的估算值。

圖4 剩余使用時間窗口

原始數(shù)據(jù)窗口如圖5所示。壓力范圍15.0～25.9MPa，使用每隔0.1MPa記錄的疲勞損傷次數(shù)，分析儲氣井的使用過程狀態(tài)。

圖5 原始數(shù)據(jù)窗口

系統(tǒng)將采集到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并將原始數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果(即儲氣井疲勞累積損傷系數(shù)的當(dāng)天值和累加值)一并存入系統(tǒng)Access數(shù)據(jù)庫(分為疲勞監(jiān)測數(shù)據(jù)和運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)兩部分)中。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

將地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)在西安某加氣站上進(jìn)行試驗驗證。該加氣站有6口儲氣井，高壓一口井、中壓兩口井、低壓3口井。儲氣井外徑177.8mm、井深100m、材料為N-80、設(shè)計壓力25.6MPa、設(shè)計溫度20℃、最高工作壓力25MPa。

試驗時在高、中、低壓儲氣井(即儲氣井3、儲氣井2、儲氣井1)上分別安裝一支壓力傳感器，用于對儲氣井進(jìn)行實時監(jiān)測，監(jiān)測時間從2013年10月25日到2013年12月19日。

4.1原始數(shù)據(jù)

試驗開始和截止時的數(shù)據(jù)如圖6、7所示。

圖6 試驗開始時數(shù)據(jù)

圖7 試驗截止時數(shù)據(jù)

試驗截止時(2013年12月19日9時35分)，各儲氣井的運(yùn)行壓力波動次數(shù)如圖8所示。

a. 低壓井

b. 中壓井

c. 高壓井

由各儲氣井的原始數(shù)據(jù)可知，低壓儲氣井的壓力變化范圍為15.4～24.2MPa，其中波動頻率較大的范圍為19.2～19.9MPa；中壓儲氣井的壓力變化范圍為17.3～24.2MPa，其中波動頻率較大的范圍為20.0～22.4MPa；高壓儲氣井的壓力變化范圍為18.5～24.2MPa，其中波動頻率較大的范圍為21.0～21.7MPa。

4.2處理后數(shù)據(jù)

系統(tǒng)根據(jù)原始數(shù)據(jù)自動運(yùn)算處理后的各儲氣井的剩余使用時間如圖9所示。

圖9 剩余使用時間

由圖9可知，監(jiān)測期間，低壓儲氣井剩余使用時間為18a左右，中壓儲氣井剩余使用時間為8a左右，高壓儲氣井剩余使用時間為15a左右。這是由于中壓儲氣井較低壓和高壓儲氣井壓力波動頻率大，因此中壓儲氣井剩余壽命低于低壓和高壓儲氣井。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一個地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測運(yùn)行過程中高、中、低壓儲氣井的壓力變化，預(yù)測其剩余使用時間。該系統(tǒng)實現(xiàn)了儲氣井疲勞壽命的實時監(jiān)測、分析和預(yù)警，可用于天然氣儲氣井運(yùn)行安全與疲勞壽命監(jiān)測，指導(dǎo)儲氣井的優(yōu)化運(yùn)行。

[1] 宋成立,淡勇.基于有限元分析的CNG儲氣井疲勞設(shè)計計算[J].化工機(jī)械,2013,40(3):330～334,378.

[2] 郁永章,高其烈,馮興全,等.天然氣汽車加氣站設(shè)備與運(yùn)行[M].北京:中國石化出版社,2006.

[3] 劉清友,何霞,孟少輝.CNG地下儲氣井安全性分析[J].天然氣工業(yè),2005,25(1):138～140.

[4] SY/T 6535-2002,高壓氣地下儲氣井[S].北京:國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會,2002.

[5] 孫祥國,胡蓮君,張良棟.基于ARMS3C2440的移動加氣站貯氣裝置監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].化工自動化及儀表,2012,39(6):765～767.

[6] 董月香,高增梁.疲勞壽命預(yù)測方法綜述[J].大型鑄鍛件,2006,(3):39～41.

[7] 李臻.低碳低合金鋼的變幅疲勞壽命估算[J].壓力容器,2006,23(7):10～14.

[8] 傅祥炯.結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1995.

[9] 雷冬.疲勞壽命預(yù)測若干方法的研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.

[10] 袁熙,李舜酩.疲勞壽命預(yù)測方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空制造技術(shù),2005,(12):80～84.

[11] 李榮,邱洪興,淳慶.疲勞累積損傷規(guī)律研究綜述[J].金陵科技學(xué)院學(xué)報,2005,21(3):17～21.

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can make mass quality in the tube become lower and lower together with worse cavitation effect. Regarding va-rious pipes, the geometric structure of the transversely-ridged tube benefits the generation of steam bubbles and has optimal ultrasonic cavitation effect.

enhanced hear transfer tube, numerical simulation, vapor bubble fraction, ultrasonic cavitation, propagation characteristic, ultrasonic intensity

* 國家質(zhì)檢總局科技計劃項目(2011QK349)。

TQ056

B

0254-6094(2016)02-0257-04

2015-03-11，

2016-03-07)