王桐宇，吳玉國(guó), 李 嬌，張夢(mèng)軻，齊 林

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001; 2. 中國(guó)石化銷(xiāo)售有限公司 湖南永州石油分公司，湖南 永州425000）

油品粘度對(duì)輸油管道彎管結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律分析

王桐宇1，吳玉國(guó)1, 李 嬌1，張夢(mèng)軻1，齊 林2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001; 2. 中國(guó)石化銷(xiāo)售有限公司 湖南永州石油分公司，湖南 永州425000）

對(duì)于長(zhǎng)距離輸送管道而言，為了提高管道的輸送效率，降低輸送成本，如何有效地降低沿程損失便成為首要解決的問(wèn)題。具有較高粘度的油品會(huì)大大增加輸送過(guò)程中的沿程摩阻損失，為了更好地分析油品粘度對(duì)管道的影響，通過(guò)建立輸油管道彎管結(jié)構(gòu)的有限元力學(xué)模型，針對(duì)油品流經(jīng)管道彎管時(shí)，油品粘度對(duì)管道溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，油品粘度在增加管道沿程損失與局部摩阻損失的同時(shí)，也給彎管處溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)造成極大的影響，并且對(duì)管道溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的作用規(guī)律不盡相同，這對(duì)輸油管道彎管結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生較大的危害。通過(guò)研究分析了油品粘度對(duì)管道的影響規(guī)律，為油品的降粘輸送提供了理論指導(dǎo)依據(jù)。

油品粘度；管道彎管結(jié)構(gòu)；應(yīng)力場(chǎng)；溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源的需求量也日益增大，由于以綠色能源為代表的新能源發(fā)展正處于起步階段，因此化石能源依舊作為主要的能源提供，這使得石油與天然氣工業(yè)不斷的發(fā)展壯大，為了滿(mǎn)足石油天然氣等能源安全高效的供應(yīng)，作為主要輸送方式的長(zhǎng)距離石油天然氣輸送管道，其建設(shè)規(guī)模也隨之?dāng)U大。然而，在實(shí)際的能源輸送過(guò)程當(dāng)中，由于長(zhǎng)輸管道的輸送距離較長(zhǎng)，使得在管道輸送過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生較大的沿程摩阻損失，此外，長(zhǎng)輸管道沿途經(jīng)過(guò)的地形地勢(shì)復(fù)雜多變，同樣會(huì)產(chǎn)生各種形式的局部摩阻損失，而沿程摩阻損失是消耗輸送動(dòng)力的主要影響因素，這在一定程度上降低了管道的輸送效率、提高了輸送成本，而從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，為了提高長(zhǎng)輸管道的輸送效率，需要從多方面降低管道輸送的沿程摩阻與局部摩阻損失，這需要巨大的經(jīng)濟(jì)支出，并且在一定程度上也降低了石油天然氣能源利用的經(jīng)濟(jì)性[1,2]。目前，對(duì)于降低輸油管道沿程阻力的方法有很多，而從油品本身的角度考慮，降低油品的輸送粘度是目前降低油品輸送過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生阻力較為常見(jiàn)的方法[3]。

目前，采用的主要方法是通過(guò)升高油品的輸送溫度，以及與稀油混合來(lái)實(shí)現(xiàn)降低油品的粘度，根據(jù)不同的輸送條件與不同的輸送任務(wù)，合理的采用升溫降粘與摻稀降粘方法。油品粘度的增加不僅降低了輸油管道的輸送效率，提高輸送成本，也會(huì)對(duì)管道本身造成一定的影響，對(duì)于長(zhǎng)直輸油管道而言，油品的粘度增加了管道沿流向的摩阻，使管道產(chǎn)生額外的軸向應(yīng)力，但這不會(huì)對(duì)管道本身結(jié)構(gòu)造成影響[4,5]；而當(dāng)管道流經(jīng)長(zhǎng)輸管道特殊結(jié)構(gòu)時(shí)，如彎管結(jié)構(gòu)，由于管道結(jié)構(gòu)的特殊性，隨著油品本身性質(zhì)發(fā)生改變，特別是油品粘度的改變，對(duì)輸油管道結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生較大的影響[6,7]。

近些年國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于輸油管道彎管結(jié)構(gòu)的研究較少，而且主要集中在對(duì)輸油管道應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算分析上，但對(duì)于油品性質(zhì)參數(shù)的改變對(duì)管道性能的影響規(guī)律研究較少。徐方成[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，重點(diǎn)研究了管道內(nèi)壓的改變對(duì)彎管應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律，但未考慮管道所輸送介質(zhì)對(duì)管道的影響規(guī)律；梁德旺[9]從流過(guò)彎管流態(tài)的角度，通過(guò)數(shù)值模擬，分析了低速高湍流度流體對(duì)彎管的影響規(guī)律；朱紅亮[10]分析了流體性質(zhì)對(duì)管道彎管結(jié)構(gòu)的影響，但重點(diǎn)分析的是管道內(nèi)壓，對(duì)管道本身性質(zhì)的改變未作出相應(yīng)的分析；王國(guó)偉[11]從力學(xué)角度對(duì)流體流經(jīng)彎管時(shí)，彎管的應(yīng)力改變進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，但未考慮流體性質(zhì)的改變對(duì)管道產(chǎn)生的影響規(guī)律。

然而，油品本身性質(zhì)發(fā)生改變對(duì)管道特殊結(jié)構(gòu)的影響程度很難判斷，因而本文主要研究油品粘度參數(shù)的改變，對(duì)輸油管道彎管結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，重點(diǎn)分析油品粘度發(fā)生改變時(shí)，對(duì)彎管應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)造成的影響。本文可為高粘油品流經(jīng)輸油管道特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)， 以及為管道降粘輸送提供理論依據(jù)。

1 模型建立

如圖1所示，為計(jì)算管道彎管結(jié)構(gòu)的示意圖，由于本文研究對(duì)象為90°彎管，故設(shè)圖中A端點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿管道軸線(xiàn)方向建立X軸坐標(biāo)，B端點(diǎn)為坐標(biāo)終點(diǎn)，O點(diǎn)為彎管對(duì)稱(chēng)中心點(diǎn)，建立如圖1所示的坐標(biāo)系，下文中分析沿AOB曲線(xiàn)上物理量的分布規(guī)律。根據(jù)實(shí)際的工程設(shè)計(jì)參數(shù)，選用管道材料為X-80鋼，模擬的管道外徑為700 mm，管道壁厚為 20 mm，管道的泊松比為 0.3；管道彈性模量2.3×105MPa；管道內(nèi)壓設(shè)為7.5 MPa，圖2為計(jì)算網(wǎng)格模型。

圖1 彎管結(jié)構(gòu)物理模型Fig.1 Physical model of elbow structure

圖2 彎管結(jié)構(gòu)計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Calculation grid of elbow structure

圖3 彎管結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布圖Fig.3 Schematic diagram of the temperature field

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

本文首先研究油品粘度對(duì)管道彎管結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，由于不同油品的粘度不同，此外，同一油品在不同溫度下的粘度也不盡相同，因此，本文在計(jì)算模擬中油品粘度按照原油粘度設(shè)定，粘度Y分別選取10、30和60 mPa·s。

以油品粘度為30 mPa·s為例，分析彎管溫度場(chǎng)的分布，圖3為油品粘度為30 mPa·s時(shí)的管道溫度場(chǎng)分布圖，從圖中可知流體流入彎管與流出彎管時(shí)，對(duì)彎管溫度場(chǎng)的分布影響規(guī)律不同，呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)性。當(dāng)油品流入彎管結(jié)構(gòu)之前，即AO區(qū)域段，接近彎管對(duì)稱(chēng)中心O點(diǎn)區(qū)域時(shí)，彎管內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的溫度較高，而其他區(qū)域的溫度相對(duì)較低；當(dāng)油品流經(jīng)彎管至流出彎管時(shí)，即OB區(qū)域，彎管結(jié)構(gòu)的外側(cè)產(chǎn)生較高溫度值。從彎管結(jié)構(gòu)整體的角度分析，由于油品沿軸向流經(jīng)彎管時(shí)，彎管外側(cè)區(qū)域管壁阻礙油品沿軸向方向的流動(dòng)，使之流向發(fā)生改變，因此，油品對(duì)彎管結(jié)構(gòu)的作用主要集中在管道外側(cè)管壁，此時(shí)，外側(cè)管壁是產(chǎn)生較高溫度的區(qū)域；而油品流經(jīng)彎管時(shí)對(duì)彎管內(nèi)側(cè)管壁的作用程度相對(duì)較小，因此，內(nèi)側(cè)的溫度發(fā)生變化的程度相對(duì)較小。

圖4為不同粘度油品流經(jīng)彎管時(shí)，彎管結(jié)構(gòu)的溫度分布曲線(xiàn)，圖中橫坐標(biāo)為沿AOB曲線(xiàn)，測(cè)量點(diǎn)與A點(diǎn)之間的距離L，從圖中可知，隨著油品粘度的增加，油品對(duì)管道彎管結(jié)構(gòu)的作用程度逐漸增加，這使得管道彎管處的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，導(dǎo)致不同區(qū)域的溫度值T逐漸增加。這是由于油品粘度的增加使得流經(jīng)彎管時(shí)產(chǎn)生較高的摩擦力，提高了彎管結(jié)構(gòu)的局部摩阻，進(jìn)而產(chǎn)生了較多的局部摩阻損失，而局部摩阻損失以熱的形式被消耗掉，因此彎管處的溫度會(huì)隨著油品粘度的增加而升高。

圖4 不同粘度下溫度場(chǎng)變化規(guī)律Fig.4 Variation of temperature field under different viscosities

圖5 與圖6分別為粘度取10 mPa·s和60 mPa·s時(shí)，彎管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)分布情況，從圖中可知，彎管結(jié)構(gòu)主要的應(yīng)力集中發(fā)生在對(duì)稱(chēng)中心O點(diǎn)區(qū)域。當(dāng)流經(jīng)彎管結(jié)構(gòu)油品粘度較小時(shí)，油品對(duì)管道管壁的作用程度相對(duì)較小，因此，O點(diǎn)區(qū)域形成的應(yīng)力集中區(qū)域較小，且彎管整體沿管道軸向的應(yīng)力場(chǎng)分布呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)性的特點(diǎn)，相比于輸油管道流出段OB，管道流入段AO產(chǎn)生較高應(yīng)力值；而當(dāng)油品的粘度較高時(shí)，以O(shè)點(diǎn)為中心的應(yīng)力集中區(qū)域范圍逐漸擴(kuò)大，受應(yīng)力影響的區(qū)域逐漸增加，彎管結(jié)構(gòu)的流入段與流出段的應(yīng)力值均隨之增加；此外，彎管整體的應(yīng)力分布逐漸趨于對(duì)稱(chēng)。這是因?yàn)楫?dāng)油品粘度相對(duì)較小時(shí)，油品對(duì)管道管壁的作用力較小，作用程度較低，由于彎管結(jié)構(gòu)的特殊性，使得彎管整體的受力不均勻，導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)的分布不均勻；而當(dāng)粘度較高時(shí)，油品對(duì)彎管的作用程度高，作用力逐漸增大，彎管的結(jié)構(gòu)特殊性對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布的影響逐漸減小，使得應(yīng)力分布區(qū)域逐漸趨于對(duì)稱(chēng)，油品對(duì)彎管的作用力相對(duì)均勻的分布在彎管管壁上。

通過(guò)以上的計(jì)算分析可知，油品粘度的改變，無(wú)論對(duì)輸油管道彎管結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)均產(chǎn)生較大影響，從提高輸油管道的輸送效率、降低輸送成本的角度出發(fā)，降低輸送油品粘度存在一定的必要性，而從輸油管道本身安全性角度出發(fā)，油品的粘度增加不僅增加了管道的沿程摩阻損失，對(duì)于像彎管結(jié)構(gòu)這樣特殊管道結(jié)構(gòu)而言，降粘輸送可以有效地減小管道局部摩阻損失，減小輸送油品對(duì)管道特殊結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)的影響程度，提高管線(xiàn)運(yùn)行的安全性，提高管道的使用壽命，確保管道安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖5 彎管結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)分布圖(10 mPa·s)Fig.5 Schematic diagram of the stress distribution of elbow structure (10 mPa·s)

圖6 彎管結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)分布圖(60 mPa·s)Fig.6 Schematic diagram of the stress distribution of elbow structure (60 mPa·s)

3 結(jié) 論

（1）輸油管道彎管結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，受到輸送油品粘度的影響較大，隨著油品粘度的不斷增加，彎管整體的溫度逐漸升高。并且管道不同區(qū)域溫度場(chǎng)沿軸向的溫度分布呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，相比于彎管內(nèi)側(cè)，彎管外側(cè)產(chǎn)生較高溫度值；而相比于輸油管道流入段，管道流出段溫度場(chǎng)的變化更為劇烈，且產(chǎn)生較高溫度值。

（2）管道彎管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)受到油品粘度的影響較大，隨著油品粘度的增加，導(dǎo)致油品對(duì)管道產(chǎn)生的摩擦力逐漸增加，在彎管整體的應(yīng)力場(chǎng)中，應(yīng)力發(fā)生變化的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，并且這些區(qū)域的應(yīng)力值隨著油品粘度的增加逐漸升高。

（3）當(dāng)油品粘度相對(duì)較小時(shí)，油品對(duì)彎管管壁的作用力分布不均勻，使得應(yīng)力場(chǎng)的整體分布呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，相比于輸油管道流出段，管道流入段產(chǎn)生較高應(yīng)力值；而當(dāng)油品的粘度較高時(shí)，油品對(duì)彎管管壁的作用力分布逐漸均勻，使得彎管整體的應(yīng)力場(chǎng)分布逐漸趨于對(duì)稱(chēng)。

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Analysis on Influence of Oil Viscosity on Elbow Structure of Oil Pipeline

WANG Tong-yu1, WU Yu-guo1, LI Jiao1, ZHANG Meng-ke1, QI Lin2
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China;2. Sinopec Sales Co.,Ltd. Hunan Yongzhou Petroleum Branch Company, Hunan Yongzhou 425000, China）

In order to improve the transmission efficiency of the pipeline and reduce the transportation cost, how to effectively reduce the loss along the way has become the primary problem to be solved for long-distance pipelines. Oil with higher viscosity will greatly increase the friction loss in the transportation process. In order to better analyze the influence of oil viscosity on pipeline, the finite element model of the elbow structure of oil pipeline was established.The influence of oil viscosity on temperature field and stress field of pipeline was analyzed. The results showed that the viscosity of oil increased the loss along the way and the local friction loss, and greatly affected the temperature field and the stress field. And its effect on the temperature field was different from the stress field, which posed a great harm to the safety of the pipeline structure. The paper can provide the theoretical guidance for the viscosity reducing transportation of oil.

Oil viscosity;Pipeline elbow structure; Stress field; Temperature field;Numerical simulation

TE 832

A

1671-0460（2017）11-2353-03

遼寧省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目 （L2015306）。

2017-02-22

王桐宇（1990-），男，遼寧省錦州市人，就讀于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：長(zhǎng)距離管道輸送。E-mail：415702379@qq.com。

吳玉國(guó)（1977-），男，副教授，博士。從事油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)方向研究。E-mail：wyg0413@126.com。