邱春斌 孫向東 冷緒林 王國鋒

1中國石油天然氣股份公司西氣東輸管道分公司

2杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司

3中國石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司

4中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司

由于受管道變形或腐蝕、輸送介質(zhì)物理特性、外界環(huán)境條件、清管器堵塞等因素的影響，輸送管道內(nèi)容易形成堵塞[1]。若不能及時(shí)處理，堵塞情況會(huì)持續(xù)惡化，管道內(nèi)壓力急劇上升，引發(fā)管道泄漏或爆管等問題，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[2]。目前，用于檢測(cè)管道堵塞的方法主要包括：超聲波法、負(fù)壓波法、頻率響應(yīng)法、儀器探測(cè)法和γ射線法等，這些方法需開挖管道、配套相應(yīng)測(cè)量儀器、多次重復(fù)測(cè)試管道堵塞情況，操作量大、費(fèi)用高，且排堵時(shí)間長，嚴(yán)重影響管道輸送任務(wù)的完成。基于此，本文對(duì)輸送管道堵塞進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，運(yùn)用ANSYS仿真軟件模擬分析不同堵塞情況下對(duì)輸水管道沿線特別是靠近堵塞部分的管內(nèi)壓力的影響，提供一種依據(jù)管道起始點(diǎn)間壓降定量預(yù)測(cè)堵塞的方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的實(shí)用性與準(zhǔn)確性，為改進(jìn)和簡化管道堵塞問題提供必要的理論支持。

1 仿真模擬

1.1 模型建立

通過ANSYS 軟件建立三維管道模型，圖1a 為正常輸送水平管道模型，圖1b 為管道堵塞模型，為了降低模擬計(jì)算的復(fù)雜度，可將堵塞管段的邊界規(guī)則化處理，將其等效視為變徑管道。輸送管道的堵塞情況可用堵塞位置、堵塞強(qiáng)度和堵塞長度表示。堵塞位置即堵塞段起點(diǎn)到管道入口的距離；堵塞長度即模型中變徑管的長度；堵塞強(qiáng)度為堵塞面積占管道流通面積的百分比。因此，通過調(diào)整變徑管段的位置、長度及內(nèi)徑，來模擬輸送管道不同堵塞位置、堵塞長度和堵塞強(qiáng)度?？紤]到仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)照性，用于仿真的管道模型長2 m，管道內(nèi)徑為20 mm，管內(nèi)介質(zhì)為水相，模型中所涉及的具體管道參數(shù)見表1。

圖1 輸送管道ANSYS 仿真模型示意圖Fig.1 ANSYS simulation model schematic diagram of transportation pipeline

表1 CFD 計(jì)算模型參數(shù)Tab.1 Parameters of CFD computational model

采用ANSYS 中的MODELER 和MESH 模塊對(duì)管道模型進(jìn)行模型建立和網(wǎng)格劃分。采用四面體網(wǎng)格劃分方法，將管道堵塞模型劃分成350 000 個(gè)網(wǎng)格。一般采用偏度作為評(píng)價(jià)網(wǎng)格劃分優(yōu)劣的評(píng)價(jià)指標(biāo)，偏度值低于0.8 即可評(píng)為優(yōu)質(zhì)網(wǎng)格[3-4]。截取輸送管道的偏度截面圖（圖2），可以看出偏度值大多低于0.22，因此，可以判定該堵塞模型可以用于管道堵塞模擬計(jì)算。

1.2 模擬內(nèi)容及方案

利用所建的三維管網(wǎng)模型模擬并分析穩(wěn)態(tài)情況下輸送管道前后的沿線壓力、壓力梯度變化趨勢(shì)，選取平行于管道軸線且處于不同徑向位置的壓力及壓力梯度值，繪制沿線壓力與壓力梯度的變化曲線。主要工況包括輸送管道正常運(yùn)行模擬、出現(xiàn)管道堵塞后的壓力變化模擬，以及不同堵塞情況對(duì)沿線壓力及管道起始點(diǎn)間壓降的影響模擬。根據(jù)所模擬的研究內(nèi)容，選擇合理的運(yùn)行參數(shù)作為管道模型的邊界條件，然后進(jìn)行模擬分析，共設(shè)計(jì)11 組模擬方案對(duì)處于正常運(yùn)行和含堵塞運(yùn)行的管道進(jìn)行模擬，具體模擬方案如表2 所示。

圖2 三維管網(wǎng)模型網(wǎng)格圖Fig.2 Gird chart of 3D pipeline network model

表2 輸送管道仿真模擬方案Tab.2 Simulation scheme of transportation pipeline

2 堵塞對(duì)管內(nèi)壓力分布的影響

2.1 正常運(yùn)行

運(yùn)行表2 中的方案1，即由ANSYS 建立的無堵塞輸送模型，管道沿線壓力、壓力梯度經(jīng)過多次試算，即可以達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)（圖3）。分析可知，該輸送管道穩(wěn)定運(yùn)行，沿線壓力呈遞減趨勢(shì)且緩慢下降，壓力梯度分布是一條變化不明顯的直線，其因管道起終點(diǎn)間摩阻損失較小所致。經(jīng)過數(shù)值擬合，該管道沿線壓力分布的擬合關(guān)系式為：y=7.94x2-265.66x+14 298.89（確定系數(shù)R2=1）的二次函數(shù)，這與管道輸送沿線實(shí)際壓力變化一致[5]。

圖3 輸送管道正常運(yùn)行時(shí)沿線壓力、壓力梯度變化曲線Fig.3 Variation curve of pressure and pressure gradient when the transportation pipeline operates normally

2.2 管道堵塞

運(yùn)行表2 中的方案2，為對(duì)照方便，該管道堵塞模型設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)模型（圖1b），當(dāng)管道達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)即可得到管道堵塞后沿線壓力變化曲線（圖4）。取管道中心線和平行于中心線且低于堵塞邊界1 mm、2 mm、5 mm 的平行線，導(dǎo)出相應(yīng)壓力梯度值繪制成沿線壓力梯度變化曲線（圖5）。由圖4、圖5 分析可知，輸送管道發(fā)生堵塞后，由于運(yùn)行面積減小，使得管道起終點(diǎn)間壓降、壓力梯度增大，且主要集中在堵塞管段，尤其越靠近堵塞邊界，壓力梯度變化幅度明顯。因此，可以通過檢測(cè)輸送管道起始點(diǎn)間壓降以及壓力分布曲線的突變點(diǎn)來檢驗(yàn)及定位堵塞情況。

圖4 輸送管道堵塞運(yùn)行時(shí)沿線壓力變化曲線Fig.4 Variation curve of pressure when the transportation pipeline operstes with blockage

圖5 輸送管道堵塞運(yùn)行時(shí)沿線壓力梯度變化曲線Fig.5 Variation curve of pressure gradient when the transportation pileline operates with blockage

圖6 輸送管道堵塞運(yùn)行時(shí)沿線壓力分布曲線Fig.6 Pressure distribution curve when the transportation pileline operates with blockage

圖7 輸送管道堵塞運(yùn)行時(shí)湍動(dòng)能分布曲線Fig.7 Turbulence kinetic energy distribution curve when the transportation pileline operates with blockage

為更加直觀對(duì)照管道堵塞位置的壓力分布變化，取管道中心線所在軸面，導(dǎo)出該平面的壓力平面圖。如圖6 所示，當(dāng)管內(nèi)流體流經(jīng)堵塞位置時(shí)，壓力變化明顯，因管內(nèi)流通面積減小導(dǎo)致管流流速劇增，迫使管內(nèi)壓力急劇降低；若管段堵塞距離較長，會(huì)進(jìn)一步造成動(dòng)力勢(shì)能和壓力勢(shì)能的損耗，從而造成管輸任務(wù)低效運(yùn)行。同樣，通過截取管道中心線軸面的湍動(dòng)能分布曲線（圖7），進(jìn)一步驗(yàn)證管內(nèi)流體流經(jīng)堵塞位置時(shí)，湍動(dòng)能因管流的劇烈激擾而增大，經(jīng)粗算可知，湍動(dòng)能差距可達(dá)400 倍，劇烈、長時(shí)間的堵塞狀況，極易誘發(fā)管段腐蝕、斷裂的情況發(fā)生。

2.3 不同堵塞位置

為對(duì)比分析堵塞位置對(duì)管道沿線壓力、壓力梯度的影響，另選取三組不同堵塞位置與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行對(duì)比模擬，具體參數(shù)見表2 中第3、4、5 組方案，堵塞位置為距離管道起點(diǎn)0.2 m、1.0 m、1.4 m。當(dāng)管道模型達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，即可得到由不同堵塞位置引起的沿線壓力、壓力梯度變化曲線，如圖8、圖9 所示。分析可知，管道起終點(diǎn)壓降主要集中在堵塞管段部分，因不同堵塞位置所導(dǎo)致的起終點(diǎn)壓降之間的差異很小。管道沿線壓力、壓力梯度分布趨勢(shì)基本相同，因此，不宜采用管道起終點(diǎn)壓降值來預(yù)測(cè)分析堵塞位置。

圖8 輸送管道在不同堵塞位置運(yùn)行時(shí)沿線壓力變化曲線Fig.8 Variation curve of pressure when the transportation pipeline operates with blockage in various locations

2.4 不同堵塞強(qiáng)度

為對(duì)比分析堵塞強(qiáng)度對(duì)管道沿線壓力、壓力梯度的影響，另選取三組不同堵塞強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行對(duì)比模擬，具體參數(shù)見表2 中第6、7、8 組方案，堵塞強(qiáng)度設(shè)為30%、80%、90%。當(dāng)管道模型達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下，即可得到由不同堵塞強(qiáng)度引起的沿線壓力、壓力梯度變化曲線，如圖10、圖11 所示。分析可知，管道起終點(diǎn)間壓降隨堵塞強(qiáng)度的增大而顯著增大，相應(yīng)壓力梯度呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，壓力和壓力梯度的突變主要集中在堵塞入口與出口位置，尤其是當(dāng)設(shè)定堵塞強(qiáng)度為90%時(shí)，最大壓力梯度可達(dá)到-8.0×106Pa/m。

圖9 輸送管道在不同堵塞位置運(yùn)行時(shí)沿線壓力梯度變化曲線Fig.9 Pressure gradient variation curve when the transportation pileline operates with blockage in various locations

圖10 輸送管道在不同堵塞強(qiáng)度運(yùn)行時(shí)沿線壓力變化曲線Fig.10 Pressure variation curve when the transportation pipeline operates with different blockage strengths

圖11 輸送管道在不同堵塞強(qiáng)度運(yùn)行時(shí)沿線壓力梯度變化曲線Fig.11 Pressure gradient variation curve when the transportation pipeline operates with different blockage strengths

2.5 不同堵塞長度

為對(duì)比分析堵塞長度對(duì)管道沿線壓力、壓力梯度的影響，另選取三組不同堵塞長度與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行對(duì)比模擬，具體參數(shù)見表2 中第9、10、11 組方案，堵塞長度設(shè)為0.02、0.20、1.0 m。當(dāng)管道模型達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，即可得到由不同堵塞長度引起的沿線壓力、壓力梯度變化曲線，如圖12、圖13 所示。管道起終點(diǎn)間壓降隨堵塞長度的增大而逐漸增大，管道沿線壓力在堵塞管段部分有明顯變化。參照沿線壓力梯度分布曲線可知，除堵塞部分壓力梯度趨勢(shì)一致外，堵塞部分壓力梯度明顯隨堵塞長度增加而增大，尤其在堵塞部分起始點(diǎn)位置，壓力梯度最大值可達(dá)到-1.4×105Pa/m。

圖12 輸送管道在不同堵塞長度運(yùn)行時(shí)沿線壓力變化曲線Fig.12 Pressure variation curve when the transportation pipeline operates with different blockage lengths

圖13 輸送管道在不同堵塞長度運(yùn)行時(shí)沿線壓力梯度變化曲線Fig.13 Pressure gradient variation curve when the transportation pipeline operates with different blockage lengths

2.6 堵塞預(yù)測(cè)模型

考慮到不同堵塞位置模擬結(jié)果對(duì)起始點(diǎn)間壓降影響不明顯，故本節(jié)對(duì)堵塞位置不做分析。依據(jù)不同堵塞強(qiáng)度和堵塞長度下管道起始點(diǎn)間壓降變化規(guī)律，引入無量綱分析，將堵塞強(qiáng)度、堵塞長度及相應(yīng)情況下管間壓降轉(zhuǎn)變?yōu)闊o量綱量，并繪制壓降變化曲線，如圖14 所示。

圖14 輸送管道在不同堵塞情況下沿線壓降變化曲線Fig.14 Pressure drop variation curve of the transportation pipeline under different blockage conditions

依據(jù)曲線變化趨勢(shì)對(duì)其進(jìn)行擬合分析，可得到用于堵塞檢測(cè)的預(yù)測(cè)模型，即

式中：Δp、Δp′為管道無堵塞和有堵塞情況下的起始點(diǎn)間壓降，Pa；A、A′為管道無堵塞和有堵塞情況下的流通面積，mm2；L為管道流通長度，m；L′為管道有堵塞情況下的堵塞長度，m。

依據(jù)此預(yù)測(cè)模型，可利用管道起始點(diǎn)間壓降來判斷是否存在堵塞情況，若待檢管道起始點(diǎn)間壓降明顯大于其正常運(yùn)行時(shí)的壓降，則可判斷該管道存在堵塞情況。將管道運(yùn)行數(shù)據(jù)輸入預(yù)測(cè)模型，可求得關(guān)于堵塞強(qiáng)度和堵塞長度的唯一解，用于及時(shí)實(shí)施排堵措施。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證文章中提出的輸送管道堵塞預(yù)測(cè)模型，需進(jìn)行相應(yīng)堵塞實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可操作性和實(shí)用性。

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由水箱、管道、計(jì)算機(jī)三部分組成，包括水泵、儲(chǔ)水箱、流量計(jì)、堵塞管道、管道起始點(diǎn)間壓力計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖15 為輸送管道堵塞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。輸水流量由流量計(jì)計(jì)量，從水泵排出的水經(jīng)輸送進(jìn)入目標(biāo)管道，通過目標(biāo)管道起始點(diǎn)的壓力計(jì)來計(jì)量壓降變化，通過使用變徑管來模擬目標(biāo)管道的堵塞情況，不同堵塞情況下的壓力變化由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)部分保存。

圖15 輸送管道堵塞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.15 Blockage experiment system of transportation pipeline

3.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于不同堵塞情況的組合數(shù)量較大，不宜對(duì)全部組合進(jìn)行評(píng)價(jià)，故針對(duì)單個(gè)堵塞案例，指定堵塞管段中心線與運(yùn)行管道的中心線重合，在此基礎(chǔ)上選取管道流通面積的50%、80%、90%作為不同的堵塞強(qiáng)度，選取堵塞長度為0.1 m、1.0 m、1.8 m。將上述數(shù)據(jù)組合可得到具體實(shí)驗(yàn)方案。

3.3 與堵塞預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)照分析

為了對(duì)比預(yù)測(cè)模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度，確定不同堵塞長度、堵塞強(qiáng)度對(duì)堵塞檢測(cè)的影響，依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案參數(shù)表中所列數(shù)據(jù)，代入到預(yù)測(cè)模型中，計(jì)算出預(yù)測(cè)管間壓降與實(shí)驗(yàn)所得壓降的誤差情況。具體結(jié)果如表3 所示。

由表3 可知，實(shí)驗(yàn)管間壓降與預(yù)測(cè)模型所計(jì)算的管間壓降之間的誤差不大，維持在10%左右，且預(yù)測(cè)模型對(duì)堵塞強(qiáng)度的檢測(cè)精度略低于對(duì)堵塞長度的檢測(cè)精確度，其中預(yù)測(cè)堵塞強(qiáng)度所得的管間壓降均低于實(shí)驗(yàn)值，這是由于在實(shí)驗(yàn)管道堵塞部分流通面積的突變以及彎頭閥門的存在，導(dǎo)致大量動(dòng)勢(shì)能損失，使得管間壓降大于預(yù)測(cè)模型的計(jì)算值。

3.4 與Hysys 堵塞分析結(jié)果對(duì)照分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證堵塞模型的準(zhǔn)確性，建立輸送管道Hysys 仿真模型（圖16），由異徑管段和管件接頭構(gòu)成管道堵塞模型。

圖16 輸送管道Hysys 仿真模型示意圖Fig.16 Hysys simulation model schematic diagram of transportation pipeline

經(jīng)運(yùn)行可得到管段的沿程壓力分布情況，堵塞1 情況的Hysys 模擬結(jié)果如圖17 所示。對(duì)比ANSYS堵塞模擬結(jié)果可知，管道內(nèi)沿程壓力變化趨勢(shì)基本一致，管段堵塞造成管道沿程壓降急劇降低；計(jì)算出預(yù)測(cè)管間壓降與模擬實(shí)驗(yàn)所得壓降的誤差情況，具體結(jié)果如表4 所示，模擬管間壓降與預(yù)測(cè)模型所計(jì)算的管間壓降之間的誤差低于20%，這與堵塞實(shí)驗(yàn)對(duì)照結(jié)果一致。

圖17 Hysys 模擬輸送管道堵塞運(yùn)行時(shí)沿線壓力變化曲線Fig.17 Pressare variation curve when the Hysys simulation transportation pipeline operates with blockage

表3 輸送管道實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)照Tab.3 Comparison between experimental and predicted results of transportation pipeline

表4 Hysys 模擬輸送管道實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)照Tab.4 Comparison between experimental and predicted results of Hysys simulation transportation pipeline

4 結(jié)論

基于ANSYS 仿真模擬，研究了在不同情況下管道堵塞對(duì)管道沿線壓力、壓力梯度的影響，基于無量綱分析提出了管道堵塞預(yù)測(cè)模型，并采用管道實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該模型對(duì)堵塞情況的預(yù)測(cè)精度和準(zhǔn)確度，具體研究結(jié)論如下：

（1）當(dāng)正常運(yùn)行的管道在某處發(fā)生堵塞時(shí)，管道起終點(diǎn)間壓降明顯增大，且堵塞管段處的壓力、壓力梯度將發(fā)生突變，其余管段壓力梯度與無堵塞管道壓力梯度基本一致。

（2）對(duì)不同管道堵塞情況仿真模擬和分析結(jié)果表明：不同堵塞位置對(duì)管道起終點(diǎn)間壓降影響不大，管線沿線壓力、壓力梯度變化趨勢(shì)基本一致，主要變化集中在管段堵塞部分；隨著堵塞強(qiáng)度逐漸增大，管道起始點(diǎn)間壓降隨之增大，相應(yīng)壓力梯度呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)；隨著堵塞長度的逐漸增大，管道起始點(diǎn)間壓降逐漸增大，堵塞部分壓力梯度也隨之增大。

（3）管道堵塞前后管間壓降發(fā)生劇烈變化，可由此判斷堵塞情況是否存在。依據(jù)無量綱分析方法提出了管道堵塞預(yù)測(cè)模型，并設(shè)計(jì)相應(yīng)管道實(shí)驗(yàn)對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：預(yù)測(cè)模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差維持在10%左右，且預(yù)測(cè)模型對(duì)堵塞長度的預(yù)測(cè)精度高于對(duì)堵塞強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。