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        管道泄漏引起原油管道形變的分析

        2020-11-28 07:51:53鄒杰張玉紅高桂
        商情 2020年8期

        鄒杰 張玉紅 高桂

        【摘要】本文使用Ansys軟件建立管道泄漏模型,并針對(duì)管道受泄漏狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)(computational Fhid DynanIics,CFD)仿真計(jì)算及單向流固耦合仿真。仿真出了原油管道在不同腐蝕程度及不同形狀泄漏孔狀態(tài)下管道的形變。結(jié)果表明:管道每腐蝕2mm,管道的形變量最大將增大至5.2xlO_9 m:當(dāng)管道泄漏時(shí)不同形狀的泄漏孔附近的形變量會(huì)發(fā)生改變且在泄漏孔附近的形變量為最大。

        【關(guān)鍵詞】CFD 模擬 管道泄漏 管道監(jiān)測(cè)

        1、引言

        因此,國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)于管道檢測(cè)及監(jiān)測(cè)技術(shù)手段展開(kāi)了深入的研究,其檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)手段呈現(xiàn)多樣性??傮w而言,管道檢測(cè)可分為管道腐蝕檢測(cè)和管道泄漏檢測(cè)兩大方面。能夠同時(shí)用于管道腐蝕和管道泄漏的檢測(cè)及監(jiān)測(cè)方法主要包括:漏磁檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)和光纖傳感檢測(cè)。其中光纖類傳感技術(shù)在安全性、測(cè)量精度和長(zhǎng)距離傳輸方面有明顯優(yōu)勢(shì),可以滿足管道腐蝕及泄漏監(jiān)測(cè)的潛在要求。光纖傳感檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)檢測(cè)管道的形變量,來(lái)判斷管道的運(yùn)行狀態(tài)。管道在腐蝕及泄漏狀態(tài)形變量會(huì)發(fā)生改變。為了檢測(cè)出管道的形變量,可以借助Ansys軟件進(jìn)行仿真,通過(guò)該軟件可以仿真出管道在不同狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況。根據(jù)仿真結(jié)果可以選擇適合的應(yīng)力傳感器,來(lái)檢測(cè)管道的形變量,從而達(dá)到管道監(jiān)測(cè)的目的。

        2、管道泄漏仿真原理

        流體的流動(dòng)應(yīng)遵循:質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒和化學(xué)組分守恒等一系列標(biāo)準(zhǔn)流體力學(xué)守恒方程組。不考慮管道連接處局部流體擾動(dòng)問(wèn)題和傳熱問(wèn)題,假定流體密度為常數(shù),流體為不可壓流動(dòng)。該仿真中流體的控制微分方程分別如式(1)、(2)、(3)所示:

        式中,Uj:J方向速度,單位:m/s;xi;i傳輸距離,單位:m;p:流體密度,單位:kg/(m/s);T:溫度,單位K;Cp;混合流體的定壓比熱,單位:J/(kg-K);Cpv:泄漏物質(zhì)的定壓比熱,單位:J/(kg-K); Cpa:空氣的定壓比熱,單位:J/(kg-K)。

        由于原油管道輸油速度較大且管徑較粗,導(dǎo)致雷諾數(shù)較大,因此管內(nèi)流體流動(dòng)一般屬于湍流狀態(tài),在求解時(shí)的湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型,k—ε模型是由Launder和Spalding提出的雙方程模型,標(biāo)準(zhǔn)k一ε模型通過(guò)求解湍流動(dòng)能方程和湍流方程得到湍流動(dòng)能k和耗散率ε的解,湍流動(dòng)能方程和湍流牦散方程分別如式(4)、(5)所示

        式中,p為介質(zhì)密度,單位:kg /m3;t為時(shí)間,單位:s;ui為i方向的速度,單位:m/s;x.為i方向的位移,單位:m;Xj為j方向的位移,單位:m;μ為分子粘度;μt為湍流粘度;Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,單位:J;Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,單位J;YM為可壓縮流體的湍流波動(dòng)擴(kuò)張對(duì)整體的耗散率的影響;C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε =0. 99為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);Sk和Sε為用戶定義源項(xiàng)。

        3 仿真結(jié)果分析

        圖(1)為不同直徑的泄漏圓孔與無(wú)泄漏的原油管道變形分布云圖,其變形量及受壓狀況如表(1)所示。通過(guò)對(duì)比可以表明:管道在正常工作狀態(tài)下管道的變形量呈較均勻分布狀態(tài)。在相同管道內(nèi)部壓力的情況下,當(dāng)管道泄漏時(shí)管道的變形量及泄漏孔附近的壓力會(huì)急劇增大:且不同形狀的泄漏孔附近的變形量都會(huì)變大且各不相同。

        4結(jié)論

        本文通過(guò)ANSYS Fluent軟件建立輸油管道耦合場(chǎng)模型,仿真出管道了在不同工作狀態(tài)下的形變,得出結(jié)論如下:管道在正常工作時(shí)變形量極小,當(dāng)管道一旦泄漏管道原有的狀態(tài)將被打破,泄漏孔附近的變形量會(huì)急劇增大。因此,可以通過(guò)檢測(cè)管道形變的變化來(lái)判斷輸油管道的工作狀態(tài)。

        參考文獻(xiàn):

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        資助:吉林省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目,基于光纖光柵應(yīng)變傳感器的輸油氣管道滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究,2018S1094。

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