大落差天然气管道清管冲击分析.pdf

第 3 4 卷 第 1 2 期 2 0 1 5 ． 1 2 集输 处理 大落差天然气管道清管冲击分析 李长俊 刘浠尧 贾文龙 彭阳 西南石油大学石油与天然气工程学院 摘要 中缅 天 然 气 管道 沿线 地 势 复 杂 ，形 成 了很 多的 大 落 差 管段 ，最 大 处 可达 1 0 0 0多米 ， 给 清 管作 业 带 来 了相 当大 风 险 。针 对 某 大落 差 管段 ，采 用 OL G A软 件 分析 了清 管 器在 管 内的运 行 速 度与持 液 率 变化 ，得 出管道 承 受的 冲击载荷 ，再利 用 CAE S AR『 1 软 件 分析 了在 此荷 载作 用 下 管道 应 力 与位 移 变化 。研 究 结果 表 明 ，清 管 器在 作 业 时 ， 管道 内部 的 输送 压 力 对 大 落差 管段 的 冲 击荷 载 影响 明显 ；管道 在 土壤 中的横 向和纵 向位 移 均较 小 ；在 积 液 量较 少情 况 下 ，清 管 器速 度 与持 液 率 的增加 对 冲击应 力影 响较 小 。 关键 词 天然气 管道 ；大 落 差管段 ；清 管 ；冲击 荷载 ；O L G A；C A E S A R I I do i 1 0． 3 9 69 ／ i ． i s s n． 1 0 0 6 -6 89 6 ． 2 01 5． 1 2 ． 0 1 7 从 云南 瑞丽 市 进人 中国境 内的 天然气 管 道 ，在 清 管作 业 时 ，液 体 在清 管器 推动 下 经过 大落 差管 段 会 产生 较 大 的冲击 荷载 ，极 易导 致 管道失 效 。 国内 学 者多 以实验 与数 值模 拟相 结合 的方式研 究 清管 器 在 管道 中的运行 规律 ，以及 沿坡 敷设 输气 管道 的 应 力 。但 关 于 大落 差 管 道 在清 管 作 业 时液 体 对 管 道 冲击 影 响 的研 究 ，国 内却较 少 开 展 。根 据 中缅 天然 气管 道落 差较 大 、里 程较 长 的特 点 ，分 析 了某 大落差管段的应力与位移影响，以评估清管作业时 管道 的安 全性 。 1 基 于 O L G A 大落差管 道清管 分析 1 ． 1 大 落差 管段 模型建 立 以云 南省 内某 段 中缅 大落差 埋 地管 道为 例 ，利 用 O L G A软 件 建 立 了 清 管 模 型 ，沿 线 高程 如 图 1 所示 置 稚 枢 爆 密 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 沿线里程／ k m 1 ． 2清 管器 运行 速度 变化 设 定 管道 稳 定 运 行 1 ． 5 h 后 ，从 首 站 投 入 清 管 器 ，模 拟 清管 过程 中清 管球 的运 动速度 ，跟踪 清管 球 的运动位 置 ，结 果如 图 2 所示 。 2 ． 5 E 5 2 ． 0 E 5 刚 1 ． 5 E 5 毯 l z 1 ．O E5 5 ． 0 E 4 0 ． 0 E 0 一． 越 ”～ 油阀室 一 篓 譬 船 油 嗍 上 ／ ／悫 ⋯ ’ ⋯ l 0 2 0 3 O 运行 时间／ h 图 2清管球 运动速度与运行位 置分析 由图 2 可看 出 ，清管 器最 大运行 速度 为 8 ． 0 m／ s ， 当 清 管 器 到达 2 2 阀室后 ，清管 器 的速 度 出 现 了较 大 的 波 动 ，说 明液 体 主要 积 聚在 2 2 阀室 至末 站 的 大落差管段 问 ；因此 ，对该 管段持液率需进一步 分析 。 1 ． 3管 内持 液 率变 化 分 别 模 拟 了 不 同 时 间 2 5 、2 6 h 从 2 2 阀室 至末 站管 内持 液率 变化 情 况 ，如 图 3 ～ 图 4 所示 。 鐾 o ． 羹 o ． 嘏 O ． 图 1 中缅天 然气 某大 落差 管段 沿线 里程 与高程 o { { l 苎 挺 嚣i 瘿 根 据 该 管 线 实 际 出 口压 力 6 4 7 0 k P a 、入 口流 量 1 4 2 01 0 m。 ／ d 、总 积 液量 5 0 0 m。 ，可 以得 到清 图3 管 器运 行速 度和 管道 内持 液率 的变 化 。 清管开始 2 5 h 后 2 2 阀室至末站持液率情况 沌 清 管 器 已到 达 2 2 阀 室 基金论文 国家自然科学基 金奖项 目 “天然气 管道跨越结构清 管动 力响应 实验及理论研 究” 5 1 1 7 4 1 7 2 。 4 6 油气 田均 面工 程 h t t p ／ ／ w ww ．y qt dmgc． corn 【 _ 趟 至 } 啪栅猢 啪啪伽姗 啪啪 第 3 4 卷第 1 2 期 2 0 1 5 ． 1 2 集输处理 巅 0 ． 求 囊 0 ． 篓 0 ‘ 缘 O ． 耋 篓 4 0 0 2 0 0 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0 0 8 0 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 沿线里程／ k m 图4清管开始 2 6 h 后 2 2 阀室至末站持液率情况 由图 4 可知 ， 当清管 进 行 2 6 h 后 管 内 的持液 率 介 于 0 ． 4 1 ． 0 之 间 ；当清 管 进 行 3 1 h 后 ，管 道 持 液 率 最 大 为 1 ． 0 ；当清 管 进 行 3 2 h 时 ，管 线 内 的积 液 被 清 出 ，几 乎无 积 液 。 1 ． 4冲击 荷 载计算 对液体通过弯头进行受力分析 ，如 图 5 所示 。 由动量和能量方程得到液体对管道的冲击荷载为 I R p A y 卜c o s h L ， 1 、 I R ， p A y s i n h ， 、 式 中 R 、 R 为液柱对管道在轴 向和纵 向上的 推 力 N ； 为清管 球 速度 m／ s ； A为 管道 的 过 流 面 积 m ； o L 为 弯 头 与 水 平 坐 标 轴 之 间 的 角 度 。 ； P为清 管 液 柱 的 密 度 k g ／ m 。 ； h ， 为 管 道 坡底 弯 头处 的持 液率 。 图 5清 管 过 程 液 体 对 管 道 的 受 力分 析 2 基于C A E S A R I I 大落差管段冲击分析 2 ． 1 大落 差 管段模 型 建立 2 2 阀 室 至 末 站 管 段 全 长 1 2 ． 0 8 k m，高 程 差 为 1 0 1 6 ． 3 6 m，该 管段 清 管 工 况 分 析模 型如 图 6 所 示 ，管段 局 部放 大 模 型如 图 7 所示 。沿线 管 段参 数 和 土壤 参数 见表 1 和表 2 。 2 ． 2清管 应 力与位 移 分析 基 于 前 述 O L G A软件 模 拟 ，分 析 4 种 输送 压力 6 ． 7 8 、6 ． 5 7 、6 ． 5 5 、6 ． 4 7 MP a 下 管 道 的最 大应 力 与位 移 ，结 果 见表 3 和表 4 。 图 6 2 2 阀室至末站某大落差段模型 Y ▲ 图 7 2 2 阀室至末站某大落差段局部放 大模型 表 1 管道参数 外褡，直管 弯管腐蚀 介质 保温层 安装 操作 材料 壁厚 壁厚 ，裕量， 密度， 厚度， 温度，温 度， m m m m m I n m m k g ； m r m m 。 c o c 摩擦因数 m m j 蠢 K j} ’ l 杀 强 【 最 霍 Z 0．6 0 ． 0 01 6 8 6 1 ． 6 0 3 0 ．0 1 5 由表 3 可知 ，在不 同工 况下 ，管道 最 大应 力 随 着 管 道 内 压 、持 液 率 、清 管 器 运 行 速 度 增 大 而 增 大 ，但 持 液率 和清 管器 速度 的增加 对 于管道 最 大应 力影 响较 小 ，而管 道 内压 力 的压微 小变 化都 将导 致 管道 最大 应力 的显 著 变化 ，表 明管 内压 力 对管 道最 大应力 的影 响较大 。 油气 田地 面工 程 h t t p ／ ／ ww w． y q t d mg c ． C o m 一4 7 第 3 4卷第 1 2 J fj J 2 0 1 5 ． 1 2 集输 处理 为 了直 观地 显示 出整 条大 落差 管段 的纵 向和横 向位 移 情况 ，特将 输送 压力 为 6 ． 7 8 MP a 、持 液率 为 1 ． 0 、 清 管 器 速 度 为 8 ． 0 m ／ s 时 整 个 管 段 的 纵 向 位 移 、横 向位移 采用 图 8 和图 9 进 行描述 。 表3 不同工况下的最大应力值 O ． 2 5 0 ． 2 0 0 ． 1 5 蕊0 ． 10 蠡0 ． 0 5 0． 0 O 一0 ． 0 5 0 由图 8 和 图 9 可知 ，大 落差 管 段 整 体 横 向和 纵 向位移 较 小 ，均不 超 过 O ． 2 5 mm。结 果 表 明 ，土 壤 摩 擦 力 足 以抵 消 清管 时 液体 对 管 道 冲 击 产 生 的位 移 ，不会 导致 管道 下 滑 。 表4 不同工况下的最大位移值 管道 内压／ 管道 清管器运行速度／管道最大横 向 管道最大纵 向 MP a 持液率 m s 位移／ mm 位移／ mm 一 一 一 。 5 0 0 1 0 0 0 I 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 受力节点 图 8 2 2 阀室至末站某大落差段管道纵 向位移 1 ． 茎 董 - _| 。 ． ． 一 重 奎 ． ． ． 1 一 5 0 0 1 o 0 0 1 5 0 0 2 0 0 O 2 5 0 0 3 0 0 0 受力节点 图 9 2 2 阀室至 末站 某大落差 段管道横 向位 移 3 结论 1 管 内压 力对 大落 差管 段 的 冲击 荷 载影 响 明 显 。在 输 送 压 力 为 6 ． 7 8 MP a 、持 液 率 为 1 ． O 、清 管 器 运 行 速 度 为 8 ． 0 m ／ s 时 ，管 段 所 受 最 大 应 力 为 2 0 8 ． 5 6 MP a ，但 仍 在许 用应 力 范 围 内 ，管道 处 于安 全状 况 。 2 在土 壤 约束 下 ，管道 的横 向和 纵 向位移 均 较 小 ，清 管器 推动 液 体对 管道 产 生 冲击 的过程 中 ， 管道 不会 发生 明显 移动 。 3 清管 器速 度 以及 持液 率 的增加 对 冲击应 力 的影 响基本 呈 增大 趋势 ，但 影 响不显 著 。 4 随着 管 内 出现液 体段 塞 ，清管 器速 度波 动 较 大 ，且 清 管器 速度 基本 处 于 2 ． O～ 8 ． 0 m／ s 范 围 内。 参 考 文献 ⋯ 刘宏 波 ，吴明 ，周 立峰 ．输油 管线 中清管 器运行 规律 研究 f J ] 天然气与石油 ，2 0 0 6 ，2 4 1 3 3 - 3 5 ． [ 2 】 徐小波 ，马国光 ，刘 昕 ，等．气 管线清管过程 中的 问题 及解决 方法『 J ] ．油气 田地面 程 ，2 0 1 1 ，3 0 1 5 7 5 8 ． [ 3 ] 黄坤 ，吴世 娟 ，卢泓芳 ，等 ．沿坡 敷设输 气管 道应力 分析 【 _J 1 _ 天然气与石油 ，2 0 1 2 ，3 0 4 1 - 4 【 4 J 曾鸣 ，宋 尚娜 ，王文 明，等．基 于有 限元法 的大落差管段 清管 冲击分析 [ J ll天然气工业 ，2 0 1 3 ，3 3 5 1 0 1 1 0 3 ． [ 5 ]叶斌 ． 国 内 外 多 相 流 模 拟 软 件 综 述 【 J 1 _ 油 气 田地 面 【程 ， 2 Ol 2，3 1 2 8 5 86 ． [ 第一作 者 简介] 李 长俊 从 事油 气储运 相 关研 究 Z - 作 。1 8 3 4 9 2 9 6 3 3 7、3 5 0 3 7 8 8 1 7 q q ． c o m 收稿 日期 2 0 1 5 - O 4 2 6 栏 目主 持张 秀 丽 一 4 8一 油气 田地 面工 程 h t t p ／ ／www． y qt dmgc． corn m ∞ ∞ 加 掩 ∞ 0 0 0 O 0 0 0 0 目 ＼ 稔掣 匠器