管道断裂中高压天然气减压行为研究评述.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 本文受到中国石油天然气集团公司石油管力学和环境行为重点实验室预研及探索性项目资助项目高压富气输送管 道断裂控制技术研究。 作者简介陈福来,1979年生,博士研究生。地址 102249北京市昌平区中国石油大学石工博05级131信箱。电话 01089733391 ,13810605166。E2mail chenfulai_26 163. com 管道断裂中高压天然气减压行为研究评述 3 陈福来 帅 健 中国石油大学 北京 陈福来等.管道断裂中高压天然气减压行为研究评述.天然气工业,2006 ,2611 1362139. 摘 要 天然气输送管道强度和韧性的提高及高压富气输送工艺的采用,大大提高了运营效益,同时给管道 安全评估提出新的要求。动态延性断裂DDF的扩展驱动力主要来自于外逸气体的压力,该作用力通过求解管道 减压波的压力分布来确定。天然气减压方面的研究在国外取得一些成果,而国内仍未见报道。文章简述了天然气 减压行为与延性断裂扩展行为之间的关系,阐述了输气管道的全尺寸爆破试验、 天然气减压行为试验及减压理论 模型和数值模拟等方面的研究进展,同时评析了天然气减压行为的影响因素,展望了天然气和富气的发展前景和 研究方向。 主题词 天然气管道 减压 爆炸 试验 理论模型 数值模拟 国内外天然气输送向高压、 高钢级管道发展,在 降低成本的同时提升了建成后的运营效益。管材强 度和韧性的提高及高压富气输送工艺的采用,对管 道安全评估提出更新、 更高的要求。近几十年来,国 内外管道断裂事故频繁发生,特别是长程延性断裂 可称得上灾难性破环。因此,延性断裂的止裂控制 是高压输气钢管最突出的问题,一直是研究的热点。 输气管道开裂并不是把高压输送气体立刻排 空,而是由断裂点向两侧各产生一个减压波并向两 远端传播如图 1 。减压波速低于管道断裂速度时, 图1 管道开裂减压波示意图 会造成管体快速持续扩展,不能止裂;减压波速高于 裂纹扩展速度时,裂纹将在扩展一定距离后而止裂。 富气输送过程可能出现相变,这对管道止裂韧性提 出了更高要求。天然气减压行为是研究管道断裂安 全的关键,国外相关研究报道不多,国内这方面的研 究几乎是空白。本文主要介绍国外天然气减压规律 方面的研究进展,进而分析影响天然气减压波速的 几个因素,以便为改进输气管道动态断裂扩展的止 裂判据做好铺垫,为高压富气长输管道的工程建设 提供参考依据。 一、 气体减压行为研究 全尺寸爆破试验可为数值模拟提供初始条件以 及结果验证;气体减压小型试验耗时耗资大大优于 全尺寸爆破试验;采用数值模拟方法来研究天然气 减压行为最为经济、 便捷。下面对全尺寸爆破试验、 气体减压小型试验以及气体减压数值模拟等方面的 研究进展进行阐述。 1.全尺寸爆破试验研究进展 全尺寸爆破试验可由压力传感器记录管道断裂 过程中气体压力值,但试验费和建场费十分昂贵约 几百万美元 , 耗时较长,且与试验条件密切相关。 过去几十年,仅美国、 日本及欧洲的几个研究机构进 行过全尺寸爆破试验。 1978～1983年,日本高强度输送管专业委员会 HLP Committee进行了7次X70管道的全尺寸爆 破试验。管道直径1219 mm ,壁厚18. 3 mm。爆破 介质分别为空气和富气[123]。根据爆破数据绘制了 631 储运与集输工程 天 然 气 工 业 2006年11月 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 富气和空气减压曲线对比图[1]。 在阿尔伯塔北部爆破试验NABT研究基地[4] 进行了6次全尺寸爆破试验,管径为1219 mm和 1422 mm ,爆破压力为7. 544～8. 786 MPa。天然气 中甲烷摩尔分数约为85 ,乙烷为6 ～8 ,丙烷 大于4 。 20世纪80年代,为了便于评估海底管道的延性 断裂现象,在12 m水深处,Maxey等对充装压缩氮 气的管段进行了两次全尺寸爆破试验,管径分别为 559 mm和1067 mm。测量到断裂速度并观测了止 裂状态,由于周围水的作用,在深水中比回填土中管 道断裂速度低一些[5]。 20世纪70～90年代,意大利CSM进行了大量 全尺寸爆破试验[6 ,7]。由试验数据得出裂纹前面的 为一维减压模式,裂纹后部的气体压力呈现为二维 模式衰减 [729] 。 Alliance管线[10]进行了两次全尺寸爆破试验, 钢级为X70 ,管径分别为914 mm和1067 mm。试 验气体摩尔组分为乙烷超过15 ,丙烷超过3 。 试验结果与GASDECOM程序预测取得较好的一 致性。 近几年,意大利CSM进行了两次X100管道的 全尺寸爆破试验,试验介质为天然气甲烷大于等于 98 ,管道直径均为914 mm ,壁厚分为16. 0 mm、 20. 0 mm。每次试验管都是由一条起裂管和另外8 个管段焊接在一起,且由起裂管至两端管韧性逐渐 增大[11]。 最近,由日本N KK、Sumitomo、Kawasaki 3家 赞助,进行了两次X100管道管径为914 mm ,填充贫 气的全尺寸爆破试验[12]。 迄今为止,国外已进行近300次输气管线全尺 寸爆破试验。 2.气体减压行为试验研究进展 20世纪50年代,Rudinger[13]进行了测定气体 减压波速的试验。根据测定结果得出 pd pi vd va 5 6 7 1 式中pd为减压波前沿经历各点减压波的压力;pi 为断裂前气体的起始压力;vd为减压波速度,且vd va-vo;va为声波在该介质中速度;vo为气体的 流速。 20世纪70年代,基于Mexay进行的延性断裂 试验获得的数据,Mexay等研究了压缩空气、 氮气和 甲烷含量高的天然气的减压行为[14]。假定这些气体 为理想气体,并假设减压过程始终保持等熵、 管道的 整个横截面瞬间完全开裂及气体混合物时刻保持均 匀,得出关系式 pd pi 2 γ1 γ-1 γ1 vd va 2γ γ-1 2 式中γ为初始比热比;其余字符同式1。 T. K. Groves等[15]在长30. 8 m ,内径为60. 3 mm的激波管上做了减压行为的试验。 Kamal K. Botros等[16]进行了减压波速测量试 验。该试验最高起始压力22 MPa ;最低起始温度为 - 20℃;天然气中甲烷、 乙烷、 丙烷的摩尔分数分别 为70 ～95 、8 ～15 、3 ～5 。 3.天然气减压的理论模型及数值模拟进展 T. K. Groves[15]计算了大管径为试验管径20 倍的天然气减压波速,为了增强对气体混合物减压 行为的了解,另外考虑了纯气体和氩气减压行为。 对理论值与距断裂面不同位置的观测值进行了比较 分析,认为由于试验中使用 “小管径” 管道的缘故而 导致与理论值存在一些差异。 Picard[4]计算得知,理想气体等熵减压PID模 型预测压力值与裂纹尖端的实际压力相比要低20 以上;实流体等熵减压RID模型与Foothills[17]管道 爆破试验进行对比,证实该模型预测管径大于508 mm的管道比较精确;为了精确计算小管径减压行 为,发展了实流体非等熵减压RND模型,与爆破试 验数据比较得知,RND模型能较好地预测天然气减 压行为。 Eiber等[10]对Alliance管道的两次爆破试验测 量压力值与GASDECOM计算值进行比较,结果表 明具有很好的一致性。 Hiroyuki Makino[18]利 用 一 元 等 熵 均 匀 的 “British Gas” 理论模型计算了富气的两相区减压曲 线[19]。其中,利用BWRS状态方程计算气体性质。 通过对HLP的富气管道全尺寸爆破试验进行计算, 取得较精确的结果。对管道全部断面开裂及部分断 面开裂等情况的气体减压行为进行了数值模拟,并 与理论模型的解进行比较,取得较好的一致性。另 外,证实了管道瞬间全截面开裂的假设在预测气体 减压行为中是合理的。 GASDECOM模型和AGA218模型[16]分别进 行常规天然气和富气减压曲线计算。经过与试验测 量值对比,前者有较高的精度,而后者对于富气计算 误差较大。此误差源于后者未考虑相变。 A. Terenzi[20]主要研究了实际流体减压行为的 731 第26卷第11期 天 然 气 工 业 储运与集输工程 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 两个影响因素摩擦和两相状态。摩擦会导致压力 减小,阻碍裂纹扩展;气液两相的声速比单相中有所 降低,有助于裂纹扩展。 二、 天然气减压行为的影响因素 根据国外对天然气管道减压行为的研究进展, 下面对气体减压行为的影响因素进行简单评析。 1.试验条件的影响 全尺寸爆破试验结果最具有说服力,但耗资耗 时相当巨大。因此,用体积小且耗资低的膨胀管为 主体试验设备来预测气体减压行为成为一种趋势。 气体减压行为研究试验中,一般是将一端封头突然 打开[13],或者是薄膜瞬间完全破裂[15 ,16]。但是,现 实中管道断裂从一个裂缝开始,随着这个裂缝扩展, 最终整个排放气体的通道与全截面打开相当。数值 模拟得知整个历程约20 ms[18],故实际的初始减压 段较试验中要滞后一点,其后能够反映实际情况。 2.相变对减压行为的影响 含乙烷、 丙烷、 丁烷、 戊烷等NGL 天然气凝析 液成分的天然气称为 “富气” 。Maxey等[21]提出在 气体减压过程中,管道输送气体进入气液两相区,延 性断裂扩展的风险要高于单相的情况。 仅为气相时,气体压力与减压波速的关系为一 个较为平滑的曲线。气相向气液两相转变时,流体 声速在气液两相边界不连续,这正是导致减压曲线 出现 “平台” 的原因[18]。在两相状态,压力保持恒值, 且高于气相减压后的数值。两相减压不如单相减压 迅速,压力较长时间保持在高位,可知两相更是增大 了断裂扩展的风险。液相向气相转变时,由于液相 的声速一般为其蒸气中声速的2～3倍,故通过液相 时减压特别迅速,开裂长度很短就能达到止裂。 3.起始压力的影响 从不同初始压力下的减压曲线图 2 可以看出 初始压力对气体减压行为的影响[1]。随着起始压力 的提高,起始点的减压波速度随之升高由于声速升 高 , 而两相区域的 “平台” 降低。即管道输送气体压 力的提高,在管道开裂时会促进气体从开裂区域更 快逸出,因此裂纹更易止裂。 4.管径对减压波的影响 管径对减压曲线有一定影响。有研究表明,管 径大于508 mm可以不计热传导和粘性耗散等非等 熵影响,否则,需考虑此影响[4]。管径较小会导致摩 擦影响较大,摩擦会引起压力减小,阻碍裂纹的扩 展[15]。 图2 不同初始压力下的富气减压曲线图 三、 结 论 1天然气输送管道的强度、 韧性提高和富气输 送技术的采用,给管道安全提出新的要求,应加大研 究力度,以遏制灾难性的管道长程断裂事故。 2国外已有一些较好的 “贫气” 减压行为预测 模型,但对富气减压行为预测还存在较大差异。为 了适应超高压、 低温及采用富气输送技术的发展趋 势,必须修正或发展新的减压行为预测模型。 3天然气和富气减压行为规律的确定,为进一 步深化对气体/管道/断裂相互作用的理论分析打下 基础,有利于研究管道延性断裂与止裂行为,为管道 的可靠性设计和安全运行提供参考依据。 参 考 文 献 [1] HIROYU KI MAKINO ,TAKABIRO KUBO ,TOYOAKI SHIWAKU ,et al. Prediction for crack propagation and arrest of shear fracture in Ultra2high pressure natural gas pipelines[J ]. ISIJ International ,2001 ,414 3812388. [2 ] SUGIE E , AKOYAMA T , KAWAGUCHI Y,et al. A study of shear crack propagation in gas2pressurized pipe2 lines[J ].Journal Pressure Vessel Technology , 1982 ,104 4 3382343. [3] SU GIE E , KAJ I H ,OHASHI M. Shear fracture arrest ability of controlled rolled steel X70 line pipe by full2scale burst test[J ].Journal of Energy Resources Technology , 1984 ,1061 56262. [4] PICARD D J ,BISHNOI. The importance of real2fluid be2 havior and non2isentropic effects in modeling decompres2 sion characteristics of pipeline fluids for application in ductile fracture propagation analysis [J ].The Canadian Journal of Chemical Engineering ,1988 ,66 3212. [5] MAXEY W A. Fracture propagation in underwater gas pipelines[J ]. Journal Energy of Resources Technology. 1986 ,1081 . 831 储运与集输工程 天 然 气 工 业 2006年11月 w w w . b z f x w . c o m 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. [6] O’DONOGHUE P E , GREEN S T , KANNIEN M F , et al. The development of fluid/ structure interaction model for flawed fluid containment boundaries with applications to gas transmission and distribution piping[J ]. Comput2 ers In Chinese ABSTRACT The increasing strength and ductility of natural gas transportation pipelines and adoption of transportation tech2 nology of hyperbaric rich gas greatly improved the benefit , but made the pipeline security uation have higher requirement. The force causing the dynamic ductile fracture DDF in pipelines containing pressurized compressible fluids is given by the re2 sidual pressure of the discharging fluid. The acting force is determined by the pressure profile of the rarefaction wave propaga2 ting in the pipeline. In foreign countries , they have gotten some achievement in studying natural gas decompression , but there is no report in China. Firstly this paper briefly introduced the connection between natural gas decompression behavior and duc2 tile fracture propagation behavior ; expatiated the advance of study on full scale burst test , natural gas decompression behavior test , decompression theoretical model , and numerical simulation etc. of gas transportation pipeline ; analyzed the influence fac2 tor of the natural gas decompression behavior ; and expected the development foreground and research direction of natural gas and rich gas. SUBJECT HEADINGS natural gas pipelines , full scale burst test , decompression behavior , theoretical model , numerical simu2 lation Chen Fulai, born in 1979 , is studying for a Ph. D degee. AddMail Box 131 , Doctor Grade 2005 , Petroleum Engineering Department , China University of Petroleum , Changping Dis2 trict , Beijing 102249 ,P. R. China Tel 8621028973 3391 Cell phone 13810605166 E2mail chenfulai_26 www. trqgy. cn/ e/abstracts.asp 20 ANALYSIS OF DEVELOPMENT TREND FOR CLEANLY FUELLED VEHICLES IN GUANGZHOU Luo Dongxiao1 ,2 1 Guangzhou Gas Company ; 2 Nature Gas Utilization Research Center of South China U2 niversity of Technology .N A TUR. GA S IN D.v. 26 , no. 11 , pp. 1402143 , 11/ 25/ 2006. ISSN 1000 - 0976 ; In Chinese ABSTRACT The reasonable option of alternative vehicle fuels and scientific development direction of cleanly fuelled vehicles are crucial in decreasing adverse emission and controlling city ambient air pollution. The development principle of global clean fuels for vehicles indicates that natural gas , especially LNG, is the best alternative clean fuel for vehicles. Guangzhou City , where LPG vehicles have already been developed to certain level , is confronted with some emerging issues how to stipulate a clean fu2 el development outline which adheres to national policy and adapts well to local condition; how to seek specific solutions for a smooth transition between LPGand natural gas. Some suggestions were put forward as follows such as to accelerate the stipu2 lation of LNG station and LNG2vehicles related regulations; to reduce the cost of LNG2vehicles and stations through manufac2 turing key LNGequipment domestically , like LNGpump , LNGdispenser , vehicle LNGtank , etc. In the light of current LNG2 vehicles retrofit technology level , LNG2vehicles should be gradually popularized , whereas upgrading on the current LPGvehicle is not supported. SUBJECT HEADINGS Guangzhou City , LNG, LPG, clean fuels , vehicles , development , suggestion Luo Dongxiao, born in 1961 , professorial senior engineer , is also a professor at Sun Yat2sen University , and a researcher at South China University of Technology. He is mainly engaged in research works of natural gas conversion and utilization tech2 nology. He has been awarded 5 provincial prizes and 5 national patents. He has already published 24 theses in many Chinese academic publications. N A TURAL GA S IN DUS TR Y, vol. 26 , no. 11 , 2006 November 25 , 2006