【摘 要】
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大落差输油管道在投产过程中易形成积气段,目前主要采用发送清管器、高点开阀排气、站场(或阀室)排气、“水力排气”等手段处理由积气段产生的气阻问题。在站场排气过程中,管道内流体运动形式多变,气液两相流的分布情况较为复杂,所以在流固耦合作用下产生的管道振动问题也十分棘手。长时间的振动会降低管道的服役时间,当出现疲劳失效时,还会引发安全事故。因此,本文通过软件仿真模拟,研究了投产排气过程中的管道振动规律,
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大落差输油管道在投产过程中易形成积气段,目前主要采用发送清管器、高点开阀排气、站场(或阀室)排气、“水力排气”等手段处理由积气段产生的气阻问题。在站场排气过程中,管道内流体运动形式多变,气液两相流的分布情况较为复杂,所以在流固耦合作用下产生的管道振动问题也十分棘手。长时间的振动会降低管道的服役时间,当出现疲劳失效时,还会引发安全事故。因此,本文通过软件仿真模拟,研究了投产排气过程中的管道振动规律,并对直管段和弯管段进行支撑优化设计,然后利用实际投产管道对模型进行验证,通过管道在脉冲压力下的位移响应和应力响应情况,提出管道的振动控制措施。(1)基于多相流模拟,对含有积气段的管道气液流动状态进行预测,根据管道中气液分布情况,得出大落差管道投产过程中流型分布情况。分析不同流型状态下积气段的压力情况,为模拟站内排气管道振动确定初始边界条件,并为流固耦合计算提供数据支撑。(2)以气液两相流为前提,研究双向流固耦合作用下管道壁厚、管长、管材弹性模量、流速、压力和含气率对站内排气管道直管段振动特性的影响。通过控制变量进行仿真模拟,并根据模拟结果的云图和数据进行观察分析,最后得到控制管道振动的解决方案以及管道支撑优化的方法。通过分析发现,管道厚度增加能够提升管道运行的稳定性,使管道不易发生振动;管道长度越长,管道发生振动的可能性越大,由此可知,在实际敷设管道时可以在较长管道中部添加合理的支撑和约束,避免管道发生振动;管道的弹性模量越小,管道越容易发生振动,因此在管道选材时可以适当选择弹性模量大的材料;在控制入口压力为低压和中压范围时,可以不考虑流速和压力对直管段的影响;含气率在一定范围内增大时,管道的振动幅度增大,为了保障排气管道的安全运行,应适当对管道添加约束。在给直管段添加支撑约束时,可以优先考虑对称约束,即在管道中间部位添加约束。(3)以气液两相流为前提,研究双向流固耦合作用对弯管段振动特性的影响情况。对比不同弯度弯管的振动特性,并以120°弯管为例,分析其在不同含气率和不同入口流速下的振动情况。研究分析显示:不同弯度弯管的压力分布趋势基本相同,最大压力都出现在来流方向,即弯头外侧。随着弯管弯度的增加,管道的振动幅度减小,因此可以在设计管路时将弯头的弯度适当增大。在120°弯度的弯管中,随着含气率增大,管道的应力增加,管道更容易发生疲劳失效;随着入口流体流速增加,弯管的最大应力值升高,因此在设计弯管时应综合考虑流体流速的实际运行范围。分析添加约束后的模拟结果,发现固定约束降低弯管段的振动效果最为明显,垂直约束其次。(4)基于双向流固耦合研究结果,分析中缅原油管道工程(国内段)一期工程保山站在投产过程中排气管道的振动特性,确定不同位置排气管段的约束,防止管道发生疲劳失效。本文的研究为连续起伏大落差管道投产站内排气过程中的操作及作业安全提供参考。
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