西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

大落差天然氣管道清管沖擊分析

李長俊劉浠堯賈文龍彭陽西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

中緬天然氣管道沿線地勢復(fù)雜，形成了很多的大落差管段，最大處可達1000多米，給清管作業(yè)帶來了相當(dāng)大風(fēng)險。針對某大落差管段，采用OLGA軟件分析了清管器在管內(nèi)的運行速度與持液率變化，得出管道承受的沖擊載荷，再利用CAESARII軟件分析了在此荷載作用下管道應(yīng)力與位移變化。研究結(jié)果表明，清管器在作業(yè)時，管道內(nèi)部的輸送壓力對大落差管段的沖擊荷載影響明顯；管道在土壤中的橫向和縱向位移均較?。辉诜e液量較少情況下，清管器速度與持液率的增加對沖擊應(yīng)力影響較小。

天然氣管道；大落差管段；清管；沖擊荷載；OLGA；CAESARII

從云南瑞麗市進入中國境內(nèi)的天然氣管道，在清管作業(yè)時，液體在清管器推動下經(jīng)過大落差管段會產(chǎn)生較大的沖擊荷載，極易導(dǎo)致管道失效。國內(nèi)學(xué)者多以實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式研究清管器在管道中的運行規(guī)律[1-2]，以及沿坡敷設(shè)輸氣管道的應(yīng)力[3]。但關(guān)于大落差管道在清管作業(yè)時液體對管道沖擊影響的研究[4]，國內(nèi)卻較少開展。根據(jù)中緬天然氣管道落差較大、里程較長的特點，分析了某大落差管段的應(yīng)力與位移影響，以評估清管作業(yè)時管道的安全性。

1　基于OLGA大落差管道清管分析

1.1大落差管段模型建立

以云南省內(nèi)某段中緬大落差埋地管道為例，利用OLGA軟件[5]建立了清管模型，沿線高程如圖1所示。

圖1　中緬天然氣某大落差管段沿線里程與高程

根據(jù)該管線實際出口壓力6470kPa、入口流量1420×104m3/d、總積液量500m3，可以得到清管器運行速度和管道內(nèi)持液率的變化。

1.2清管器運行速度變化

設(shè)定管道穩(wěn)定運行1.5h后，從首站投入清管器，模擬清管過程中清管球的運動速度，跟蹤清管球的運動位置，結(jié)果如圖2所示。

圖2　清管球運動速度與運行位置分析

由圖2可看出，清管器最大運行速度為8.0m/s，當(dāng)清管器到達22#閥室后，清管器的速度出現(xiàn)了較大的波動，說明液體主要積聚在22#閥室至末站的大落差管段間；因此，對該管段持液率需進一步分析。

1.3管內(nèi)持液率變化

分別模擬了不同時間（25、26h）從22#閥室至末站管內(nèi)持液率變化情況，如圖3～圖4所示。

圖3　清管開始25h后22#閥室至末站持液率情況

圖4　清管開始26h后22#閥室至末站持液率情況

由圖4可知，當(dāng)清管進行26h后管內(nèi)的持液率介于0.4～1.0之間；當(dāng)清管進行31h后，管道持液率最大為1.0；當(dāng)清管進行32h時，管線內(nèi)的積液被清出，幾乎無積液。

1.4沖擊荷載計算

對液體通過彎頭進行受力分析，如圖5所示。由動量和能量方程得到液體對管道的沖擊荷載為

式中Rx、Ry為液柱對管道在軸向和縱向上的推力（N）；v為清管球速度（m/s）；A為管道的過流面積（m2）； α為彎頭與水平坐標(biāo)軸之間的角度（°）； ρ為清管液柱的密度（kg/m3）；hL為管道坡底彎頭處的持液率。

圖5　清管過程液體對管道的受力分析

2　基于CAESARII大落差管段沖擊分析

2.1大落差管段模型建立

22#閥室至末站管段全長12.08km，高程差為1016.36m，該管段清管工況分析模型如圖6所示，管段局部放大模型如圖7所示。沿線管段參數(shù)和土壤參數(shù)見表1和表2。

2.2清管應(yīng)力與位移分析

基于前述OLGA軟件模擬，分析4種輸送壓力（6.78、6.57、6.55、6.47MPa）下管道的最大應(yīng)力與位移，結(jié)果見表3和表4。

圖6　22#閥室至末站某大落差段模型

圖7　22#閥室至末站某大落差段局部放大模型

表1　管道參數(shù)

表2　土壤參數(shù)

由表3可知，在不同工況下，管道最大應(yīng)力隨著管道內(nèi)壓、持液率、清管器運行速度增大而增大，但持液率和清管器速度的增加對于管道最大應(yīng)力影響較小，而管道內(nèi)壓力的壓微小變化都將導(dǎo)致管道最大應(yīng)力的顯著變化，表明管內(nèi)壓力對管道最大應(yīng)力的影響較大。

為了直觀地顯示出整條大落差管段的縱向和橫向位移情況，特將輸送壓力為6.78MPa、持液率為1.0、清管器速度為8.0m/s時整個管段的縱向位移、橫向位移采用圖8和圖9進行描述。

表3　不同工況下的最大應(yīng)力值

由圖8和圖9可知，大落差管段整體橫向和縱向位移較小，均不超過0.25mm。結(jié)果表明，土壤摩擦力足以抵消清管時液體對管道沖擊產(chǎn)生的位移，不會導(dǎo)致管道下滑。

表4　不同工況下的最大位移值

圖8　22#閥室至末站某大落差段管道縱向位移

圖9　22#閥室至末站某大落差段管道橫向位移

3　結(jié)論

（1）管內(nèi)壓力對大落差管段的沖擊荷載影響明顯。在輸送壓力為6.78MPa、持液率為1.0、清管器運行速度為8.0m/s時，管段所受最大應(yīng)力為208.56MPa，但仍在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，管道處于安全狀況。

（2）在土壤約束下，管道的橫向和縱向位移均較小，清管器推動液體對管道產(chǎn)生沖擊的過程中，管道不會發(fā)生明顯移動。

（3）清管器速度以及持液率的增加對沖擊應(yīng)力的影響基本呈增大趨勢，但影響不顯著。

（4）隨著管內(nèi)出現(xiàn)液體段塞，清管器速度波動較大，且清管器速度基本處于2.0～8.0m/s范圍內(nèi)。

[1]劉宏波，吳明，周立峰．輸油管線中清管器運行規(guī)律研究[J]．天然氣與石油，2006，24（1）：33-35.

[2]徐小波，馬國光，劉昕，等．氣管線清管過程中的問題及解決方法[J]．油氣田地面工程，2011，30（1）：57-58.

[3]黃坤，吳世娟，盧泓芳，等．沿坡敷設(shè)輸氣管道應(yīng)力分析[J]．天然氣與石油，2012，30（4）：1-4.

[4]曾鳴，宋尚娜，王文明，等．基于有限元法的大落差管段清管沖擊分析[J]．天然氣工業(yè)，2013，33（5）：101-103.

[5]葉斌．國內(nèi)外多相流模擬軟件綜述[J]．油氣田地面工程，2012，31（2）：85-86.

（欄目主持張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.017

基金論文：國家自然科學(xué)基金獎項目“天然氣管道跨越結(jié)構(gòu)清管動力響應(yīng)實驗及理論研究”（51174172）。

李長俊：從事油氣儲運相關(guān)研究工作。18349296337、350378817@qq.com

2015-04-26