輸油管道性能監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

練鴻波，馬蕾，朱琦，楊洋，鐘雯

輸油管道性能監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

練鴻波，馬蕾*，朱琦，楊洋，鐘雯

（西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039）

設(shè)計(jì)了一種能夠模擬輸油管道磨損性能的機(jī)構(gòu)。通過(guò)管道更換和夾持裝置兩個(gè)關(guān)鍵部件，機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)便地更換測(cè)試管道，同時(shí)能夠輕松地提供所需要的管道測(cè)試角度，進(jìn)而研究管道彎角、流體介質(zhì)、流體密度、流體流速流量等參數(shù)對(duì)不同材質(zhì)輸油管道磨損性能的影響，從而優(yōu)化輸油過(guò)程中對(duì)輸送不同的流體特性管道的材質(zhì)和放置角度，減少流體介質(zhì)對(duì)管道的磨損，提高管道壽命，并且該機(jī)構(gòu)配備流體回流裝置既保證工程的經(jīng)濟(jì)性又使其綠色節(jié)能。

管道；磨損；流體介質(zhì)；彎角

石油工業(yè)作為國(guó)家發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有極為重要的地位。在石油運(yùn)輸過(guò)程中，由于多相流介質(zhì)對(duì)石油運(yùn)輸管道存在沖刷磨損[1]。目前管道運(yùn)輸在運(yùn)輸方式中占很大的比例，而且經(jīng)常需要通過(guò)管道進(jìn)行多相流介質(zhì)的混輸，在此過(guò)程中管道會(huì)被逐漸磨損變薄，甚至產(chǎn)生形變。管道的材質(zhì)和彎曲角度都會(huì)對(duì)管道的壽命有所影響[2]，運(yùn)輸管道不論是鋪設(shè)在地下還是水下，都要受到外界土壤、水、空氣等對(duì)管道外壁的腐蝕[3]，在管道接頭處，由于路線的急劇改變，常常發(fā)生管壁穿孔現(xiàn)象[4]。同時(shí)，多相流介質(zhì)自身的化學(xué)特性，又會(huì)導(dǎo)致輸送管道壁上出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象[5]。管道在被磨損及腐蝕后，其抗壓能力、抗疲勞性能等均會(huì)有所降低，造成工作效率下降，還會(huì)縮短機(jī)器的使用壽命[6-7]。所以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探尋針對(duì)不同輸送物質(zhì)所對(duì)應(yīng)的耐磨耐腐蝕性管道材質(zhì)是十分有必要的。在現(xiàn)已研發(fā)的多種磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上[8]，輸送管道外壁防護(hù)技術(shù)已比較成熟，本研究針對(duì)輸油管道易出現(xiàn)損傷的接頭部位和管道內(nèi)壁進(jìn)行了磨損模擬機(jī)構(gòu)的研發(fā)，從而能有效地監(jiān)測(cè)出易損部位在不同工況下的磨損情況，以便進(jìn)行優(yōu)化分析，更好改進(jìn)機(jī)構(gòu)的監(jiān)測(cè)性能。

管道運(yùn)輸在石油和天然氣的運(yùn)輸過(guò)程中已經(jīng)被大規(guī)模采用，但近年管道安全事故也層出不窮，這不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也對(duì)人身安全存在很大隱患[9]，所以人們加大了對(duì)輸送管道磨損腐蝕情況的研究。目前國(guó)內(nèi)外主流研究方法分為兩種：數(shù)值模擬研究和實(shí)驗(yàn)研究[10]。高萬(wàn)夫[11]等人，通過(guò)氣固兩相流對(duì)不同材質(zhì)的彎管進(jìn)行了沖蝕實(shí)驗(yàn)，研究了一系列影響管道彎頭磨損率的因素。張一帆[12]通過(guò)數(shù)字模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方法，主要研究了稀相氣力輸送中閘閥內(nèi)部顆粒流動(dòng)特征及主要壁面的磨損分布，研究發(fā)現(xiàn)最大磨損均發(fā)生在壁面靠近流道處。同時(shí)，減少管道系統(tǒng)的磨損既須考慮流體特性，又要兼顧人為因素在管道運(yùn)輸過(guò)程可靠性分析中的重要作用。目前所研究的管道系統(tǒng)的可靠性實(shí)際上僅僅考慮了管道設(shè)備系統(tǒng)本身，并沒(méi)有建立影響管道系統(tǒng)安全的人為因素體系。因此，對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)中人為因素進(jìn)行分析，有利于更進(jìn)一步研究人－機(jī)系統(tǒng)的可靠性，真正掌握管道系統(tǒng)的可靠性[13]。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 主要結(jié)構(gòu)功能

圖1為機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖。

1.流量傳感器2.圓環(huán)支架3.彎管4.機(jī)架5.圓盤(pán)6.供梯形滑塊安裝和更換的開(kāi)口7.圓形滑槽8.液體箱9.液壓泵10.過(guò)濾器11.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

從圖1可以看出機(jī)構(gòu)主要分為三個(gè)部分：輸油管道置換裝置、油液儲(chǔ)備及運(yùn)輸設(shè)備、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

機(jī)構(gòu)的輸油管道置換裝置由圓盤(pán)5及安裝在圓盤(pán)上的圓環(huán)支架2、彎管3、供梯形滑塊安裝和更換的開(kāi)口6、圓形滑槽7構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)彎管的安裝、更換及角度調(diào)節(jié)等功能。其中，靠近圓形滑槽的圓盤(pán)頂面上設(shè)有刻度表，通過(guò)移動(dòng)夾具以研究管道彎曲程度對(duì)管道磨損的影響；圓環(huán)支架豎向設(shè)置，圓環(huán)支架的底部通過(guò)固定桿固定在機(jī)架上，圓環(huán)支架的圓孔直徑與圓盤(pán)外徑相當(dāng)，圓盤(pán)嵌進(jìn)圓環(huán)支架的圓孔中且圓盤(pán)的端面與圓環(huán)支架的環(huán)面相互垂直，圓盤(pán)通過(guò)設(shè)置在其側(cè)部的兩組對(duì)向設(shè)置的可拆卸導(dǎo)軌固定在圓環(huán)支架上。

油液儲(chǔ)備及運(yùn)輸設(shè)備由液體箱8、液壓泵9、流量傳感器1和過(guò)濾器10組成，為實(shí)驗(yàn)過(guò)程提供流體介質(zhì)的儲(chǔ)備、運(yùn)輸功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)流體的過(guò)濾及流量監(jiān)控。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11可設(shè)定實(shí)驗(yàn)流體介質(zhì)相關(guān)參數(shù)，并采集液壓泵9、過(guò)濾器10、流量傳感器1的瞬時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋監(jiān)控，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定性及可靠性。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，流體介質(zhì)經(jīng)液體箱由管道出液口流入液壓泵，流過(guò)過(guò)濾器后，由管道及測(cè)試裝置經(jīng)管道回液口流回液體箱。液體箱可以為整個(gè)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)存和提供實(shí)驗(yàn)所需的流體介質(zhì)，方便實(shí)驗(yàn)流體介質(zhì)的隨時(shí)更換。同時(shí)流體介質(zhì)在整個(gè)機(jī)構(gòu)上完成一個(gè)工作周期后還能夠流回液體箱，實(shí)現(xiàn)流體介質(zhì)的重復(fù)利用，從而提高機(jī)構(gòu)整體的經(jīng)濟(jì)適用性。液體箱上方的機(jī)架能夠起到良好的穩(wěn)定支撐作用，不僅能有效支撐起運(yùn)輸管道和圓盤(pán)等結(jié)構(gòu)，而且還能起到一定的緩沖減震作用。液壓泵能夠調(diào)節(jié)介質(zhì)運(yùn)輸過(guò)程中流體流速和流量。在液壓泵的出口，管道內(nèi)部還安裝有一個(gè)可更換的過(guò)濾器，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)人員提供理想密度的介質(zhì)，即可進(jìn)行同種介質(zhì)在不同密度工況下的磨損模擬實(shí)驗(yàn)。輸油管道置換裝置通過(guò)四個(gè)管道夾具可夾持半徑在一定范圍內(nèi)的管道，便于更換不同材料和尺寸的管道。通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)夾具間的相對(duì)位置，可安裝不同彎曲度的彎管，以研究管道彎角對(duì)管道磨損性能的影響。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制液壓泵流量，流量傳感器可測(cè)出進(jìn)入試驗(yàn)管道前流體介質(zhì)的速度，并通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算出流體介質(zhì)對(duì)管道的沖擊力，借助微觀測(cè)試技術(shù)分析管道磨損情況，從而建立不同工況下流體介質(zhì)沖擊力與管道磨損率之間的關(guān)系。

1.2 設(shè)計(jì)原理

輸油管道運(yùn)輸結(jié)構(gòu)一旦建成，其設(shè)計(jì)使用壽命一般為20年。在需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送的任務(wù)中，對(duì)管道的要求極其關(guān)鍵。管道的好壞對(duì)后期維護(hù)成本的高低、運(yùn)輸效率都有著至關(guān)重要的影響。在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中，一旦管道出現(xiàn)破損，將導(dǎo)致巨大的材料浪費(fèi)，同時(shí)也需要維修人員及時(shí)出現(xiàn)在破損的管道處進(jìn)行維修，結(jié)果不僅僅加劇了成本的投入，還會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸效率下降，從而造成各個(gè)方面的影響。輸油管道性能監(jiān)測(cè)平臺(tái)將通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得的客觀數(shù)據(jù)為輸送管道的選擇提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)將提高整個(gè)輸送網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸效率、降低管道的破損概率，從而大大減少后期維護(hù)的投入和材料的浪費(fèi)。

實(shí)驗(yàn)裝置能有效模擬各種工作環(huán)境，操作人員可以根據(jù)管道的實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行布置，例如管道埋在什么性質(zhì)的土壤下、管道受到的外部壓強(qiáng)是多少等因素。而最重要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，例如流體介質(zhì)在管道運(yùn)輸過(guò)程中的速度。在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中最容易破損的部位是彎管處，所以試驗(yàn)裝置進(jìn)行了重點(diǎn)突出，無(wú)論是什么樣的彎曲角度都可以通過(guò)圓形滑槽進(jìn)行設(shè)定，從而符合實(shí)際工作環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)在于，第一，對(duì)實(shí)驗(yàn)空間的需求相對(duì)較小，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的管道只用截取部分；第二，可以測(cè)試不同彎曲程度的管道；第三，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用循環(huán)系統(tǒng)，使裝置節(jié)能環(huán)保；第四，能模擬各種需要的實(shí)際工作環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加滿足客觀規(guī)律。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵是管道更換與夾持裝置，主要由安裝在圓盤(pán)滑槽上的兩個(gè)V型壓塊I和滑塊II組成，如圖2所示。

兩個(gè)V型壓塊對(duì)向設(shè)置并通過(guò)螺釘固定，且二者之間配合形成固定輸油管道的夾持腔，位于下端的V型壓塊通過(guò)固定桿與滑塊連接，滑塊置于圓形滑槽中，并通過(guò)套裝在固定桿上的螺母與圓盤(pán)表面貼靠以調(diào)節(jié)滑塊松緊，夾具上固定實(shí)驗(yàn)用彎管（可為兩通或三通或四通接頭），通過(guò)夾持腔上的管道相互連接形成管道通路。

I.V型壓塊II.滑塊

圓形滑槽截面呈梯形，滑塊為與梯形滑槽配合的梯形滑塊，圓形滑槽上開(kāi)設(shè)有供梯形滑塊安裝和更換的開(kāi)口。圓環(huán)支架與圓盤(pán)上均設(shè)有刻度表，能測(cè)量管道與水平方向的夾角，并通過(guò)移動(dòng)夾具來(lái)改變管道的彎曲角度與傾斜角度，用于研究彎角及傾斜角度對(duì)管道磨損的影響。該機(jī)構(gòu)能有效模擬出不同管道接頭處的接合情況和所需的接合角度，以此模擬出不同實(shí)際工況下的工作狀態(tài)，使監(jiān)測(cè)出的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠。

3 結(jié)論

本研究針對(duì)輸油管道的磨損問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種輸油管道磨損模擬機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理、測(cè)量方便，可以模擬多通道多材質(zhì)管道在不同流體介質(zhì)、不同輸送密度及速率工況下的輸油管道內(nèi)壁磨損情況，為實(shí)際工程應(yīng)用中輸油管道對(duì)不同流體介質(zhì)的材質(zhì)選取、彎曲度、傾斜度等問(wèn)題提供最佳的科學(xué)解決方案，從而提高管道的使用壽命，增強(qiáng)管道運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠性，降低安全事故的發(fā)生，減少運(yùn)輸成本。

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Design of Performance Monitoring Platform for Oil Pipeline

LIAN Hongbo，MA Lei，ZHU Qi，YANG Yang，ZHONG Wen

( Key Laboratory of Fluid and Power Machinery Ministry of Education,Department of Mechanical Engineering,Xihua University, Chengdu 610039, China )

In this paper, a mechanism which can simulate the wear performance of oil pipeline is designed. The mechanism can easily take the place of the test pipe by the two key components of pipeline replacement and clamping device. At the same time, it can conveniently provide the required pipeline test angle, and then make a study of the effect of pipe bending angle, fluid medium, fluid density, fluid velocity and flow rate on the wear performance of different materials, as a result, the material and placement angle of the pipeline with different fluid characteristics can be optimized, the wear of the fluid medium to the pipeline can be reduced, and the service life of the pipeline can be improved. In addition, the mechanism is equipped with a fluid backflow device to ensure the economy of the engineering and the green energy-saving of the engineering.

pipe；wear；fluid medium；pipe angle

TE973

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.03.012

1006－0316 (2020) 03－0067－04

2019－09－18

西華大學(xué)“青年學(xué)者后備人才”支持計(jì)劃項(xiàng)目資助（DC1900007149）

練鴻波（1997－），男，四川內(nèi)江人，本科生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

馬蕾（1987－），女，河南漯河人，博士，講師，主要方向?yàn)闄C(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)、高速摩擦制動(dòng)，E-mail：sheshuyuan@163.com