10吋射流清管器閥門受力模擬與驗證

劉慧勇 曲杰 陳秋華 尹文濤 李明月

摘要：射流清管器是一種清除管道內(nèi)雜質(zhì)沉積、滯留液的設(shè)備，為了使射流清管器在清管過程中順利工作，發(fā)生卡堵工況時能盡量快速重啟，本文設(shè)計模擬實驗，計算閥門受力值，從而進行彈簧選型，保證在受力下限值可以關(guān)閉射流孔的閥門，防止射流清管器卡堵。

關(guān)鍵詞：射流清管器;計算流體力學(xué);試驗驗證

1概述

天然氣凝析液管道輸送過程中，由于氣液兩相發(fā)生滑脫現(xiàn)象，易在管道中形成滯留液，減小了管道輸氣面積，降低了輸氣效率，運行成本上升。對這類管道大都采取定期投放清管器的方法來清除滯留液，為解決傳統(tǒng)清管器運行速度過快導(dǎo)致的清管器和管道過度磨損、清管效果差、滯留液處理難等問題，中海油相關(guān)項目研發(fā)了射流清管器。

其中，射流清管器的閥門受力如何確定，決定了彈簧選型的方案和準確性。針對多變的管道工況，試驗確定閥門受力成本高、周期長、可行性受試驗場地條件制約，因此通過試驗驗證FLUENT等模擬軟件的閥門受力計算結(jié)果這一方法的合理性和規(guī)律，為日后以模擬結(jié)果單獨決定閥門受力提供理論基礎(chǔ)。

2???? 射流清管器結(jié)構(gòu)和工作原理簡述

射流清管器在管內(nèi)工作主要依靠它的三大結(jié)構(gòu)（主軸、旁通、緊固）組成部分[1]。其結(jié)構(gòu)圖如下：

3???? 模擬計算

3.1? 模擬基本思想

管道內(nèi)運行的射流清管器與管壁、閥門有相對運動，可通過固定網(wǎng)格簡化模型，對兩端壓差和內(nèi)部閥門受力進行模擬實驗，具體簡化為：1、由于清管器在管道內(nèi)相對運動，所以假設(shè)清管器固定，將速度看成氣速和清管器自身運行速度的差值;2、由于清管器本身具有清淤功能，幾乎不會有卡堵現(xiàn)象，因此將閥門手里可以看作管道內(nèi)氣體單向流動。根據(jù)這兩個簡化思想，本文設(shè)計具體方法解決射流清管器閥門上的受力值模擬。

根據(jù)射流清管器的設(shè)計，利用Solidworks軟件建立清管器實體3D模型，將模型用ICEM劃分好網(wǎng)格，保存好模型，用Fluent打開，對其模型、邊界條件進行設(shè)置，全部操作完成后開始迭代計算，當計算的壓力結(jié)果數(shù)據(jù)集合收斂后，可得到射流清管器閥門上受力的模擬值。

3.2? 混合網(wǎng)格劃分

模擬清管器在管段內(nèi)工況，對其模型進行網(wǎng)格劃分[3]。為保證網(wǎng)格方向與管內(nèi)流體方向一致，用COOPER方法使模型生成規(guī)則的六面體結(jié)構(gòu)，保證網(wǎng)格線之間的正交關(guān)系，這樣使離散誤差最大限度被控制的同時，還能使計算機計算時更穩(wěn)定，快速，節(jié)約計算機占用比例。

如2圖所示：為了得到高質(zhì)量網(wǎng)格，簡化流道結(jié)構(gòu)，對管道進行切割，分三部分進行處理。

3.3FLUENT計算

利用K-ε模型進行測算，此模型的計算結(jié)果合理、速度壓力云圖對稱性和變化符合規(guī)律預(yù)期。同時考察各邊緣壓力點和閥門受力面狀況。

4.??? 驗證試驗

4.1? 試驗思路[4]

實驗管路設(shè)計如圖3所示，使用氣源和緩沖罐，通過一定長度的小尺寸管路進行整流，提供穩(wěn)定的氣體在通道內(nèi)流通，在小尺寸管路末端搭接10吋鋼管，作為實驗管段。按照管路設(shè)計圖，將流量計、壓力傳感器（微型）、射流清管器安裝在管路的各個位置，通過軟件系統(tǒng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)

射流清管器工作過程中，順利通行靠的是彈簧與閥門相互制約，其工作原理為[2]：1、正常運行時，速度均勻，通過旁通的氣量穩(wěn)定，作用在閥門上的力為均勻定值，同時這個力與閥門受到彈簧的預(yù)緊力相互抵消，使閥門在穩(wěn)定不動的狀態(tài)。2、當遇到阻礙時，運行速度變緩。導(dǎo)致前后通過氣量不同，使閥門兩側(cè)產(chǎn)生較大壓力差，因此作用在閥門上的力變大，閥門逐漸關(guān)緊，一段時間后閥門運行速度上升，是清管器克服阻礙，向前行進;3、當恢復(fù)正常速度時，因為氣體相對于清管器速度差值變小，作用在閥門上的力變小，閥門逐漸開啟，恢復(fù)原始狀態(tài)，從而使氣體旁通率穩(wěn)定，清管器正常運行。

4.2? 試驗步驟

按照設(shè)計搭建試驗管路，安裝管路上的設(shè)備、儀表、傳感器、數(shù)據(jù)記錄儀等。先將閥門固定到0mm位移處，然后將清管器整體固定到試驗段的目標位置。將管路入口流量依次控制在240到960m3/h每一個待測值左右，調(diào)試管路設(shè)備設(shè)施，確保系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。

開始測量，逐漸增大流量，使用壓力變送器測量/ 監(jiān)測壓力，差壓變送器測量壓差、流量計測量流量、微型測力計測量受力。針對不同入口流量，使用記錄儀采集流量、壓力、壓差、受力等數(shù)據(jù)。調(diào)整清管器閥門位移至下一個位移值，重復(fù)上述過程直到所有預(yù)設(shè)位移值測量完畢。

5.??? 對比與結(jié)論

5.1? 閥門受力隨氣體流速變化規(guī)律及對比

下圖中，縱坐標為閥門受力（單位N），橫坐標為氣速（單位m/s）。圓點線為試驗值，方點線為模擬值。

5.2對比結(jié)論與建議

根據(jù)試驗值的整理分析以及與試驗值的對比，我們可以得出以下結(jié)論。

1） 相同位移下，隨著氣速增加，壓差和閥門受力呈較為線性的曲線增加。

2） 相同氣速下，隨著位移增大，壓差和閥門受力整體上呈增加形勢。

3） 試驗值和模擬值走勢較為一致。

4） 閥門受力的模擬值與試驗值相差百分比平均值為20.9%，且試驗值基本大于等于模擬值。

通過分析，給出如下建議。

1. 可以考慮使用模擬值代替實際值進行彈簧選型。

2. 為保守起見，閥門受力應(yīng)引入小于1的系數(shù)，使得彈簧選型的選取值小于模擬值。

參考文獻：

[1] 徐孝軒，宮敬，鄧道明.多相流管道清管模型研究概況[J].中國海上油氣（工程），2003，15（4）：21-24.

[2] 張金成編著.清管器清洗技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2005.2.

[3] 于勇.FLUENT入門與進階教程[M].北京理工大學(xué)出版社，2008.[4]Minami K.Pigging dynamics in two-phase flow pipelines：experiment and modeling[J].SPE production facility，1995，10（4）：225-231.