管道泄漏引起原油管道形變的分析

鄒杰 張玉紅 高桂

【摘要】本文使用Ansys軟件建立管道泄漏模型，并針對(duì)管道受泄漏狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（computational Fhid DynanIics，CFD）仿真計(jì)算及單向流固耦合仿真。仿真出了原油管道在不同腐蝕程度及不同形狀泄漏孔狀態(tài)下管道的形變。結(jié)果表明：管道每腐蝕2mm，管道的形變量最大將增大至5.2xlO_9 m：當(dāng)管道泄漏時(shí)不同形狀的泄漏孔附近的形變量會(huì)發(fā)生改變且在泄漏孔附近的形變量為最大。

【關(guān)鍵詞】CFD 模擬 管道泄漏 管道監(jiān)測

1、引言

因此，國內(nèi)外研究者對(duì)于管道檢測及監(jiān)測技術(shù)手段展開了深入的研究，其檢測技術(shù)及相關(guān)手段呈現(xiàn)多樣性。總體而言，管道檢測可分為管道腐蝕檢測和管道泄漏檢測兩大方面。能夠同時(shí)用于管道腐蝕和管道泄漏的檢測及監(jiān)測方法主要包括：漏磁檢測、聲發(fā)射檢測和光纖傳感檢測。其中光纖類傳感技術(shù)在安全性、測量精度和長距離傳輸方面有明顯優(yōu)勢，可以滿足管道腐蝕及泄漏監(jiān)測的潛在要求。光纖傳感檢測技術(shù)是通過檢測管道的形變量，來判斷管道的運(yùn)行狀態(tài)。管道在腐蝕及泄漏狀態(tài)形變量會(huì)發(fā)生改變。為了檢測出管道的形變量，可以借助Ansys軟件進(jìn)行仿真，通過該軟件可以仿真出管道在不同狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況。根據(jù)仿真結(jié)果可以選擇適合的應(yīng)力傳感器，來檢測管道的形變量，從而達(dá)到管道監(jiān)測的目的。

2、管道泄漏仿真原理

流體的流動(dòng)應(yīng)遵循：質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒和化學(xué)組分守恒等一系列標(biāo)準(zhǔn)流體力學(xué)守恒方程組。不考慮管道連接處局部流體擾動(dòng)問題和傳熱問題，假定流體密度為常數(shù)，流體為不可壓流動(dòng)。該仿真中流體的控制微分方程分別如式（1）、（2）、（3）所示：

式中，Uj：J方向速度，單位：m/s;xi;i傳輸距離，單位：m;p：流體密度，單位：kg/（m/s）;T：溫度，單位K;Cp;混合流體的定壓比熱，單位：J/（kg-K）;Cpv：泄漏物質(zhì)的定壓比熱，單位：J/（kg-K）; Cpa：空氣的定壓比熱，單位：J/（kg-K）。

由于原油管道輸油速度較大且管徑較粗，導(dǎo)致雷諾數(shù)較大，因此管內(nèi)流體流動(dòng)一般屬于湍流狀態(tài)，在求解時(shí)的湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型，k—ε模型是由Launder和Spalding提出的雙方程模型，標(biāo)準(zhǔn)k一ε模型通過求解湍流動(dòng)能方程和湍流方程得到湍流動(dòng)能k和耗散率ε的解，湍流動(dòng)能方程和湍流牦散方程分別如式（4）、（5）所示

式中，p為介質(zhì)密度，單位：kg /m3;t為時(shí)間，單位：s;ui為i方向的速度，單位：m/s;x.為i方向的位移，單位：m;Xj為j方向的位移，單位：m;μ為分子粘度;μt為湍流粘度;Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，單位：J;Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，單位J;YM為可壓縮流體的湍流波動(dòng)擴(kuò)張對(duì)整體的耗散率的影響;C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε =0. 99為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);Sk和Sε為用戶定義源項(xiàng)。

3 仿真結(jié)果分析

圖（1）為不同直徑的泄漏圓孔與無泄漏的原油管道變形分布云圖，其變形量及受壓狀況如表（1）所示。通過對(duì)比可以表明：管道在正常工作狀態(tài)下管道的變形量呈較均勻分布狀態(tài)。在相同管道內(nèi)部壓力的情況下，當(dāng)管道泄漏時(shí)管道的變形量及泄漏孔附近的壓力會(huì)急劇增大：且不同形狀的泄漏孔附近的變形量都會(huì)變大且各不相同。

4結(jié)論

本文通過ANSYS Fluent軟件建立輸油管道耦合場模型，仿真出管道了在不同工作狀態(tài)下的形變，得出結(jié)論如下：管道在正常工作時(shí)變形量極小，當(dāng)管道一旦泄漏管道原有的狀態(tài)將被打破，泄漏孔附近的變形量會(huì)急劇增大。因此，可以通過檢測管道形變的變化來判斷輸油管道的工作狀態(tài)。

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資助：吉林省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，基于光纖光柵應(yīng)變傳感器的輸油氣管道滲漏監(jiān)測系統(tǒng)的研究，2018S1094。