大落差天然氣管道清管沖擊分析

　西南石油大學石油與天然氣工程學院

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石油與天然氣工程學院

中緬天然氣管道沿線地勢復雜，形成了很多的大落差管段，最大處可達1000多米，給清管作業帶來了相當大風險。針對某大落差管段，采用OLGA軟件分析了清管器在管內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力與位移變化。研究結果表明，清管器在作業時，管道內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小；在積液量較少情況下，清管器速度與持液率的增加對沖擊應力影響較小。

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的天然氣管道，在清管作業時，液體在清管器推動下經過大落差管段會產生較大的沖擊荷載，極易導致管道失效。國內學者多以實驗與數值模擬相結合的方式研究清管器在管道中的運行規律[1-2]，以及沿坡敷設輸氣管道的應力[3]。但關于大落差管道在清管作業時液體對管道沖擊影響的研究[4]，國內卻較少開展。根據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力與位移影響，以評估清管作業時管道的安全性。

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持液率的變化。

1.2清管器運行速度變化

設定管道穩定運行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，當清管器到達22#閥室后，清管器的速度出現了較大的波動，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，當清管進行26h后管內的持液率介于0.4～1.0之間；當清管進行31h后，管道持液率最大為1.0；當清管進行32h時，管線內的積液被清出，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。沿線管段參數和土壤參數見表1和表2。

2.2清管應力與位移分析

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）下管道的最大應力與位移，結果見表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

表2　土壤參數

由表3可知，在不同工況下，管道最大應力隨著管道內壓、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力影響較小，而管道內壓力的壓微小變化都將導致管道最大應力的顯著變化，表明管內壓力對管道最大應力的影響較大。

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。結果表明，土壤摩擦力足以抵消清管時液體對管道沖擊產生的位移，不會導致管道下滑。

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　結論

（1）管內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，管段所受最大應力為208.56MPa，但仍在許用應力范圍內，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生沖擊的過程中，管道不會發生明顯移動。

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

（4）隨著管內出現液體段塞，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。

[1]劉宏波，吳明，周立峰．輸油管線中清管器運行規律研究[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．沿坡敷設輸氣管道應力分析[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，2013，33（5）：101-103.

[5]葉斌．國內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：國家自然科學基金獎項目“天然氣管道跨越結構清管動力響應實驗及理論研究”（51174172）。

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

2015-04-26