基于ANSYS 模擬的管道堵塞預測分析

邱春斌 孫向東 冷緒林 王國鋒

1中國石油天然氣股份公司西氣東輸管道分公司

2杭州和利時自動化有限公司

3中國石油管道局工程有限公司設計分公司

4中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司

由于受管道變形或腐蝕、輸送介質物理特性、外界環境條件、清管器堵塞等因素的影響，輸送管道內容易形成堵塞[1]。若不能及時處理，堵塞情況會持續惡化，管道內壓力急劇上升，引發管道泄漏或爆管等問題，造成巨大經濟損失[2]。目前，用于檢測管道堵塞的方法主要包括：超聲波法、負壓波法、頻率響應法、儀器探測法和γ射線法等，這些方法需開挖管道、配套相應測量儀器、多次重復測試管道堵塞情況，操作量大、費用高，且排堵時間長，嚴重影響管道輸送任務的完成。基于此，本文對輸送管道堵塞進行系統實驗設計，運用ANSYS仿真軟件模擬分析不同堵塞情況下對輸水管道沿線特別是靠近堵塞部分的管內壓力的影響，提供一種依據管道起始點間壓降定量預測堵塞的方法，并通過實驗驗證該方法的實用性與準確性，為改進和簡化管道堵塞問題提供必要的理論支持。

1 仿真模擬

1.1 模型建立

通過ANSYS 軟件建立三維管道模型，圖1a 為正常輸送水平管道模型，圖1b 為管道堵塞模型，為了降低模擬計算的復雜度，可將堵塞管段的邊界規則化處理，將其等效視為變徑管道。輸送管道的堵塞情況可用堵塞位置、堵塞強度和堵塞長度表示。堵塞位置即堵塞段起點到管道入口的距離；堵塞長度即模型中變徑管的長度；堵塞強度為堵塞面積占管道流通面積的百分比。因此，通過調整變徑管段的位置、長度及內徑，來模擬輸送管道不同堵塞位置、堵塞長度和堵塞強度。考慮到仿真結果與實驗結果的對照性，用于仿真的管道模型長2 m，管道內徑為20 mm，管內介質為水相，模型中所涉及的具體管道參數見表1。

圖1 輸送管道ANSYS 仿真模型示意圖Fig.1 ANSYS simulation model schematic diagram of transportation pipeline

表1 CFD 計算模型參數Tab.1 Parameters of CFD computational model

采用ANSYS 中的MODELER 和MESH 模塊對管道模型進行模型建立和網格劃分。采用四面體網格劃分方法，將管道堵塞模型劃分成350 000 個網格。一般采用偏度作為評價網格劃分優劣的評價指標，偏度值低于0.8 即可評為優質網格[3-4]。截取輸送管道的偏度截面圖（圖2），可以看出偏度值大多低于0.22，因此，可以判定該堵塞模型可以用于管道堵塞模擬計算。

1.2 模擬內容及方案

利用所建的三維管網模型模擬并分析穩態情況下輸送管道前后的沿線壓力、壓力梯度變化趨勢，選取平行于管道軸線且處于不同徑向位置的壓力及壓力梯度值，繪制沿線壓力與壓力梯度的變化曲線。主要工況包括輸送管道正常運行模擬、出現管道堵塞后的壓力變化模擬，以及不同堵塞情況對沿線壓力及管道起始點間壓降的影響模擬。根據所模擬的研究內容，選擇合理的運行參數作為管道模型的邊界條件，然后進行模擬分析，共設計11 組模擬方案對處于正常運行和含堵塞運行的管道進行模擬，具體模擬方案如表2 所示。

圖2 三維管網模型網格圖Fig.2 Gird chart of 3D pipeline network model

表2 輸送管道仿真模擬方案Tab.2 Simulation scheme of transportation pipeline

2 堵塞對管內壓力分布的影響

2.1 正常運行

運行表2 中的方案1，即由ANSYS 建立的無堵塞輸送模型，管道沿線壓力、壓力梯度經過多次試算，即可以達到穩定運行狀態（圖3）。分析可知，該輸送管道穩定運行，沿線壓力呈遞減趨勢且緩慢下降，壓力梯度分布是一條變化不明顯的直線，其因管道起終點間摩阻損失較小所致。經過數值擬合，該管道沿線壓力分布的擬合關系式為：y=7.94x2-265.66x+14 298.89（確定系數R2=1）的二次函數，這與管道輸送沿線實際壓力變化一致[5]。

圖3 輸送管道正常運行時沿線壓力、壓力梯度變化曲線Fig.3 Variation curve of pressure and pressure gradient when the transportation pipeline operates normally

2.2 管道堵塞

運行表2 中的方案2，為對照方便，該管道堵塞模型設為標準模型（圖1b），當管道達到穩定狀態時即可得到管道堵塞后沿線壓力變化曲線（圖4）。取管道中心線和平行于中心線且低于堵塞邊界1 mm、2 mm、5 mm 的平行線，導出相應壓力梯度值繪制成沿線壓力梯度變化曲線（圖5）。由圖4、圖5 分析可知，輸送管道發生堵塞后，由于運行面積減小，使得管道起終點間壓降、壓力梯度增大，且主要集中在堵塞管段，尤其越靠近堵塞邊界，壓力梯度變化幅度明顯。因此，可以通過檢測輸送管道起始點間壓降以及壓力分布曲線的突變點來檢驗及定位堵塞情況。

圖4 輸送管道堵塞運行時沿線壓力變化曲線Fig.4 Variation curve of pressure when the transportation pipeline operstes with blockage

圖5 輸送管道堵塞運行時沿線壓力梯度變化曲線Fig.5 Variation curve of pressure gradient when the transportation pileline operates with blockage

圖6 輸送管道堵塞運行時沿線壓力分布曲線Fig.6 Pressure distribution curve when the transportation pileline operates with blockage

圖7 輸送管道堵塞運行時湍動能分布曲線Fig.7 Turbulence kinetic energy distribution curve when the transportation pileline operates with blockage

為更加直觀對照管道堵塞位置的壓力分布變化，取管道中心線所在軸面，導出該平面的壓力平面圖。如圖6 所示，當管內流體流經堵塞位置時，壓力變化明顯，因管內流通面積減小導致管流流速劇增，迫使管內壓力急劇降低；若管段堵塞距離較長，會進一步造成動力勢能和壓力勢能的損耗，從而造成管輸任務低效運行。同樣，通過截取管道中心線軸面的湍動能分布曲線（圖7），進一步驗證管內流體流經堵塞位置時，湍動能因管流的劇烈激擾而增大，經粗算可知，湍動能差距可達400 倍，劇烈、長時間的堵塞狀況，極易誘發管段腐蝕、斷裂的情況發生。

2.3 不同堵塞位置

為對比分析堵塞位置對管道沿線壓力、壓力梯度的影響，另選取三組不同堵塞位置與標準模型進行對比模擬，具體參數見表2 中第3、4、5 組方案，堵塞位置為距離管道起點0.2 m、1.0 m、1.4 m。當管道模型達到穩定狀態時，即可得到由不同堵塞位置引起的沿線壓力、壓力梯度變化曲線，如圖8、圖9 所示。分析可知，管道起終點壓降主要集中在堵塞管段部分，因不同堵塞位置所導致的起終點壓降之間的差異很小。管道沿線壓力、壓力梯度分布趨勢基本相同，因此，不宜采用管道起終點壓降值來預測分析堵塞位置。

圖8 輸送管道在不同堵塞位置運行時沿線壓力變化曲線Fig.8 Variation curve of pressure when the transportation pipeline operates with blockage in various locations

2.4 不同堵塞強度

為對比分析堵塞強度對管道沿線壓力、壓力梯度的影響，另選取三組不同堵塞強度與標準模型進行對比模擬，具體參數見表2 中第6、7、8 組方案，堵塞強度設為30%、80%、90%。當管道模型達到穩定狀態下，即可得到由不同堵塞強度引起的沿線壓力、壓力梯度變化曲線，如圖10、圖11 所示。分析可知，管道起終點間壓降隨堵塞強度的增大而顯著增大，相應壓力梯度呈現相同的變化趨勢，壓力和壓力梯度的突變主要集中在堵塞入口與出口位置，尤其是當設定堵塞強度為90%時，最大壓力梯度可達到-8.0×106Pa/m。

圖9 輸送管道在不同堵塞位置運行時沿線壓力梯度變化曲線Fig.9 Pressure gradient variation curve when the transportation pileline operates with blockage in various locations

圖10 輸送管道在不同堵塞強度運行時沿線壓力變化曲線Fig.10 Pressure variation curve when the transportation pipeline operates with different blockage strengths

圖11 輸送管道在不同堵塞強度運行時沿線壓力梯度變化曲線Fig.11 Pressure gradient variation curve when the transportation pipeline operates with different blockage strengths

2.5 不同堵塞長度

為對比分析堵塞長度對管道沿線壓力、壓力梯度的影響，另選取三組不同堵塞長度與標準模型進行對比模擬，具體參數見表2 中第9、10、11 組方案，堵塞長度設為0.02、0.20、1.0 m。當管道模型達到穩定狀態時，即可得到由不同堵塞長度引起的沿線壓力、壓力梯度變化曲線，如圖12、圖13 所示。管道起終點間壓降隨堵塞長度的增大而逐漸增大，管道沿線壓力在堵塞管段部分有明顯變化。參照沿線壓力梯度分布曲線可知，除堵塞部分壓力梯度趨勢一致外，堵塞部分壓力梯度明顯隨堵塞長度增加而增大，尤其在堵塞部分起始點位置，壓力梯度最大值可達到-1.4×105Pa/m。

圖12 輸送管道在不同堵塞長度運行時沿線壓力變化曲線Fig.12 Pressure variation curve when the transportation pipeline operates with different blockage lengths

圖13 輸送管道在不同堵塞長度運行時沿線壓力梯度變化曲線Fig.13 Pressure gradient variation curve when the transportation pipeline operates with different blockage lengths

2.6 堵塞預測模型

考慮到不同堵塞位置模擬結果對起始點間壓降影響不明顯，故本節對堵塞位置不做分析。依據不同堵塞強度和堵塞長度下管道起始點間壓降變化規律，引入無量綱分析，將堵塞強度、堵塞長度及相應情況下管間壓降轉變為無量綱量，并繪制壓降變化曲線，如圖14 所示。

圖14 輸送管道在不同堵塞情況下沿線壓降變化曲線Fig.14 Pressure drop variation curve of the transportation pipeline under different blockage conditions

依據曲線變化趨勢對其進行擬合分析，可得到用于堵塞檢測的預測模型，即

式中：Δp、Δp′為管道無堵塞和有堵塞情況下的起始點間壓降，Pa；A、A′為管道無堵塞和有堵塞情況下的流通面積，mm2；L為管道流通長度，m；L′為管道有堵塞情況下的堵塞長度，m。

依據此預測模型，可利用管道起始點間壓降來判斷是否存在堵塞情況，若待檢管道起始點間壓降明顯大于其正常運行時的壓降，則可判斷該管道存在堵塞情況。將管道運行數據輸入預測模型，可求得關于堵塞強度和堵塞長度的唯一解，用于及時實施排堵措施。

3 實驗驗證

為驗證文章中提出的輸送管道堵塞預測模型，需進行相應堵塞實驗，通過實驗驗證該方法的可操作性和實用性。

3.1 實驗系統設計

實驗系統由水箱、管道、計算機三部分組成，包括水泵、儲水箱、流量計、堵塞管道、管道起始點間壓力計、數據采集系統，圖15 為輸送管道堵塞實驗系統。輸水流量由流量計計量，從水泵排出的水經輸送進入目標管道，通過目標管道起始點的壓力計來計量壓降變化，通過使用變徑管來模擬目標管道的堵塞情況，不同堵塞情況下的壓力變化由數據采集系統自動記錄，并傳輸到計算機部分保存。

圖15 輸送管道堵塞實驗系統Fig.15 Blockage experiment system of transportation pipeline

3.2 實驗方案設計

由于不同堵塞情況的組合數量較大，不宜對全部組合進行評價，故針對單個堵塞案例，指定堵塞管段中心線與運行管道的中心線重合，在此基礎上選取管道流通面積的50%、80%、90%作為不同的堵塞強度，選取堵塞長度為0.1 m、1.0 m、1.8 m。將上述數據組合可得到具體實驗方案。

3.3 與堵塞預測結果對照分析

為了對比預測模型與實驗結果的精確度，確定不同堵塞長度、堵塞強度對堵塞檢測的影響，依據實驗方案參數表中所列數據，代入到預測模型中，計算出預測管間壓降與實驗所得壓降的誤差情況。具體結果如表3 所示。

由表3 可知，實驗管間壓降與預測模型所計算的管間壓降之間的誤差不大，維持在10%左右，且預測模型對堵塞強度的檢測精度略低于對堵塞長度的檢測精確度，其中預測堵塞強度所得的管間壓降均低于實驗值，這是由于在實驗管道堵塞部分流通面積的突變以及彎頭閥門的存在，導致大量動勢能損失，使得管間壓降大于預測模型的計算值。

3.4 與Hysys 堵塞分析結果對照分析

為了進一步驗證堵塞模型的準確性，建立輸送管道Hysys 仿真模型（圖16），由異徑管段和管件接頭構成管道堵塞模型。

圖16 輸送管道Hysys 仿真模型示意圖Fig.16 Hysys simulation model schematic diagram of transportation pipeline

經運行可得到管段的沿程壓力分布情況，堵塞1 情況的Hysys 模擬結果如圖17 所示。對比ANSYS堵塞模擬結果可知，管道內沿程壓力變化趨勢基本一致，管段堵塞造成管道沿程壓降急劇降低；計算出預測管間壓降與模擬實驗所得壓降的誤差情況，具體結果如表4 所示，模擬管間壓降與預測模型所計算的管間壓降之間的誤差低于20%，這與堵塞實驗對照結果一致。

圖17 Hysys 模擬輸送管道堵塞運行時沿線壓力變化曲線Fig.17 Pressare variation curve when the Hysys simulation transportation pipeline operates with blockage

表3 輸送管道實驗結果與預測結果對照Tab.3 Comparison between experimental and predicted results of transportation pipeline

表4 Hysys 模擬輸送管道實驗結果與預測結果對照Tab.4 Comparison between experimental and predicted results of Hysys simulation transportation pipeline

4 結論

基于ANSYS 仿真模擬，研究了在不同情況下管道堵塞對管道沿線壓力、壓力梯度的影響，基于無量綱分析提出了管道堵塞預測模型，并采用管道實驗進一步驗證了該模型對堵塞情況的預測精度和準確度，具體研究結論如下：

（1）當正常運行的管道在某處發生堵塞時，管道起終點間壓降明顯增大，且堵塞管段處的壓力、壓力梯度將發生突變，其余管段壓力梯度與無堵塞管道壓力梯度基本一致。

（2）對不同管道堵塞情況仿真模擬和分析結果表明：不同堵塞位置對管道起終點間壓降影響不大，管線沿線壓力、壓力梯度變化趨勢基本一致，主要變化集中在管段堵塞部分；隨著堵塞強度逐漸增大，管道起始點間壓降隨之增大，相應壓力梯度呈現相同的變化趨勢；隨著堵塞長度的逐漸增大，管道起始點間壓降逐漸增大，堵塞部分壓力梯度也隨之增大。

（3）管道堵塞前后管間壓降發生劇烈變化，可由此判斷堵塞情況是否存在。依據無量綱分析方法提出了管道堵塞預測模型，并設計相應管道實驗對其準確性進行驗證，結果表明：預測模型結果與試驗結果的誤差維持在10%左右，且預測模型對堵塞長度的預測精度高于對堵塞強度的預測。