管道腐蝕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軟件建立管道腐蝕，并針對管道受腐蝕狀態進行計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真計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管道的形變。結果表明：管道每腐蝕2mm，管道的形變量最大將增大至5.2x10-9m。

【關鍵詞】CFD模擬管道泄漏管道監測

1引言

目前，國內外的原油、天然氣等流體介質大多數是通過管道來進行運輸。能源的消耗伴隨國民經濟的飛速發展逐年增長。隨著國家經濟的迅猛發展及石油需求量的日益增長，我國成品油管道建設正處于一個快速發展的時期。中國石化系統已建成的管道有西南成品油管道、珠江三角洲管道、魯皖管道等多條成品油管道。我國現有原油管道多數為20世紀70年代至90年代建成，運行期限基本超過20年，其中，東北原油管網已連續運行40年，進入易發生事故的風險期，管道螺旋焊縫缺陷和腐蝕等風險因素較多，安全生產形勢比較嚴峻[1]。因此，了解油氣管道的運營狀態，及時找到管道運輸過程中出現的問題，對于保障管道安全正常運營，保護國民經濟及生命財產安全起至關重要的作用。

2建立模型

2.1物理模型

以某陸地露天架空原油管道為例使用Ansys軟件的Design Modeler工具建立管道模型如圖（1）所示，管道長2m、外徑220cm、管壁厚7.5mm；并分別建立管道泄漏及受腐蝕狀態時的管道模型。泄漏管道模型為：泄漏位置置于管道中間，泄漏孔形狀均不相同。腐蝕管道模型為：設管道腐蝕為均勻腐蝕，管道腐蝕厚度分別為0. 5mm、1.0mm、1.5mm。

2.2仿真條件

管道材質選取輸油常用管道的20#鋼，彈性模量210GPa，泊松比0.3，密度為7800kg/m3，屈服強度245MPa。內流介質為液態成品油，密度為1200kg/m3，動力粘性為1.3x10-3Pa。

在穩態仿真計算時采用k-？模型，迭代中壓力速度耦合采用SIMPLEC，以提高收斂速度，為提高計算機計算速度采用二維非定常流動模型。在單向流固耦合仿真計算時對管道進、出口采用零位移約束。

邊界條件：

管道入口流速為1m/s；

管道出口處壓力等于1000Pa；

管道泄漏孔處的壓力等于0Pa[9]；

2.3失效準則

根據第三強度準則，當腐蝕缺陷區的等效應力超過屈服極限強度認為失效。采用基于這種彈性失效的準則，Von Mises表達式：

式中：σs為屈服應力，MPa；σ1、σ2、σ3分別為3個方向上的主應力，MPa。

3仿真結果分析

圖（2）為不同腐蝕程度與無腐蝕的原油管道變形分布云圖，變形量及受壓狀況如表（1）所示。可以看出：管道在無泄漏運行狀態下，其各部位變形量呈較均勻分布。在相同管道內部壓力下，當管壁變薄或者被腐蝕時管道的總變形量會發生改變，且隨著管道腐蝕程度的加深管道的變形量變大。但均未達到失效極限。

（a）無腐蝕；（b）內壁腐蝕1mm；（c）內壁腐蝕2mm；（d）內壁腐蝕3mm；

5結論

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下的形變當管道被腐蝕時，管道的變形量會隨著腐蝕程度的增大而增大。因此，可以選擇光纖光柵傳感器檢測管道的形變量，從而監測出管道的腐蝕狀況

資助：吉林省大學生創新訓練項目，基于光纖光柵應變傳感器的輸油氣管道滲漏監測系統的研究，2018S1094

參考文獻：

[1]朱紅鈞.ansys+14.5熱流固耦合實戰指南[M]..北京：人民郵電出版，2014.4

[2]韓泓池，何青，李景翠，崔志斌.泄漏孔形狀對泄漏特性的影響分析[J].電力科學與工程，2018，34（1）：73-78.

[3]付建民，趙洪祥，陳國明，鄭曉云，朱淵，任婷.裂口幾何形態對輸氣管道小孔泄漏的影響[J].天然氣工業，2014，34（11）： 128-133.

[4]Sousa CAD， Romero OJ. Influence of oil leakage in the pressure and flow rate behaviors in pipeline[J]. 2017， 4（1）：17.