輸油管道性能監測平臺設計

練鴻波，馬蕾，朱琦，楊洋，鐘雯

輸油管道性能監測平臺設計

練鴻波，馬蕾*，朱琦，楊洋，鐘雯

（西華大學 機械工程學院 流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039）

設計了一種能夠模擬輸油管道磨損性能的機構。通過管道更換和夾持裝置兩個關鍵部件，機構能夠實現簡便地更換測試管道，同時能夠輕松地提供所需要的管道測試角度，進而研究管道彎角、流體介質、流體密度、流體流速流量等參數對不同材質輸油管道磨損性能的影響，從而優化輸油過程中對輸送不同的流體特性管道的材質和放置角度，減少流體介質對管道的磨損，提高管道壽命，并且該機構配備流體回流裝置既保證工程的經濟性又使其綠色節能。

管道；磨損；流體介質；彎角

石油工業作為國家發展的基礎行業，在國民經濟發展中占有極為重要的地位。在石油運輸過程中，由于多相流介質對石油運輸管道存在沖刷磨損[1]。目前管道運輸在運輸方式中占很大的比例，而且經常需要通過管道進行多相流介質的混輸，在此過程中管道會被逐漸磨損變薄，甚至產生形變。管道的材質和彎曲角度都會對管道的壽命有所影響[2]，運輸管道不論是鋪設在地下還是水下，都要受到外界土壤、水、空氣等對管道外壁的腐蝕[3]，在管道接頭處，由于路線的急劇改變，常常發生管壁穿孔現象[4]。同時，多相流介質自身的化學特性，又會導致輸送管道壁上出現腐蝕現象[5]。管道在被磨損及腐蝕后，其抗壓能力、抗疲勞性能等均會有所降低，造成工作效率下降，還會縮短機器的使用壽命[6-7]。所以通過實驗來探尋針對不同輸送物質所對應的耐磨耐腐蝕性管道材質是十分有必要的。在現已研發的多種磨損實驗機的基礎上[8]，輸送管道外壁防護技術已比較成熟，本研究針對輸油管道易出現損傷的接頭部位和管道內壁進行了磨損模擬機構的研發，從而能有效地監測出易損部位在不同工況下的磨損情況，以便進行優化分析，更好改進機構的監測性能。

管道運輸在石油和天然氣的運輸過程中已經被大規模采用，但近年管道安全事故也層出不窮，這不僅會造成經濟損失，同時也對人身安全存在很大隱患[9]，所以人們加大了對輸送管道磨損腐蝕情況的研究。目前國內外主流研究方法分為兩種：數值模擬研究和實驗研究[10]。高萬夫[11]等人，通過氣固兩相流對不同材質的彎管進行了沖蝕實驗，研究了一系列影響管道彎頭磨損率的因素。張一帆[12]通過數字模擬和實驗研究的方法，主要研究了稀相氣力輸送中閘閥內部顆粒流動特征及主要壁面的磨損分布，研究發現最大磨損均發生在壁面靠近流道處。同時，減少管道系統的磨損既須考慮流體特性，又要兼顧人為因素在管道運輸過程可靠性分析中的重要作用。目前所研究的管道系統的可靠性實際上僅僅考慮了管道設備系統本身，并沒有建立影響管道系統安全的人為因素體系。因此，對油氣長輸管道系統中人為因素進行分析，有利于更進一步研究人－機系統的可靠性，真正掌握管道系統的可靠性[13]。

1 機構設計方案

1.1 主要結構功能

圖1為機構整體結構示意圖。

1.流量傳感器2.圓環支架3.彎管4.機架5.圓盤6.供梯形滑塊安裝和更換的開口7.圓形滑槽8.液體箱9.液壓泵10.過濾器11.計算機控制系統

從圖1可以看出機構主要分為三個部分：輸油管道置換裝置、油液儲備及運輸設備、計算機控制系統。

機構的輸油管道置換裝置由圓盤5及安裝在圓盤上的圓環支架2、彎管3、供梯形滑塊安裝和更換的開口6、圓形滑槽7構成，主要實現彎管的安裝、更換及角度調節等功能。其中，靠近圓形滑槽的圓盤頂面上設有刻度表，通過移動夾具以研究管道彎曲程度對管道磨損的影響；圓環支架豎向設置，圓環支架的底部通過固定桿固定在機架上，圓環支架的圓孔直徑與圓盤外徑相當，圓盤嵌進圓環支架的圓孔中且圓盤的端面與圓環支架的環面相互垂直，圓盤通過設置在其側部的兩組對向設置的可拆卸導軌固定在圓環支架上。

油液儲備及運輸設備由液體箱8、液壓泵9、流量傳感器1和過濾器10組成，為實驗過程提供流體介質的儲備、運輸功能，同時實現流體的過濾及流量監控。

計算機控制系統11可設定實驗流體介質相關參數，并采集液壓泵9、過濾器10、流量傳感器1的瞬時數據，對實驗過程進行實時反饋監控，使實驗數據具有穩定性及可靠性。

實驗過程中，流體介質經液體箱由管道出液口流入液壓泵，流過過濾器后，由管道及測試裝置經管道回液口流回液體箱。液體箱可以為整個機構儲存和提供實驗所需的流體介質，方便實驗流體介質的隨時更換。同時流體介質在整個機構上完成一個工作周期后還能夠流回液體箱，實現流體介質的重復利用，從而提高機構整體的經濟適用性。液體箱上方的機架能夠起到良好的穩定支撐作用，不僅能有效支撐起運輸管道和圓盤等結構，而且還能起到一定的緩沖減震作用。液壓泵能夠調節介質運輸過程中流體流速和流量。在液壓泵的出口，管道內部還安裝有一個可更換的過濾器，能夠為實驗人員提供理想密度的介質，即可進行同種介質在不同密度工況下的磨損模擬實驗。輸油管道置換裝置通過四個管道夾具可夾持半徑在一定范圍內的管道，便于更換不同材料和尺寸的管道。通過調節四個夾具間的相對位置，可安裝不同彎曲度的彎管，以研究管道彎角對管道磨損性能的影響。在計算機控制系統中，通過計算機控制液壓泵流量，流量傳感器可測出進入試驗管道前流體介質的速度，并通過計算機計算出流體介質對管道的沖擊力，借助微觀測試技術分析管道磨損情況，從而建立不同工況下流體介質沖擊力與管道磨損率之間的關系。

1.2 設計原理

輸油管道運輸結構一旦建成，其設計使用壽命一般為20年。在需要進行遠距離輸送的任務中，對管道的要求極其關鍵。管道的好壞對后期維護成本的高低、運輸效率都有著至關重要的影響。在整個運輸過程中，一旦管道出現破損，將導致巨大的材料浪費，同時也需要維修人員及時出現在破損的管道處進行維修，結果不僅僅加劇了成本的投入，還會導致運輸效率下降，從而造成各個方面的影響。輸油管道性能監測平臺將通過實驗所得的客觀數據為輸送管道的選擇提供科學依據，同時將提高整個輸送網絡的運輸效率、降低管道的破損概率，從而大大減少后期維護的投入和材料的浪費。

實驗裝置能有效模擬各種工作環境，操作人員可以根據管道的實際工作環境進行布置，例如管道埋在什么性質的土壤下、管道受到的外部壓強是多少等因素。而最重要的實驗參數都可以通過計算機設定來進行實驗，例如流體介質在管道運輸過程中的速度。在整個運輸過程中最容易破損的部位是彎管處，所以試驗裝置進行了重點突出，無論是什么樣的彎曲角度都可以通過圓形滑槽進行設定，從而符合實際工作環境。

實驗裝置的優點在于，第一，對實驗空間的需求相對較小，進行實驗的管道只用截取部分；第二，可以測試不同彎曲程度的管道；第三，整個實驗過程采用循環系統，使裝置節能環保；第四，能模擬各種需要的實際工作環境，使實驗結果更加滿足客觀規律。

2 關鍵機構設計

機構的關鍵是管道更換與夾持裝置，主要由安裝在圓盤滑槽上的兩個V型壓塊I和滑塊II組成，如圖2所示。

兩個V型壓塊對向設置并通過螺釘固定，且二者之間配合形成固定輸油管道的夾持腔，位于下端的V型壓塊通過固定桿與滑塊連接，滑塊置于圓形滑槽中，并通過套裝在固定桿上的螺母與圓盤表面貼靠以調節滑塊松緊，夾具上固定實驗用彎管（可為兩通或三通或四通接頭），通過夾持腔上的管道相互連接形成管道通路。

I.V型壓塊II.滑塊

圓形滑槽截面呈梯形，滑塊為與梯形滑槽配合的梯形滑塊，圓形滑槽上開設有供梯形滑塊安裝和更換的開口。圓環支架與圓盤上均設有刻度表，能測量管道與水平方向的夾角，并通過移動夾具來改變管道的彎曲角度與傾斜角度，用于研究彎角及傾斜角度對管道磨損的影響。該機構能有效模擬出不同管道接頭處的接合情況和所需的接合角度，以此模擬出不同實際工況下的工作狀態，使監測出的數據更加真實可靠。

3 結論

本研究針對輸油管道的磨損問題設計了一種輸油管道磨損模擬機構。機構結構合理、測量方便，可以模擬多通道多材質管道在不同流體介質、不同輸送密度及速率工況下的輸油管道內壁磨損情況，為實際工程應用中輸油管道對不同流體介質的材質選取、彎曲度、傾斜度等問題提供最佳的科學解決方案，從而提高管道的使用壽命，增強管道運輸系統的可靠性，降低安全事故的發生，減少運輸成本。

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Design of Performance Monitoring Platform for Oil Pipeline

LIAN Hongbo，MA Lei，ZHU Qi，YANG Yang，ZHONG Wen

( Key Laboratory of Fluid and Power Machinery Ministry of Education,Department of Mechanical Engineering,Xihua University, Chengdu 610039, China )

In this paper, a mechanism which can simulate the wear performance of oil pipeline is designed. The mechanism can easily take the place of the test pipe by the two key components of pipeline replacement and clamping device. At the same time, it can conveniently provide the required pipeline test angle, and then make a study of the effect of pipe bending angle, fluid medium, fluid density, fluid velocity and flow rate on the wear performance of different materials, as a result, the material and placement angle of the pipeline with different fluid characteristics can be optimized, the wear of the fluid medium to the pipeline can be reduced, and the service life of the pipeline can be improved. In addition, the mechanism is equipped with a fluid backflow device to ensure the economy of the engineering and the green energy-saving of the engineering.

pipe；wear；fluid medium；pipe angle

TE973

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.03.012

1006－0316 (2020) 03－0067－04

2019－09－18

西華大學“青年學者后備人才”支持計劃項目資助（DC1900007149）

練鴻波（1997－），男，四川內江人，本科生，主要研究方向為機械結構設計。

馬蕾（1987－），女，河南漯河人，博士，講師，主要方向為機械創新設計、高速摩擦制動，E-mail：sheshuyuan@163.com