油品粘度对输油管道弯管结构的影响规律分析

王桐宇，吴玉国, 李 娇，张梦轲，齐 林

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001; 2. 中国石化销售有限公司 湖南永州石油分公司，湖南 永州425000）

油品粘度对输油管道弯管结构的影响规律分析

王桐宇1，吴玉国1, 李 娇1，张梦轲1，齐 林2

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001; 2. 中国石化销售有限公司 湖南永州石油分公司，湖南 永州425000）

对于长距离输送管道而言，为了提高管道的输送效率，降低输送成本，如何有效地降低沿程损失便成为首要解决的问题。具有较高粘度的油品会大大增加输送过程中的沿程摩阻损失，为了更好地分析油品粘度对管道的影响，通过建立输油管道弯管结构的有限元力学模型，针对油品流经管道弯管时，油品粘度对管道温度场与应力场的影响规律进行分析。研究结果表明，油品粘度在增加管道沿程损失与局部摩阻损失的同时，也给弯管处温度场与应力场造成极大的影响，并且对管道温度场与应力场的作用规律不尽相同，这对输油管道弯管结构的安全性产生较大的危害。通过研究分析了油品粘度对管道的影响规律，为油品的降粘输送提供了理论指导依据。

油品粘度；管道弯管结构；应力场；温度场；数值模拟

随着我国经济的高速发展，能源的需求量也日益增大，由于以绿色能源为代表的新能源发展正处于起步阶段，因此化石能源依旧作为主要的能源提供，这使得石油与天然气工业不断的发展壮大，为了满足石油天然气等能源安全高效的供应，作为主要输送方式的长距离石油天然气输送管道，其建设规模也随之扩大。然而，在实际的能源输送过程当中，由于长输管道的输送距离较长，使得在管道输送过程当中产生较大的沿程摩阻损失，此外，长输管道沿途经过的地形地势复杂多变，同样会产生各种形式的局部摩阻损失，而沿程摩阻损失是消耗输送动力的主要影响因素，这在一定程度上降低了管道的输送效率、提高了输送成本，而从经济性的角度考虑，为了提高长输管道的输送效率，需要从多方面降低管道输送的沿程摩阻与局部摩阻损失，这需要巨大的经济支出，并且在一定程度上也降低了石油天然气能源利用的经济性[1,2]。目前，对于降低输油管道沿程阻力的方法有很多，而从油品本身的角度考虑，降低油品的输送粘度是目前降低油品输送过程当中产生阻力较为常见的方法[3]。

目前，采用的主要方法是通过升高油品的输送温度，以及与稀油混合来实现降低油品的粘度，根据不同的输送条件与不同的输送任务，合理的采用升温降粘与掺稀降粘方法。油品粘度的增加不仅降低了输油管道的输送效率，提高输送成本，也会对管道本身造成一定的影响，对于长直输油管道而言，油品的粘度增加了管道沿流向的摩阻，使管道产生额外的轴向应力，但这不会对管道本身结构造成影响[4,5]；而当管道流经长输管道特殊结构时，如弯管结构，由于管道结构的特殊性，随着油品本身性质发生改变，特别是油品粘度的改变，对输油管道结构也会产生较大的影响[6,7]。

近些年国内学者对于输油管道弯管结构的研究较少，而且主要集中在对输油管道应力场的数值计算分析上，但对于油品性质参数的改变对管道性能的影响规律研究较少。徐方成[8]通过实验分析，重点研究了管道内压的改变对弯管应力场的影响规律，但未考虑管道所输送介质对管道的影响规律；梁德旺[9]从流过弯管流态的角度，通过数值模拟，分析了低速高湍流度流体对弯管的影响规律；朱红亮[10]分析了流体性质对管道弯管结构的影响，但重点分析的是管道内压，对管道本身性质的改变未作出相应的分析；王国伟[11]从力学角度对流体流经弯管时，弯管的应力改变进行了较为详细的分析，但未考虑流体性质的改变对管道产生的影响规律。

然而，油品本身性质发生改变对管道特殊结构的影响程度很难判断，因而本文主要研究油品粘度参数的改变，对输油管道弯管结构的影响规律，重点分析油品粘度发生改变时，对弯管应力场与温度场造成的影响。本文可为高粘油品流经输油管道特殊结构的设计， 以及为管道降粘输送提供理论依据。

1 模型建立

如图1所示，为计算管道弯管结构的示意图，由于本文研究对象为90°弯管，故设图中A端点为坐标原点，沿管道轴线方向建立X轴坐标，B端点为坐标终点，O点为弯管对称中心点，建立如图1所示的坐标系，下文中分析沿AOB曲线上物理量的分布规律。根据实际的工程设计参数，选用管道材料为X-80钢，模拟的管道外径为700 mm，管道壁厚为 20 mm，管道的泊松比为 0.3；管道弹性模量2.3×105MPa；管道内压设为7.5 MPa，图2为计算网格模型。

图1 弯管结构物理模型Fig.1 Physical model of elbow structure

图2 弯管结构计算网格Fig.2 Calculation grid of elbow structure

图3 弯管结构温度场分布图Fig.3 Schematic diagram of the temperature field

2 数值模拟及结果分析

本文首先研究油品粘度对管道弯管结构温度场的影响规律，由于不同油品的粘度不同，此外，同一油品在不同温度下的粘度也不尽相同，因此，本文在计算模拟中油品粘度按照原油粘度设定，粘度Y分别选取10、30和60 mPa·s。

以油品粘度为30 mPa·s为例，分析弯管温度场的分布，图3为油品粘度为30 mPa·s时的管道温度场分布图，从图中可知流体流入弯管与流出弯管时，对弯管温度场的分布影响规律不同，呈现非对称性。当油品流入弯管结构之前，即AO区域段，接近弯管对称中心O点区域时，弯管内侧产生的温度较高，而其他区域的温度相对较低；当油品流经弯管至流出弯管时，即OB区域，弯管结构的外侧产生较高温度值。从弯管结构整体的角度分析，由于油品沿轴向流经弯管时，弯管外侧区域管壁阻碍油品沿轴向方向的流动，使之流向发生改变，因此，油品对弯管结构的作用主要集中在管道外侧管壁，此时，外侧管壁是产生较高温度的区域；而油品流经弯管时对弯管内侧管壁的作用程度相对较小，因此，内侧的温度发生变化的程度相对较小。

图4为不同粘度油品流经弯管时，弯管结构的温度分布曲线，图中横坐标为沿AOB曲线，测量点与A点之间的距离L，从图中可知，随着油品粘度的增加，油品对管道弯管结构的作用程度逐渐增加，这使得管道弯管处的应力场发生改变，导致不同区域的温度值T逐渐增加。这是由于油品粘度的增加使得流经弯管时产生较高的摩擦力，提高了弯管结构的局部摩阻，进而产生了较多的局部摩阻损失，而局部摩阻损失以热的形式被消耗掉，因此弯管处的温度会随着油品粘度的增加而升高。

图4 不同粘度下温度场变化规律Fig.4 Variation of temperature field under different viscosities

图5 与图6分别为粘度取10 mPa·s和60 mPa·s时，弯管结构的应力场分布情况，从图中可知，弯管结构主要的应力集中发生在对称中心O点区域。当流经弯管结构油品粘度较小时，油品对管道管壁的作用程度相对较小，因此，O点区域形成的应力集中区域较小，且弯管整体沿管道轴向的应力场分布呈现非对称性的特点，相比于输油管道流出段OB，管道流入段AO产生较高应力值；而当油品的粘度较高时，以O点为中心的应力集中区域范围逐渐扩大，受应力影响的区域逐渐增加，弯管结构的流入段与流出段的应力值均随之增加；此外，弯管整体的应力分布逐渐趋于对称。这是因为当油品粘度相对较小时，油品对管道管壁的作用力较小，作用程度较低，由于弯管结构的特殊性，使得弯管整体的受力不均匀，导致应力场的分布不均匀；而当粘度较高时，油品对弯管的作用程度高，作用力逐渐增大，弯管的结构特殊性对应力场分布的影响逐渐减小，使得应力分布区域逐渐趋于对称，油品对弯管的作用力相对均匀的分布在弯管管壁上。

通过以上的计算分析可知，油品粘度的改变，无论对输油管道弯管结构的温度场与应力场均产生较大影响，从提高输油管道的输送效率、降低输送成本的角度出发，降低输送油品粘度存在一定的必要性，而从输油管道本身安全性角度出发，油品的粘度增加不仅增加了管道的沿程摩阻损失，对于像弯管结构这样特殊管道结构而言，降粘输送可以有效地减小管道局部摩阻损失，减小输送油品对管道特殊结构应力场的影响程度，提高管线运行的安全性，提高管道的使用寿命，确保管道安全稳定的运行。

图5 弯管结构应力场分布图(10 mPa·s)Fig.5 Schematic diagram of the stress distribution of elbow structure (10 mPa·s)

图6 弯管结构应力场分布图(60 mPa·s)Fig.6 Schematic diagram of the stress distribution of elbow structure (60 mPa·s)

3 结 论

（1）输油管道弯管结构的温度场，受到输送油品粘度的影响较大，随着油品粘度的不断增加，弯管整体的温度逐渐升高。并且管道不同区域温度场沿轴向的温度分布呈现非对称现象，相比于弯管内侧，弯管外侧产生较高温度值；而相比于输油管道流入段，管道流出段温度场的变化更为剧烈，且产生较高温度值。

（2）管道弯管结构的应力场受到油品粘度的影响较大，随着油品粘度的增加，导致油品对管道产生的摩擦力逐渐增加，在弯管整体的应力场中，应力发生变化的区域逐渐扩大，并且这些区域的应力值随着油品粘度的增加逐渐升高。

（3）当油品粘度相对较小时，油品对弯管管壁的作用力分布不均匀，使得应力场的整体分布呈现非对称现象，相比于输油管道流出段，管道流入段产生较高应力值；而当油品的粘度较高时，油品对弯管管壁的作用力分布逐渐均匀，使得弯管整体的应力场分布逐渐趋于对称。

［1］张一楠，马贵阳,等.输油管道梁式直跨段弯管处应力的数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报，2015,35（6）：28-32.

［2］高建，王德国，何仁洋,等.基于ANSYS的悬索跨越管道地震时响应分析[J].西南石油大学学报（自然科学版），2010，32（1）：155-159.

［3］张一楠，马贵阳等.沉降土体对管道跨越结构应力影响的分析[J].中国安全生产科学技术，2015,11（8）：106-111.

［4］刘兰兰，马小明.天然气管道在不均匀沉降下的应力分析与试验研究[D].广州：华南理工大学,2010.

［5］杨俊涛，张土乔.垂直载荷作用下埋地管道的纵向力学性状分析[D].杭州：浙江大学,2006.

［6］段志祥,沈士明.内压作用下局部减薄弯管塑性极限载荷分析与试验研究[J].压力容器，2005，22(5):1-3.

［7］徐思浩,90°管弯头的应力分布[J].化工设备与管道,2001,38(4):38-39.

［8］徐方成,蒋家玲,林兴华,等.内压作用下弯管应力的实验研究[J].厦门大学学报(自然科学版)，2000(10)，43(494):17-18.

［9］梁德旺,王国庆,吕兵.低速高瑞流度90°弯管流动数值模拟[J].南京航空航天大学学报，2000，32（4）：381-387.

［10］朱红亮.液态流体弯管内压分析及变壁厚弯管热推工艺研究[D].山东建筑大学，2015.

［11］王国伟.大口径直埋供热管道90°弯头疲劳寿命的有限元分析[D].太原理工大学，2010.

Analysis on Influence of Oil Viscosity on Elbow Structure of Oil Pipeline

WANG Tong-yu1, WU Yu-guo1, LI Jiao1, ZHANG Meng-ke1, QI Lin2
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China;2. Sinopec Sales Co.,Ltd. Hunan Yongzhou Petroleum Branch Company, Hunan Yongzhou 425000, China）

In order to improve the transmission efficiency of the pipeline and reduce the transportation cost, how to effectively reduce the loss along the way has become the primary problem to be solved for long-distance pipelines. Oil with higher viscosity will greatly increase the friction loss in the transportation process. In order to better analyze the influence of oil viscosity on pipeline, the finite element model of the elbow structure of oil pipeline was established.The influence of oil viscosity on temperature field and stress field of pipeline was analyzed. The results showed that the viscosity of oil increased the loss along the way and the local friction loss, and greatly affected the temperature field and the stress field. And its effect on the temperature field was different from the stress field, which posed a great harm to the safety of the pipeline structure. The paper can provide the theoretical guidance for the viscosity reducing transportation of oil.

Oil viscosity;Pipeline elbow structure; Stress field; Temperature field;Numerical simulation

TE 832

A

1671-0460（2017）11-2353-03

辽宁省教育厅科学研究项目 （L2015306）。

2017-02-22

王桐宇（1990-），男，辽宁省锦州市人，就读于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：长距离管道输送。E-mail：415702379@qq.com。

吴玉国（1977-），男，副教授，博士。从事油气储运技术方向研究。E-mail：wyg0413@126.com。