考虑加热处理的石油管道泄漏特性分析

2023-04-11袁锐波林红刚陈有锦曹志鹏

重庆理工大学学报(自然科学) 2023年3期

罗威,袁锐波,林红刚,陈有锦,曹志鹏,朱正

(1.昆明理工大学机电工程学院, 昆明 650504;2.光机电液系统集成与控制研究所, 昆明 650504)

随着社会经济发展,人们对物质需求不断提升,世界各国对石油资源的需求日益增长,而管道输送作为五大运输方式之一,为石油资源的高效稳定运输做出了不可磨灭的贡献。然而,随着管道使用时间的增加,管道的腐蚀、磨损和老化情况日益严重,容易发生泄漏事件,存在极大的安全隐患,严重威胁到人民群众的生命财产安全[1]。因此,对石油输送管道的检测和泄漏分析具有现实意义。

目前,国内外提出了许多管道泄漏检测方法,如负压波法、流量平衡法和模型法,其中模型法是在管道流体动力学模型的基础上建立输油管道模型,根据输油管道两端的压力及流量信号变化来估计管道沿线流体参数,从而判断输油管道是否发生泄漏,实现泄露定位功能[2-3]。为了能够精准判断和定位泄漏位置,需要在考虑诸多因素对石油流动特性影响下,对管道泄漏进行流场特性分析。

在实际输油过程中,有很多因素会对石油的流动特性产生影响,如黏度。我国油田所产的石油大多是高含蜡、高凝点和高黏度的“三高”石油,在运输时容易发生胶凝,为了顺利运输石油,通常需要给石油进行加热处理。石油加热处理后凝点一般能下降10 ℃左右,黏度的下降甚至能达到50%～90%,能大大降低运输时的损耗,延长输送距离[4]。因此,为了准确判断和定位泄漏位置,需要考虑加热处理对石油流动特性的影响。

由于实际管道泄漏的孔径大小具有不确定性,本文选择了具有代表性的3种微小泄漏孔径进行研究,在模拟石油加热处理的条件下,从泄漏孔处石油的流动状态和压力、速度的变化规律对泄漏流场特性进行分析总结。

1 泄漏管道模型建立

1.1 管道模型建立和参数设置

本次研究的是稳定状态下,以石油为介质的直管,通过泄漏孔向外界泄漏的情况,忽略从开始泄漏到稳定的流场变化,只对泄漏模型进行稳态流场分析。以石油运输管道的实际参数为基础,建立了管道泄漏模型,整个模型包括管道和泄漏孔两部分,管径和管壁厚度保持不变[5],分别为400 mm和6 mm。管道泄漏是一个快速的过程,为了放缓并更好分析整个泄露过程,对泄漏孔进行了加长处理,如图1所示。

图1 泄漏层三维建模图和二维流动示意图

为研究加热处理和泄漏孔径大小对管道泄漏的影响,需要保持泄漏位置、入口流速和出口压力不变,具体参数如表1所示。其中管长L之所以选用20 m,是因为实际管道太长可达上百千米,并且加长管道对前面的泄漏孔的泄漏影响几乎可以忽略,因此本文只截取一段20 m长管道对泄露进行分析。

表1 管道参数

1.2 模型选择和计算方法

利用ANSYS FLUENT求解黏性不可压缩流体的N-S方程,捕捉石油流动现象。本次研究中,60 ℃石油流动的雷诺数为89 000,远大于湍流流动的临界值,因此选用具有较强稳定性和鲁棒性的高雷诺数k-ε湍流模型。当计算湍流流动时,不仅需要考虑基本的连续性方程和动量方程,还要考虑湍流方程,标准的k-ε湍流模型需要求解湍流动能方程及湍流耗散方程以获得湍流动能k和耗散率ε,其中动能方程是精确方程,而耗散方程是一个经验方程[6]。

湍流黏度方程:

(1)

湍流动能方程:

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(2)

湍流耗散方程:

(3)

式中:μt为湍流强度;Cμ为湍流常数;ρ为介质密度;t为时间;C1ε、C2ε、C3ε为经验常数;Gb为因浮力产生的湍流动能;Gk为因平均速度梯度产生的湍流动能;k为湍流动能;ui为i方向速度;xi、xj分别为i、j方向的位移;σk为k的普朗特数;σε为ε的普朗特数;ε为湍流耗散率;μ为分子黏度;YM为可压缩对耗散率的影响;Sk、Sε为用户定义项[7]。

除了湍流模型的选择,还需要考虑石油黏度随着温度的变化而发生的改变。温度对石油黏度的影响是比较大的,但是对于不同种类的石油,目前还没有一个准确且通用的公式来描述它们之间的黏温特性关系,大多是在实验室数据上进行拟合整理得到的经验关系式[8-9]。因此,国内外关于黏温特性的经验公式有很多,本文选取较为常见的指数型黏温特性公式:

μ=Ae-BT

(4)

式中:μ为流体黏度,mPa·s;T为热力学温度,℃;A、B为常数。

1.3 网格划分与无关性验证

本文分别对管道和流体区域进行了网格划分,因为此模型为对称模型,所以对其进行了对称处理,以减少不必要的计算,避免计算机资源的浪费。为了提高在泄漏孔处的仿真进度,对泄漏孔进行了加密处理[10-11],其中流体域网格尺寸为3 mm,泄漏孔处网格为0.03 mm,网格模型如图2所示。

图2 管道网格划分图

为了在保证仿真结果准确的同时,选择最少的网格数,对不同网格密度的网格进行无关性验证[12],结果显示如表2所示,可以看出80万和110万网格在结果上相差不大,但是与60万相比就有一定的差距,因此选择80万网格是符合要求的。

表2 网格无关性验证结果

2 热处理对泄漏的影响

通常石油加热处理包括2部分,分别为站内加热和伴管加热,站内加热是指输油站内使用加热炉对石油加热,伴管加热是指将伴热电缆或热流体安装于管道外部,对管道进行加热[13]。因为管道模型长度有限,为了放大温度的影响,在仿真中只考虑站内加热的情况,将管道入口流体的温度设置为50 ℃,管道外壁面温度设置为25 ℃。

在石油输送过程中,石油的黏度会随着温度的改变而改变,石油的流动特性也发生改变,进而对泄漏产生影响。为了更细致地展示这些情况,在输油管长20 m,泄漏孔径为4.5 mm的模型中,导出了如图3所示的黏度-温度变化关系。

图3 黏度-温度变化图

由图3可知,石油的黏度在管道中是一直变化的,而且越靠近管道内壁,黏度的变化越剧烈。加热处理后的石油黏度为421 mPa·s,经过20 m管道的冷却作用,最后黏度上升到425 mPa·s,而实际生活中的管道长度大约有100 km,黏度的变化会更大,因此,考虑温度对黏度的影响,在石油管道泄漏检测中非常必要。

为了探究加热处理对泄露的影响,在泄露孔处将进行加热处理和未进行加热处理的石油进行对比,分析泄漏孔中轴线压力和流速的变化规律,其中未进行加热处理即常温状态且黏度为常数,得到如图4所示的不同温度下泄漏孔压力、速度对比曲线。

图4 不同温度下泄漏孔压力、速度对比曲线

由图4可知,当石油进行加热处理后,泄漏孔处的压力和速度都有了明显变化。就压力而言,加热处理使泄漏孔处的压力下降幅度更大,与常温相比最大相差32.4%;对速度来说,加热处理使泄漏孔处的速度上升幅度更大,与常温相比最大相差7.7%。

根据以上数据得知,当石油进行加热处理后,其管道泄漏处的压力和速度都有了显著的变化,对后续的泄漏检测有较大影响,因此,在对泄漏流场分析中,加上热处理的设置就显得更有必要。

3 泄漏流场分析

由于加热后管道泄漏处的压力和速度都有了明显变化,因此,本文在加热处理后对管道泄露流场进行了分析和研究。本文的管道仿真模型为三维模型,为了更直观体现管道内流场状况,避免管道对流场分析的影响,本文选择对称面作为监测平面,描述流场的变化[5]。

3.1 泄漏孔内流动分析

在石油泄漏过程中,因为管道内外压差较大,泄漏孔处流速非常大,并且流动复杂,为了更好地描述泄漏孔内的流动状况,在输油管长20 m,泄漏孔径为4.5 mm的模型中,导出了如图5所示的石油在泄漏孔处的流线图。

图5 泄漏孔处流线图

如图5所示,当油液从右向左涌入泄漏孔时,其主要流动部分在泄漏管的左侧,且速度较大,而在泄漏孔右侧产生了一个小的涡流。这是因为流体从大截面管道向小截面管道流动时,流线会发生弯曲,导致流束收缩,形成类似颈缩的现象[14],之后由于中心流体压强更大,迫使中心流体向壁面流动,从而产生了涡流。

3.2 不同泄漏孔径的流场分析

在输油管道的实际运行过程中,泄漏孔的大小不可预测,不同的泄漏孔大小会对流场特性产生不同影响。本文选取1.5、3.0、4.5 mm 3种圆形泄漏孔径作为研究对象,并从压力和流速2个方面分析流场特性。

3.2.1压力云图分析

图6分别是泄漏孔直径为1.5、3.0、4.5 mm的泄漏流场压力分布云图。由图6可知,当发生微小泄漏时,管内的压力几乎没有改变,说明微小泄漏对输油管内的压力影响是极小的,可以忽略不记。另外,由于管道内外压差较大,流体压力从泄漏孔底部开始向泄漏孔顶部逐渐减小,在顶部达到最小值。随着泄漏孔径的增大,可以明显发现在泄漏孔底部出现了半圆形压降,并且在发生颈缩附近形成了低压区域。

图6 不同泄漏孔径压力云图

将3种泄漏孔径下,沿泄漏孔轴线压力变化规律进行对比,得到如图7的泄漏孔轴线压力曲线。

图7 泄漏孔轴线压力对比曲线

根据图7所示,在管道内部时,随着泄漏孔直径的增大,对管道内的压力影响逐渐增大,并且在泄漏孔处压力下降的幅度也会增加,与1.5 mm泄漏孔相比,3.0 mm泄漏孔多下降了41.6%,4.5 mm泄漏孔多下降了65.8%。在泄漏管内部时,泄漏孔径越大,压力减小的过程就越平滑,最后压力都会下降至标准大气压[15-16]。此外,当泄漏孔径增大后,可以明显看出流体经过颈缩后压力先减小后增大的过程。

根据以上数据得知,一段直管发生微小泄漏时,管内压力的变化是非常微小的,只有在泄漏口附近才能看到压力的变化。在泄漏孔附近出现了半圆形压降,泄漏孔越大,在泄漏的瞬间压力下降得越明显。

3.2.2速度云图分析

石油在管道入口处速度为8 m/s,泄漏孔直径分别为1.5、3.0、4.5 mm的泄漏流场速度分布云图,如图8。分析图片,可以明显发现,在管壁附近的流速低于较低,且越靠近管壁流速越低,这是因为石油的黏性较高,在石油与壁面的接触过程中产生了较大的剪切力,阻碍了石油的流动,从而在壁面附近形成了速度边界层[17]。

图8 不同泄漏孔径速度云图

由图8可知,在管道内外压差的作用下,油液的流速沿着泄漏管道逐渐增大,最后以远大于管道内的速度从泄漏孔喷出,并且泄漏孔越小,高速流动的部分越接近泄漏管的轴线。由于泄漏孔较小,泄漏造成的流速变化对输油管道内的影响较小,只是在靠近泄漏孔的位置形成了一个类似尾巴的速度增大区域[18]。当油液经过泄漏孔后,在管壁的作用下,油液的速度开始大幅度下降,最后回归正常流速。

图9 泄漏孔偏左轴线速度分布曲线

在泄漏流场分析中,石油的主要流动部分在泄漏孔的偏左侧,为了更好表示油液从泄漏孔开始流速沿着泄漏孔变化的过程,绘制了如图9所示的泄漏孔偏左轴线速度分布曲线。根据图9所示,在管道内部,随着泄漏孔径的减小,其速度曲线出现了先减小后增大的趋势,这是受油液撞击管壁所形成的涡流影响。在泄漏的瞬间,泄漏孔径越大,速度增大的幅度越大,与1.5 mm泄漏孔相比,3.0 mm泄漏孔增大幅度多42%,4.5 mm泄漏孔幅度多58.6%。之后在泄漏孔内部,石油还会逐渐加速,流速最大可达到46.6 m/s。

根据以上数据得知,当管道发生微小泄漏时,对管内的流速影响是较小的,只会在泄漏孔附近形成速度增大区域,并且油液流速会沿着泄漏管逐渐增加,最终远超管内流速,随着泄漏孔径的增大,这个速度也会增大,因此,不难判断泄漏孔径越大,泄漏量也会跟着增加。