含杂质超临界CO_(2)管道止裂分析及控制方案

管道输送作为CCUS技术的关键环节,在超临界高压环境下输送CO_(2)时,由于含杂质CO_(2)特殊的相特性,一旦发生泄漏,压力会维持较高值且温度急剧下降,输送管道易发生裂纹扩展,造成断裂事故。基于延长油田一期36×10^(4)t/a超临界CO_(2)管输预研方案,根据减压波速度计算模型和管道裂纹延性扩展止裂判据,采用修正后的Battelle双曲线法对管道进行止裂分析,对无法满足止裂要求的设计方案进行增加壁厚试算。结果表明:材质为X80、尺寸为Φ140 mm×6.0 mm的L12管线韧性值满足工况下裂纹控制的要求;而同样材质等级、壁厚组合为Φ168 mm×6.0 mm的L11管线所提供的止裂压力低于平台压力,无法保证管线发生裂纹延性扩展时能够自行止裂。对于L11管线,通过将管道壁厚增加至7 mm,其他设计参数不变,可以实现裂纹自行止裂。该研究可为实际工况下Battelle双曲线法在超临界CO_(2)管道断裂控制的应用提供理论基础与实际范例。

多级压缩机气阀寿命评估与极限含水量预测

针对目前油田天然气回注具有介质含水多、压力高且变化范围宽等特点,多级往复式压缩机容易产生水击破坏,如何预测极限含水量以有效防止水击是亟需解决的关键问题。采用计算流体力学方法,数值模拟并分析了多级压缩机注入湿气条件下各级气阀阀片的动力学特性,得到了不同天然气含水量的气阀阀片载荷分布。进一步结合nCode计算疲劳,预测了多级压缩机气阀服役寿命与极限含水量。JGC-4型压缩机模拟计算结果表明:随着进气含水量增大,压缩机排气压力提高,气缸内不断析出水滴,致使水击产生,且对高压级影响更为显著,压缩机整机进气含水体积分数上限为0.43%。研究结果可为多级往复式压缩机的应用提供技术支撑。

海底管道边界条件类型及其对走管行为的影响

针对深海海底管道两端通常与井口、悬链线立管、器管收集器等相连,管道端部边界条件复杂的情况,为了探究不同的管道边界条件对走管行为的影响,将海底管道端部边界条件简化为3种类型,即类型Ⅰ两端水平力、类型Ⅱ一端水平力一端倾斜力和类型Ⅲ一端弹性边界一端水平力,建立不同边界条件下海底管道走管数值模型,对比分析不同类型边界条件下海底管道走管行为。结果表明:类型Ⅱ边界条件与类型Ⅰ相比,随着管道端部拉力倾角增加,管道轴向拉力减小,走管量也减小,管道拉力倾角从0°增至60°,最大轴向拉力减小6.73%,走管率减小50%,这意味着悬链线立管形态改变,使得作用于海底管道的拉力方向改变,相应的海底管道走管量也随之改变;类型Ⅲ与类型Ⅰ边界条件相比,类型Ⅰ边界条件下海底管道走管率为恒值,随着升降温循环次数的增加,海底管道走管量近似线性增长;类型Ⅲ边界条件下海底管道走管率受器管收集器弹性刚度影响,弹性刚度越大,第1次升降温循环走管率越大;随着升降温循环次数增加,管道走管率快速衰减,直至为0,类型Ⅲ边界条件下多次升降温循环最终走管量通常小于类型Ⅰ。3类边界条件下海底管道走管行为差异很大,可为实际工程中分析海底管道端部边界条件类型、选定合适的边界条件提供参考。

长输油气管道内检测技术

管道内检测技术是长输油气管道内检测最有效的方法之一,是长输油气管道缺陷检测、评估与完整性评价的重要手段。随着我国能源行业的高速发展,管道成为能源输送的最有效载体,这对管道内检测技术提出了新的挑战,应运而生多种新的检测方法与解决方案。梳理了长输油气管道内检测技术的发展过程,阐述了长输油气管道内检测技术的国内外研究现状,针对长输油气管道内检测现存在的问题,对新技术、新方法的原理、应用情况进行归纳总结,并提出管道内检测行业的未来展望。

基于气-固两相流喷嘴实验的20G钢冲蚀机理研究

目的由天然气管道内壁减薄及穿孔导致的天然气泄漏事故频繁发生,输气管道面临着日益严重的冲蚀磨损问题。针对这一问题需要明确输气管道材料的冲蚀行为及机理,为抗冲蚀材料设计和延长管道使用寿命等工作的开展提供有效支撑。方法基于ASTM-G76测试标准,采取气-固喷嘴冲蚀试验研究方法,利用空气射流冲蚀实验机,开展不同冲击角度和冲击速度下天然气管道材料20G钢的气-固冲蚀实验;采用扫描电子显微镜、激光粒度分析仪等设备分析试样表面冲蚀形貌及特征;采用Ahlert冲蚀模型对实验数据进行拟合,建立20G钢的冲蚀率方程。结果当冲击速度(15~72 m/s)增大时,冲蚀率随之增大。当冲击角度(15°~90°)增加时,冲蚀率随之减小。冲蚀面积随着冲击角度的增加而减小。在低冲击角度下(15°、30°),固相颗粒的“犁削”为主要冲蚀及材料移除机制。在中等冲击角度下(45°、60°),冲蚀机制呈现混合形式,犁削、压实与开裂共同作用于材料表面。在高冲击角度下(75°、90°),以压实和开裂为主要冲蚀及材料移除机制。结论在气固两相流作用下,20G钢的冲蚀磨损过程符合典型的塑性材料冲蚀规律。颗粒冲击速度不会直接影响冲蚀机制,颗粒冲击能量的变化是影响冲蚀率的主要因素。建立了适用于天然气管道材料抗冲蚀性能对比和CFD冲蚀模型的冲蚀速率方程。

特殊螺纹接头密封面微滑接触行为研究

特殊螺纹接头在井下服役期间受到交变载荷作用,导致接头密封面处发生微滑,影响接头的密封性能。为研究特殊螺纹接头密封面处的微滑接触行为,基于弹性杆振动微分方程,建立了特殊螺纹接头微滑模型,分析了接头密封面的黏着-滑移临界区域及载荷-位移的迟滞特性;利用数值仿真软件建立了接头摩擦接触有限元模型,考察不同内压载荷、位移幅值和摩擦因数的影响下,接头密封面接触压力、相对滑移距离和剪切摩擦力的变化规律,得到了接头密封面处黏着-滑移状态的临界转化范围。研究结果表明:接头的摩擦接触有限元模型可模拟井下实际工况下接头密封面的微滑接触行为;随着内压载荷的增加,相对滑移距离减小、剪切摩擦力和黏着长度增加;随着位移幅值的增加,相对滑移距离增加,黏着长度减小;在内压载荷60~70 MPa之间,位移幅值0.02~0.025 mm之间,分别在密封面处发生黏着-滑移状态的临界转化;随着摩擦因数的增加,密封面相对滑移距离减小,剪切摩擦力和黏着长度增加。研究结果可为动载作用下特殊螺纹接头密封性研究提供参考。

基于PCNN图像融合的ECT多相流测量系统设计

针对ECT在多相流测量过程中存在的成像质量不高、精度低、稳定性差等问题,提出并实现了基于PCNN图像融合的ECT多相流测量系统。系统采用模块化设计,主要包括阵列电极传感器模块、电容采集电路模块、上位机成像软件模块。文中设计改进的网络模型,将Tikhonov和Landweber算法的成像结果作为输入进行双通道融合成像,改善了传统算法存在的伪影、模糊的现象。实验结果表明:应用尼龙棒模拟气固两相流对系统进行测试,系统对于微小电容的测量具有良好的稳定性和准确性,通过系统的成像结果可以准确地分辨管道内不同介质的位置,其中对于流型的预测成功率为100%,相含率的测量误差在1%以内。

球罐缺陷的衍射时差法超声检测分析及判别

对某中厚板球罐焊接接头进行衍射时差法超声检测(TOFD)中发现大量密集显示点状缺陷,排除焊接原因后,通过取样进行低倍检测、金相组织检验分析,确认TOFD图谱显示与母材中存在的条状MnS夹杂物,聚集态的含Nb、Ti的氮化物夹杂物有关,二者大量存在对接头焊接质量产生直接影响。通过调整扫查方式对缺陷位置进行确认,为TOFD检出缺陷的识别与判定提供借鉴。

基于VMD的广义三次互相关管道泄漏定位检测

针对天然气管道泄漏检测声波定位技术中,二次互相关时延估计算法存在较大误差的问题,提出了一种基于变分模态分解(VMD)结合广义三次互相关的时延估计算法。该方法首先利用VMD算法对两路信号进行分解并重构信号;其次,在二次互相关的基础上再进行一次相关,并在互相关算法的峰值检测阶段引入希尔伯特变换(HT),对峰值进行尖锐化处理,成为一种新型的广义三次互相关时延估计算法。通过对平台搭建的油气管道泄漏检测系统采集数据进行模拟试验,分析了各算法的精度。试验表明,相较于二次互相关,改进广义三次互相关时延估计算法定位平均精度有明显的提升,有着更高的精度和更好的抗噪性能,在天然气管道泄漏定位方面有着更广泛的应用前景。

掺氢天然气管道故障树分析及建模软件开发

针对掺氢天然气管道可能存在的风险与隐患,分析国内外各类管道失效数据,建立了掺氢天然气管道故障树,共包含10个子树和148个底事件,在掺氢管道失效库基础上采用C#程序设计语言开发了掺氢天然气管道故障树建模软件;应用建模软件对已建立的掺氢天然气管道故障树进行分析。软件计算通过行列法求解出最小割集共189个,其中一阶最小割集106个,二阶最小割集83个;采用双循环法得到148个底事件结构重要度。分析得出防腐措施是否正常工作以及自然灾害是影响掺氢天然气管道安全运行的重要因素。

含裂纹油气管道CFRP修复数值研究

裂纹缺陷引发的管道强度下降是埋地油气管道的主要事故原因之一,而高强度、高模量、耐腐蚀的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)可以很好地缠绕修复缺陷管段。针对有/无CFRP修复20钢含矩形裂纹缺陷管道,采用ANSYS有限元软件模拟内压载荷作用下含裂纹管道修复前后的响应过程,分析了裂纹角度、裂纹长度、裂纹深度、修复长度及修复厚度等参数对含裂纹管道强度的影响规律。研究表明,含裂纹管道的最大Mises等效应力随着裂纹与管道轴向夹角的减小、裂纹长度和深度的增大而增大,内压的增大加剧了缺陷参数对管道强度的影响程度。在工程中要严格控制裂纹在深度和长度方向的扩展,在内部减压后再维修含裂纹管道。CFRP修复厚度是修复后含裂纹管道强度的主要影响因素,随着修复厚度一定程度的增大,含裂纹管道最大Mises等效应力呈线性下降。

盐岩储气库稳定性评估模型与应用研究

为了解决盐岩储气库稳定性评估的模糊性和不确定性问题,降低事故发生的概率,提高判断准确度,将功效系数法引入盐岩储气库系统的评估与控制中,提出一种基于集成赋权-功效系数法的盐岩储气库稳定性评估模型。在所建评估体系下,运用反熵权法(AEW)、决策试验和评价试验法(DEMATEL)、改进组合数的有序加权平均C-OWA算子计算指标权重,三者优势互补,削弱了单一赋权方法的不足,并利用乘法合成原理获得综合权重。通过计算盐岩储气库的总功效系数值,评估整个系统的风险等级,最后利用实例,验证了模型的适用性与有效性。验证结果表明:该模型赋权方法可靠,计算结果贴近实际情况,能有效评估盐岩储气库的状态。

管道封堵机器人控制特性响应分析与实验研究

为了提高管道封堵机器人在管道维抢修的效率与精度,设计了一种管道封堵机器人封堵液压控制系统,通过仿真分析,评估了该控制系统的响应特性.搭建了封堵液压控制实验装置,研究了封堵过程中橡胶筒轴向位移的变化,以及不同输出流量对封堵速度的影响.结果表明,所设计的液压控制系统能够确保机器人各个执行机构协调运作,避免相互干涉,液压缸的位移、流量及速度与理论设计值相符.当橡胶筒变形轴向位移达到61.55 mm时,控制系统能够实现10 MPa的油气压力封堵.液压系统流量对封堵速度影响显著,流量越大,封堵速度越快.

储气库注采管柱屈曲后表面半椭圆裂纹力学分析

采用有限元方法,研究了注采管柱屈曲后表面半椭圆裂纹的应力强度因子K_(Ι)和J积分。首先,由于储气库注采管柱是长直圆管结构,通过建立含外表面裂纹直管的有限元模型,对其进行有限元验证。然后,基于子模型法,建立了管柱屈曲后裂纹力学计算模型,计算了屈曲后不同裂纹形状参数、裂纹相对深度和轴线夹角下的应力强度因子K_(Ι)和J积分,分析了管柱不同螺距数对K_(Ι)和J积分的影响规律。结果表明,有限元法在计算应力强度因子时精度较高,造成有限元法误差明显的主要因素是网格尺寸和裂纹前缘网格划分份数;管柱螺旋屈曲后,K_(Ι)和J积分随裂纹形状参数的增加而减小,随裂纹相对深度的增加而增大;随着注采管柱屈曲螺距数以及轴线夹角的增加,K_(Ι)和J积分均呈增长趋势,且裂纹为周向裂纹时的增长速率最大。

利用时域叠加的声学成像法定位埋地PE管道

针对现有埋地管道探测技术难以确定聚乙烯(PE)管道埋深且通常对管线走向的探测误差较大的问题,提出了优化的时域叠加声学成像法。利用该方法对仿真信号进行直达波与表面波消除、反射波提取和成像定位处理,验证了方法的可行性。最后,对埋深0.4 m和1.0 m的PE管进行定位测试实验,最大管线平面定位误差分别为0.179 m和0.240 m,说明该方法基本满足较好埋地条件PE管道探测的需求。

大型铺管船托管架疲劳损伤实时监测应用与研究

托管架长期承受着交变载荷的作用,结构疲劳破坏问题不容忽视。为此,本文分别基于波浪谱和监测数据对托管架的疲劳问题进行研究。通过计算结果的对比分析,发现基于波浪谱的疲劳损伤计算,由于波浪荷载的随机性很强,导致计算结果偏于保守,适用于设计阶段结构的疲劳寿命预报评估;而基于实时监测数据的疲劳损伤计算,数据相对更加准确,适用于实时评估结构当前的疲劳损伤情况,并依此提出适当的维修和保养建议。

油气管道焊缝凹陷韧性损伤研究

针对含焊缝凹陷管道的失效问题,以X80管线钢为研究对象,采用临界空穴扩张比韧性失效准则与数值模拟相结合的方法对管道焊缝凹陷损伤程度进行了研究,探讨了焊接残余应力应变、焊缝余高、凹陷深度、压头尺寸、内压和偏移距离对焊缝凹陷损伤的影响。结果表明:焊接残余应力应变和焊缝余高使管道焊缝凹陷损伤值增大;焊缝凹陷损伤值随凹陷深度的增加而增大;随着内压的增加,损伤值增幅最大值点在凹陷侧部;压头与管道接触面积越小,焊缝凹陷损伤值越大;凹陷偏移达到一定距离时,凹陷附近的损伤值超过焊缝附近的损伤值,此时凹陷可以视作普通凹陷。

基于直流电位降法的缺陷区域多探针检测

油气管道在服役过程中由于制造过程、环境复杂等因素容易产生缺陷,造成管道破裂等事故,因此对管道的无损检测具有重要意义。通过直流电位降法研究裂纹缺陷对电位场的影响规律,建立了多探针缺陷检测方法。首先采用有限元法对含有缺陷的平板试样进行电位分析,缺陷区域的电位差明显高于无缺陷区域,通过多探针的检测范围对试样区域进行划分后,提出了多探针缺陷区域检测方法。检测到区域存在缺陷后,对缺陷影响因子k进行计算,无缺陷区域k值基本在0.8~1.2之间,而缺陷周围的k值都超过了2,根据k值的分布可以得到缺陷的大致位置和尺寸。并搭建了多探针检测试验平台进行试验,结果表明,缺陷附近的电势差显著高于其他区域,与有限元结果相符。缺陷区域电势差明显高于其他区域,无缺陷区域k值在0.75~1.2之间,缺陷区域k值基本大于1.5。通过k值分布对缺陷位置和尺寸进行分析,与实际尺寸相差在3~5 mm左右。

盐穴储气库溶腔促溶工具设计及流场优化分析

目前在盐穴储气库腔体的建造中,促溶工具缺乏参数优化过程,没有关于其技术参数与所形成腔体大小、形状之关系的阐释。为此,设计了延伸式快速溶腔促溶工具,利用Fluent软件对此工具的外流场进行仿真,研究喷嘴角度、入口排量和工具旋转速度对盐穴储气库前期的建槽大小、形状的影响。分析结果表明:该工具能实现工作状态可控、延伸自适应,且喷嘴可更换;45°喷嘴角度为建槽期的最佳建槽角度;入口排量越大,高速喷射流的喷射距离和喷射范围越大,但是当入口排量超过一定值时,其对喷射距离的增长幅值会快速减小;建议工具在工作时采用较低的转速,以减少单个高速喷射流的动能损耗。所得结论可为延伸式快速溶腔促溶工具的现场应用提供理论指导。

基于有限元软件海水置换泵连接管线机械激励振动分析

受动设备产生机械激励的影响,管道往往会出现振动问题,对海上平台的安全生产造成严重威胁。通过分析产生机械激励的原因,探究了管道产生机械激励振动的机理,可将其分为动设备自身问题和管道系统设计缺陷两种类型。对当前机械激励振动有限元分析方法进行了梳理,总结出完整且可靠的机械激励振动分析流程,并以某海上平台海水置换泵连接管线为例,采用有限元分析软件进行管线三维建模、模态分析和谐波响应分析。通过对计算结果进行分析评估,得到了共振频率下管道的振动结果,并针对振动较大位置采取了减振措施。经有限元软件再次分析检验,验证了处理机械激励振动问题时对振幅较大管段添加约束形式支架方案的切实可行性,为实际管道振动中处理机械激励振动的相关问题提供了参考。