基于特征线法的CO_(2)减压波传播模型构建及止裂壁厚研究

基于特征线法并结合描述CO_(2)状态的S-W方程,构建了减压波传播模型。将减压波波速模拟结果与工业规模实验结果对比,验证了模型的可靠性。采用构建的减压波模型与日本高强度管道研究委员会(HLP)提出的HLP模型,分别对不同初始压力或温度下一维超临界CO_(2)管道泄漏过程中减压波波速及X65和X70管钢裂纹扩展速度进行模拟计算与比较,以探究初始压力或温度变化对初期减压波速及管道止裂最小壁厚的影响。结果表明:减压波速近似等于初始条件下的声速,故初始压力升高和温度降低(声速上升)会提高减压波的传播速度;当初始压力由7.5 MPa升至9.5 MPa,初期减压波速(0.01 s)上升了53%,X65和X70管钢止裂最小壁厚分别减少了13%和14%;当初始温度由45℃降至35℃时减压波速上升了56%,X65和X70管钢止裂最小壁厚分别减少了20%和19%;当工作压力都低于8.0 MPa (工作温度为35℃)或工作温度分别高于41℃和39℃(工作压力为9.0MPa)时,由GB 150—2011所计算X65和X70管钢壁厚不具备止裂能力。

输气管道断裂过程中减压波传播特性研究

天然气管道一旦发生断裂,容易引起一系列重大事故,尤其是在高压富气管道断裂过程中,管道中的流体可能由单相变为两相,增大了管道裂纹扩展的风险。为此,结合经典的气体单相流和气液两相流声速统一计算模型,建立了新的输气管道减压波模型,研究了在减压过程中发生相变时的减压波特性,并开发了相应的计算程序Decom wave,分析了气质、压力、温度对减压波特性的影响,指出随着重组分的增加、压力的升高和温度的降低,减压波特性逐渐从单相中减压波特性变为气液两相中的减压波特性。实例验证表明,该模型不仅能够准确描述干气输送管道断裂过程中的减压波传播特性,而且能够较好地描述富气管道减压波传播过程中出现的相变过程及进入两相区后的减压波特性,可用于输气管道断裂过程中减压波传播特性的研究。

减压波传播速度差在管道泄漏点分析中的应用

1998年6月至1999年11月,不法分子在秦京输油管道(秦皇岛—北京)打孔盗油已达11次,不仅给国家造成了很大经济损失,而且严重影响了整条管道的正常生产。由于犯罪分子采用管道带压开孔技术且盗油后将现场隐蔽得十分彻底,使输油公司管理人员很难及时发现盗油地点,因此,公司管理人员在加强管道管理的同时也在不断摸索迅速、准确判定不法分子盗油开孔点的经验,应用管道输送流体过程中减压波传播速度差原理为此提供了一种可行方法。

含杂质气态CO_2管道减压波传播特性

针对我国现有的气态CO_2管道,结合气液两相流声速计算模型,基于PR方程,建立了气态CO_2管道减压波传播特性的预测模型,并开发了相应的计算程序,分析了不同杂质及其含量、管道断裂初始温度和压力等对气态CO_2管道减压特性的影响。实验结果表明,杂质的混入使得气态CO_2减压波曲线的压力平台降低;气态CO_2管内甲烷含量越高,初始温度越高,初始压力越低,管道断裂扩展的风险越小。该模型可用于预测气态CO_2管道减压波的传播特性,为管材选择、气质要求提供理论参考。

输气管线中减压波传播特性模拟及分析

结合相平衡计算模型、声速计算模型和气体流出速度模型等建立了输气管线中减压波波速预测模型。采用该模型分析研究了气质、初始温度、初始压力对减压波特性的影响,以及计算时选择不同的状态方程对预测结果的影响等。结果表明,重组分含量较大的组分在破裂过程中容易进入气液两相区,减压波曲线出现"平台",较低的初始温度和较高的初始压力相对增大了裂纹扩展的风险,在计算过程中,需要选择合适的状态方程。

浅析输气管道断裂发生时的减压波传播特性

输气管道断裂容易造成重大事故,减压波在管道开裂处向两端各传播,减压波速度的最大值即裂尖处的减压波速度为声速。高压富气输送管道减压过程中容易发生相变,出现气液两相共存的现象,导致减压波特性发生明显的变化。因此,富气的减压波特性研究对于裂纹止裂具有重要的意义。

CO_(2)管道泄漏过程减压波数值计算模型及初始温压的影响

[目的]超临界/密相CO_(2)管道是目前长距离运输CO_(2)的主要方式,由于超临界/密相CO_(2)管道维持高压运行,对其管材止裂韧性的计算评估极其重要。减压波特性是评估管材止裂韧性的重要依据,然而CO_(2)泄漏涉及跨相态减压过程,导致其减压波传递规律复杂,预测难度增加,影响管材止裂评估。[方法]为研究CO_(2)管道泄漏时减压波的传递规律,搭建了CO_(2)泄漏减压波实验平台,以均相流模型为框架,结合气体状态方程、声速模型及出流速度模型建立了减压波数值计算模型,通过将模型计算结果与实验数据进行对比,验证了模型的准确性,并以此为基础,开展了不同初始温度、压力下的数值计算。[结果]不同相态CO_(2)减压波平台的起始点波速均随压力的升高而升高,随温度的升高而降低。与气态CO_(2)不同,密相和超临界CO_(2)减压波平台的高度均随压力的升高而降低,随温度的升高而升高。温度和压力对减压波平台影响的本质为对初始熵值和密度的影响。减压平台的高度取决于初始熵值,对于气相,初始熵值越低,减压波平台越高;对于密相和超临界相,初始熵值越高,减压波平台越高。无论何种相态,初始密度越高,平台长度越长。[结论]实际工程中应重点关注起点高温高压位置的管道止裂,该实验方法和减压波计算模型可为CO_(2)管道止裂韧性计算评估和管道设计提供理论支撑。

基于等容热力学的超临界CO_(2)管道减压波传播特性研究

CO_(2)管道泄漏的减压行为预测和断裂控制是CO_(2)管道输送安全的重要研究方向,现有减压波预测模型存在气液两相声速计算误差大,临界点计算不易收敛等问题。基于等容热力学改进了当地声速计算方法,建立了新的减压波预测模型,计算分析了气体组成、初始相态、起始压力和起始温度等对减压波曲线和降压曲线的影响,并对实际工程中CO_(2)管道泄漏的减压行为进行了预测。结果表明,相比燃烧后捕集或燃烧前捕集,富氧燃烧捕集气体下的初始减压波波速降低约26%,减压平台压力提高22%。随着减压过程进行,管内介质温度和压力工况点不再沿气液平衡线移动,而是直接进入气液两相区。超临界态的降压曲线与CO_(2)泡点线的交点所对应的饱和压力比密相态的高约26%,减压平台压力较高。低运行温度和高运行压力能够有效降低减压平台压力。由于管道沿程运行参数的差异,管道断裂风险由管道起点依次降低,前段管段是高风险管段。本研究可为CO_(2)管道设计和工程应用提供理论依据。

含杂质超临界CO_(2)管道减压波波速的预测模型

超临界CO_(2)管道断裂会在裂纹两端产生减压波,其波速计算是预测和控制管道断裂的关键。基于GERG-2008状态方程,结合均相流动模型与气液两相流声速计算模型,建立了含杂质超临界CO_(2)管道的减压波波速预测模型,并开发了相应的计算程序,分析了单元非极性杂质、单元极性杂质、多元混合杂质对超临界CO_(2)管道减压波曲线的影响。结果表明,非极性杂质的混入使超临界CO_(2)管道减压波曲线的平台压力升高,更易与管道断裂曲线相交,加剧管道断裂风险;极性杂质的存在能够小幅度降低超临界CO_(2)管道减压波曲线的平台压力,减小管道断裂风险。该模型可为管道止裂及杂质成分控制提供理论依据。(图4,表2,参25).

基于CCUS的超临界CO_(2)管道止裂韧性研究进展

CCUS(CO_(2)捕集、利用与封存)作为一种应对全球气候变暖的关键技术,已得到国际社会的广泛认可与重视,而CO_(2)的管道运输是该技术的关键环节。为应对管输CO_(2)存在的工质泄漏的安全问题,开展CO_(2)管道止裂韧性研究已成为热点。结合国内外超临界CO_(2)管道止裂韧性研究的相关文献,总结分析了管道止裂原理,梳理了相关止裂方法,针对当今应用最为广泛的方法——Battelle双曲线法进行归纳分析,依次介绍管内介质减压波和管道裂纹扩展相关研究,并对这两部分内容分别从理论和实验两方面综述。同时,对CO_(2)管道设计规范和标准进行了总结分析。对CO_(2)管道减压波和管道裂纹扩展两方面亟需解决的科学问题进行了说明,对未来开展的研究内容进行了展望,以期为中国CO_(2)管道安全运输提供合理建议,填补CCUS技术空缺。

输气管道裂纹动态扩展及止裂技术研究进展

对输气管道裂纹动态扩展和止裂技术的研究工作进行了综合论述。讨论了输气管道裂纹动态扩展的止裂判据及输气管道止裂韧性的确定方法。将输气管道裂纹动态扩展中的流体结构断裂相互作用问题的力学模型归纳为一维梁模型、圆柱壳模型和有限元模型 3种 ,介绍了有限元模型建立的原理和研究方法。研究结果表明 ,对于动态延性断裂的止裂 ,除了预测止裂韧性值 ,还应该预测裂纹扩展长度 ,以控制裂纹扩展造成的危害 ;对于高韧性钢管 ,应用传统的V型缺口夏比冲击实验 (CVN)和落锤撕裂实验 (DWTT)方法预测会产生与断裂无关的显著能量散失 ,因而须改进现有的方法或发展替代性的管道止裂韧性实验方法 ;确定裂纹尖端张开角是一种有发展前途的方法 ;改进现有有限元模拟方法的途径之一是采用适应裂纹扩展情况的重新划分网格技术 ,而不是采用固定网格的方法。

管道泄漏检测新方法研究

为提高管道泄漏检测的准确度、降低漏报率,提出一种基于负压波多压力传感器管道泄漏检测的新方法。该方法依据泵站前后端的所有压力传感器接收减压波的先后顺序,综合判断减压波是由管道泄漏引起还是由泵站工况波动调整引起;并且根据不同状况下各个压力传感器测试点检测到压力变化各不相同,从而确定故障性质和故障点。仿真实验表明:该方法不仅能降低系统漏报和误报率,而且能够提高系统泄漏点的定位准确度。

CO_(2)管道泄漏减压特性与裂纹扩展研究现状及发展趋势

管道适合长距离、大输量的运输,是碳捕集、封存与利用(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)技术中连接碳源和碳汇的关键环节。但由于CO_(2)特殊的减压特性,CO_(2)长输管道在运行过程中发生泄漏后极易产生管材持续性裂纹扩展。为此,从试验、理论研究及数值模拟3个方面综述了国内外对CO_(2)泄漏减压特性与裂纹扩展方面的研究现状,归纳总结不同状态方程、杂质因素、理论模型对泄漏减压特性的适应性,以及不同规模、初始条件与相态、杂质含量、泄漏方式下泄漏减压的试验成果。进而分析了不同相态、初始条件、管材、杂质含量及种类等因素对裂纹扩展的影响,并对比分析不同的CO_(2)管道裂纹扩展理论模型及其适用范围,以及裂纹扩展与流固耦合数值模拟方法。最后对未来亟需进一步开展研究的内容进行展望,以期为中国CO_(2)管道泄漏与裂纹扩展研究提供借鉴,从而促进并提升CCUS安全保障技术水平。

X80钢级1422mm大口径管道断裂控制技术

在中俄东线天然气管道工程中采用高钢级(X80钢级)、大口径(外径为1 422 mm)的管道进行高压输送(压力为12MPa)可以有效增加天然气输送量,满足我国能源战略的需要。然而随着钢级、输送压力、管径及设计系数的不断提高,管道的延性断裂成为断裂的主要方式,止裂控制便成为研究的重点。为此,对止裂韧性计算的主要方法 Battelle双曲线(BTC)方法以及断裂阻力曲线和减压波曲线进行了深入研究,明确了BTC方法的原理及其适用范围,同时分析了BTC方法应用于高强度、高韧性管线钢时所存在的问题,给出了目前国际上针对BTC计算结果常用的修正方法。回顾了俄罗斯Bovanenkovo-Ukhta外径为1 422 mm X80管道断裂的控制方案,针对中俄东线管道的设计参数,对BTC计算结果进行了修正,进而制订出符合中俄东线天然气管道安全要求的止裂韧性值(245 J)。

全尺寸气体爆破试验用管道设计技术难点

对于高钢级大口径天然气管道而言,需要通过全尺寸气体爆破试验来确定钢管止裂韧性。全尺寸爆破试验用管道及附属设施设计是否合理,决定了全尺寸气体爆破试验是否能够顺利实施并获得可靠的试验结果。研究计算得到了爆破试验用储气管道及试验管道长度,以及试验管道上安装的线性聚能切割器长度、止裂器厚度、长度等关键参数。以上关键技术问题的解决保障了X80及X90系列全尺寸气体爆破试验的顺利开展。