管道腐蚀引起原油管道形变的分析

邹杰 张玉红 高桂

【摘要】本文使用Ansys软件建立管道腐蚀，并针对管道受腐蚀状态进行计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真计算及单向流固耦合仿真。仿真出了原油管道在不同腐蚀程度管道的形变。结果表明：管道每腐蚀2mm，管道的形变量最大将增大至5.2x10-9m。

【关键词】CFD模拟管道泄漏管道监测

1引言

目前，国内外的原油、天然气等流体介质大多数是通过管道来进行运输。能源的消耗伴随国民经济的飞速发展逐年增长。随着国家经济的迅猛发展及石油需求量的日益增长，我国成品油管道建设正处于一个快速发展的时期。中国石化系统已建成的管道有西南成品油管道、珠江三角洲管道、鲁皖管道等多条成品油管道。我国现有原油管道多数为20世纪70年代至90年代建成，运行期限基本超过20年，其中，东北原油管网已连续运行40年，进入易发生事故的风险期，管道螺旋焊缝缺陷和腐蚀等风险因素较多，安全生产形势比较严峻[1]。因此，了解油气管道的运营状态，及时找到管道运输过程中出现的问题，对于保障管道安全正常运营，保护国民经济及生命财产安全起至关重要的作用。

2建立模型

2.1物理模型

以某陆地露天架空原油管道为例使用Ansys软件的Design Modeler工具建立管道模型如图（1）所示，管道长2m、外径220cm、管壁厚7.5mm；并分别建立管道泄漏及受腐蚀状态时的管道模型。泄漏管道模型为：泄漏位置置于管道中间，泄漏孔形状均不相同。腐蚀管道模型为：设管道腐蚀为均匀腐蚀，管道腐蚀厚度分别为0. 5mm、1.0mm、1.5mm。

2.2仿真条件

管道材质选取输油常用管道的20#钢，弹性模量210GPa，泊松比0.3，密度为7800kg/m3，屈服强度245MPa。内流介质为液态成品油，密度为1200kg/m3，动力粘性为1.3x10-3Pa。

在稳态仿真计算时采用k-？模型，迭代中压力速度耦合采用SIMPLEC，以提高收敛速度，为提高计算机计算速度采用二维非定常流动模型。在单向流固耦合仿真计算时对管道进、出口采用零位移约束。

边界条件：

管道入口流速为1m/s；

管道出口处压力等于1000Pa；

管道泄漏孔处的压力等于0Pa[9]；

2.3失效準则

根据第三强度准则，当腐蚀缺陷区的等效应力超过屈服极限强度认为失效。采用基于这种弹性失效的准则，Von Mises表达式：

式中：σs为屈服应力，MPa；σ1、σ2、σ3分别为3个方向上的主应力，MPa。

3仿真结果分析

图（2）为不同腐蚀程度与无腐蚀的原油管道变形分布云图，变形量及受压状况如表（1）所示。可以看出：管道在无泄漏运行状态下，其各部位变形量呈较均匀分布。在相同管道内部压力下，当管壁变薄或者被腐蚀时管道的总变形量会发生改变，且随着管道腐蚀程度的加深管道的变形量变大。但均未达到失效极限。

（a）无腐蚀；（b）内壁腐蚀1mm；（c）内壁腐蚀2mm；（d）内壁腐蚀3mm；

5结论

本文通过ANSYS Fluent软件建立输油管道耦合场模型，仿真出管道了在不同工作状态下的形变当管道被腐蚀时，管道的变形量会随着腐蚀程度的增大而增大。因此，可以选择光纤光栅传感器检测管道的形变量，从而监测出管道的腐蚀状况

资助：吉林省大学生创新训练项目，基于光纤光栅应变传感器的输油气管道渗漏监测系统的研究，2018S1094

参考文献：

[1]朱红钧.ansys+14.5热流固耦合实战指南[M]..北京：人民邮电出版，2014.4

[2]韩泓池，何青，李景翠，崔志斌.泄漏孔形状对泄漏特性的影响分析[J].电力科学与工程，2018，34（1）：73-78.

[3]付建民，赵洪祥，陈国明，郑晓云，朱渊，任婷.裂口几何形态对输气管道小孔泄漏的影响[J].天然气工业，2014，34（11）： 128-133.

[4]Sousa CAD， Romero OJ. Influence of oil leakage in the pressure and flow rate behaviors in pipeline[J]. 2017， 4（1）：17.