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2021年02期 40   

钱建华,牛彻,杜威

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国内外长输管道的建设、运行已迈入数字化时代,大量新技术的研发及应用为管道智能化管理提供了技术支撑,同时也提出了挑战。对国内外管道智能化技术的发展现状进行了调研,结合目前管道智能化技术在油气管道行业内的应用情况,建立了“数据层-服务层-应用层”的管道智能化管理核心架构,并提出了“做好顶层设计,将管道数据的管理贯穿管道的全生命周期;坚持以问题为导向,抓住主要矛盾;正确处理好数据、技术、生产与管理的关系”的管理原则。通过对管道智能化管理的典型案例进行分析,总结出了多技术融合的应用趋势,以期为中国管道智能化管理的提升提供参考。(图5,参26)

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刘建臣1,刘攀2

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近年来,电驱离心压缩机组在天然气管道压气站中被大量采用,国产电驱机组虽然起步较晚,但发展较快。回顾了国产电驱离心压缩机组在天然气管道的应用现状及发展概况,系统归纳了机组主要单元的组合方式、成套方式、电动机、变频调速装置、控制系统的主要技术特点。通过运行数据分析、典型故障分析及与进口机组对比分析等方法,归纳总结了国产电驱机组相对进口压缩机组的优势与不足,并在设计、运行、管理及售后方面提出建议。从20MW以上国产电驱机组研制、国产电驱机组推广、变频高速异步电动机应用、集成式压缩机的研制以及磁浮轴承在国产分体式电驱机组上的研制与应用等方面进行了展望,认为国产电驱机组必将成为未来中国天然气管道输送的核心动力装备,也更加安全、环保、可靠、经济。(图2,表1,参19)

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徐磊,侯磊,李雨,朱振宇,雷婷

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机器学习作为实现人工智能的主要手段,通过探索数据规律、建立预测模型来指导决策支持。在目前油气管道系统设备繁多、结构复杂、技术庞杂等背景下,引入机器学习是为了采用人工智能技术解决单纯依靠数学模型难以应对的问题,代替人工从事一些枯燥繁琐、危险程度较高的工作。结合油气管道系统各生产环节,重点阐述了深度学习、强化学习及迁移学习3类机器学习方法的应用研究进展,包括油气管道泄漏、多相流型识别、设备故障诊断及储罐目标检测等应用场景,构建了人工智能技术在油气管道系统的应用框架,指出深度学习、强化学习及迁移学习在该领域拥有较强的应用前景。最后,对机器学习在油气管道领域的应用进行了展望,以期为油气管道系统的智能化研究与发展提供参考。(图1,参43)

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杨涛1,崔伟2,方卫林1,孙冰冰1

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中国正处于油气管道的大发展时期,这既是重大机遇,同时也对提高管道运营水平提出了挑战。阴极保护电位智能采集系统是阴极保护监检测的有效工具,其由埋地传感器、终端采集仪、软件系统等部分构成。目前,该系统已在中国主要管道公司应用,实现了阴极保护参数的实时远程监测,但也存在运行故障率高、数据管理平台兼容性低、分析评价软件算法简单等问题。回顾了阴极保护电位智能采集系统的发展历程,包括硬件开发、软件开发、现场应用等情况,总结了当前实际应用中遇到的问题,并从提高标准化水平、提高可靠性、解决热点问题、助力智能管道建设等方面进行了展望。后续应加大采集系统可靠性和标准化的研究力度,不断拓宽其应用领域,为智能管道建设提供技术支持。(图1,参20)

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孙鹏,谢裕喜,张勇,吴骏,唐小华

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随着内检测的不断推进,大部分管道已经开展了两轮及以上次数的内检测作业,获得了大量内检测数据。由于内检测受外部环境及检测误差的影响,多轮内检测数据在里程、缺陷识别与量化方面存在一定差异,难以实现多轮内检测数据的快速对齐,且人工对齐工作量巨大。为研究内检测数据的快速对齐方法,结合大量内检测数据,构建了内检测数据对齐算法模型,基于该模型实现了内检测数据的快速对齐,并通过不同单位、不同格式的内检测数据进行应用测试。测试结果表明:该方法可以实现管道阀门、三通等特征100%对齐,管节对齐比例达99%以上,弯头对齐比例达90%以上。基于该方法,可快速对内检测数据进行深度挖掘分析,预测管道本体缺陷发展趋势,为管道腐蚀控制及管道本体管理提供数据支撑,实现管道本体风险的预控,提高管道完整性管理水平。(图2,表8,参16)

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刘鹏,李玉星,张宇,孙明源,张玉,张炎

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地质灾害是导致埋地油气管道破坏失效的主要原因之一,特别是管道沿线的山体滑坡、地层沉降及地面塌陷等严重威胁着管道的安全运行。基于已有研究,介绍了几种分析管土耦合作用的常用模型,总结了地质灾害作用下埋地管道应力计算方法。采用实验模拟与数值模拟相结合的手段,开展了塌陷、沉降以及滑坡地质灾害下管土相互作用实验以及FLAC3D数值模拟,分别得到了3种地质灾害下的管道应力分布情况,通过比较实验结果、数值模拟结果以及管道理论模型计算结果可得:采用有限差分软件FLAC3D开展管土相互作用模拟是可行的;仅考虑管道、输送介质以及土体重力载荷得到的理论计算结果与实验及数值模拟的结果相差很大,需要考虑土体摩擦力以及黏聚力等参数的影响,对管道应力计算方法进行改进。(图12,参25)

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凌嘉瞳1,董绍华1,张行2,蒋毅3,魏昊天1

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安全系数是管道完整性评价方法的重要参数之一,传统评价方法仅考虑了管道所处地区等级对其影响,未能全面评价管道的真实安全状态。提取管道相关风险因素,比较各因素间相对重要程度并建立表征不同风险状态的分值体系,根据所得风险分值对安全系数进行修正,使得修正后的安全系数能够反映含缺陷管段实际风险状态;结合径向基网络方法的自学习特点,将各风险因素作为输入,修正后的安全系数作为输出,建立基于径向基网络的管道安全系数计算模型。由模型训练得出的修正安全系数与测试样本吻合度较好,验证了模型的准确性。结果表明:修正安全系数在考虑地区等级的基础上同时引入了其他重要风险因素的影响,为管道完整性评价中的安全系数取值提供了新的思路。(图3,表9,参21)

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张菁1,董绍华2,刘冀宁1,陈一诺2,彭玉杰2,伍志明3

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氢致开裂是高含硫气田集输管网、长输管网管线钢失效的主要模式之一,为明确管道氢致开裂的机理与过程,对其开裂模式进行了研究。对氢质量浓度在金属裂尖扩展过程中的变化规律进行分析,考虑分形效应的影响,对氢致裂纹的动力学模型进行修正,提出了氢致裂纹扩展的直裂纹-剪切带分形模型:在Gerberich对氢致开裂研究的基础上,基于裂尖的氢化作用与裂纹扩展过程中存在的耦合因素,将断裂过程区的形状与裂纹的扩展长度进行结合,构建了氢致开裂裂纹扩展各阶段分形速率的表达式,得到了更为合理的基于分形效应的氢致开裂数学模型。以材质为16Mn和20钢的天然气管道为例,分别计算了母材与焊缝处的氢致裂纹扩展速率,对比得出两种材料抗H2S的性能,研究结果对于高含硫管道材料的选择具有一定指导意义。(图6,表2,参20)

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李智文1,吴明畅1,王新园1,范玉然2,王磊磊1,明连勋1,刘翼1,刘勇1

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应力状态是环焊缝合于使用评价的关键因素,而错边会引起环焊缝结构的不连续性,导致焊缝所受应力状态发生变化。为了探讨含错边环焊缝在外加载荷下的力学行为以及应力分布情况,通过宽板拉伸试验对含错边的环焊缝应力集中现象进行研究,建立有限元模型对其进行验证,对比了BS7910-2013《金属结构中缺陷验收评定方法导则》和GB/T19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》推荐方法所得的计算结果。研究表明:错边会导致明显的焊缝应力集中,BS7910-2013计算得到的应力集中系数与宽板和有限元模拟得到的结果相比保守度较为合理。含错边管道环焊缝现场缺陷合于使用评价时,推荐采用BS7910-2013对错边进行应力集中等效处理。(图13,表2,参23)

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张羽翀,李龙,黄鑫,张姝慧

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长输油气管道在一般地段埋地敷设,当经过季节性斜坡冻土区时,由于冻融引起的坡体蠕滑作用导致管道产生附加应力。通过安装管道轴向应变传感器可监测坡体蠕滑作用导致的管道轴向应力变化,但开展管道强度评价时,需要明确管道应变监测初始应力,由于应力检测技术多在实验室环境下使用,工程上并不成熟,目前行业内一般通过有限元建模计算方法获取管道应变监测初始应力。以涩宁兰一线某穿越斜坡季节性冻土地貌埋地管道为例,介绍了位于季节性冻土区的管道当前面临的主要风险、土体位移分布形式与位移的确定,以及季节性冻土区斜坡体位移作用下管道的受力和变形情况。采用向量式有限元方法,利用空间梁单元和非线性土弹簧模型对灾害点管道进行了数值模拟,并得到管道现状应力分布,为确定管道本体应变监测截面位置、估计管道现状应力分布及管道安全评价提供依据。(图11,表4,参18)

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孙晓阳,曹学文,谢振强,付晨阳

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为研究气固两相流中固体颗粒间碰撞对冲蚀的影响,提出一种利用直接模拟蒙特卡罗(DirectSimulationMonteCarlo,DSMC)方法和计算流体力学(CFD)计算颗粒间碰撞的冲蚀预测方法。使用Eulerian-Lagrangian方法,将气相作为连续相,通过Navier-Stokes方程求解,颗粒平移运动由离散相模型(DPM)求解。颗粒平移运动由Eulerian-Lagrangian框架下的DPM求解,计算颗粒间碰撞运动时采用DSMC方法以少量采样颗粒代替真实颗粒,碰撞的发生条件通过修正的Nanbu方法判定。分析气固两相流中颗粒间碰撞对弯管冲蚀速率和颗粒分布的影响,结果表明:使用DSMC方法计算颗粒间碰撞,Oka模型的平均百分误差从39.2%降低至27.4%;计算颗粒间碰撞时弯管内拱侧的无颗粒区变小,最大冲蚀位置沿外拱轴线后移5°,同时V形冲蚀痕迹的两翼向外侧扩大。使用DSMC方法计算颗粒间碰撞可以明显降低模型误差,考虑颗粒间碰撞的Oka模型与实验结果偏差最小,是冲蚀预测的最佳模型。(图10,表2,参19)

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周乐1,周廷鹤2,张卫军1

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地下燃气管廊属于半密闭空间,燃气管道一旦发生泄漏极易引发严重的爆炸事故,对泄漏发生后管廊的安全性进行分析可以为事故的应急处理提供理论指导。为此,根据中国某燃气管廊的结构,针对燃气管道最不利点处发生泄漏的情形,采用CFD软件对其进行建模及求解,研究不同泄漏孔径及不同通风模式下管廊内甲烷质量浓度的变化情况,划分管廊内的爆炸危险区域,并对管廊的安全性作出评估。研究结果表明:当泄漏孔径分别为10mm、50mm、100mm时,管廊内甲烷的质量浓度场趋于稳定后,事故通风模式下管廊顶部的甲烷质量浓度较正常通风模式分别下降了50%、45%、36%;当通风量一定时,泄漏孔径的增大虽然会带来燃气泄漏量的增加,但并非一定会导致危险区域的扩大,较小的泄漏孔径可能会带来更大的安全隐患;当燃气泄漏量较大时,如不能控制好通入的空气量与泄漏的燃气量之间的比例关系,反而可能会引发更为严重的后果。妥善处理管廊内燃气管道泄漏事故的关键在于控制好通风量和甲烷泄漏量之间的比例关系。(图6,表3,参23)

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韩旭1,孙楠2,张熙然2,刘喆2,温凯1

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随着天然气消费量的爆发式增长,天然气贸易交接计量对流量计的检定需求越来越大。针对流量计检定过程中工况多样、人工检定效率低下等问题,利用水力仿真软件SPS,通过现场瞬态数据分析与校准,构建出与检定站现场精度水平一致的仿真模型。采用阀的流量系数,推导出各阀所对应流量调节的区域范围。将理论计算得出的调节方式通过仿真模型进行验证,结果表明:该调节方法可以减少调节阀的反复动作,优化了检定操作,加快了检定速度。(图5,表3,参20)

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王言聿1,郭旭2,成志强1
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与传统管线钢管相比,复合材料增强管线钢管(CompositeReinforcedLinePipe,CRLP)具有承压能力高和质量轻等优势,但对其压力设计的研究尚不充分。CSAZ662-2015《油气管道系统》和GB/T35185—2017《石油天然气工业用复合材料增强管线钢管》中最大许用操作压力的设计思路不同,且设计结果差别较大。针对此问题,基于组合薄壁圆筒模型对承压CRLP进行分析,对最大许用操作压力下材料的名义许用应力和真实许用应力进行了区分,进而导出真实许用应力的显式表达形式,并以此作为设计安全裕度的评价指标。分析表明:现有规范和标准中的设计公式均无法保证管线钢和复合材料的真实许用应力为常量,对应两种设计方法,各组分材料的真实许用应力均随CRLP规格差异而发生变化,并且随着试压/预应力处理的历程而改变。基于上述分析和CRLP极限状态下的承载特征,提出一种改进的压力设计方法。新方法优先保证复合材料的真实许用应力为常量,并可由设计系数直接确定;在最大许用操作压力的计算中,考虑了加载历程的影响,物理意义明确。算例表明,其设计安全裕度较现有方法更为合理,对于CRLP压力设计的改进有参考价值。(图7,参22)
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李振北1,王自林1,李卫全1,刘争1,李晓晖1,陈蔚1,钟震宇2,赵振3

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为了减少某些特殊工况下,清管器和检测器皮碗在清管和检测过程中产生的皮碗偏磨现象。深入分析了导致皮碗出现偏磨的原因,提出一种适用于直径355.6mm油气管道的复合耐磨皮碗结构设计方案。利用有限元模拟仿真分析方法验证了复合耐磨皮碗结构在不同管道壁厚下的适应能力和密封性能。结果表明:复合皮碗结构与不同壁厚管道的接触过程中,在保证固有密封性能的条件下,皮碗外边缘上的万向滚珠可以有效减少皮碗唇边与管壁之间的接触面积,分担皮碗唇边所受的正压力和接触应力。说明该复合耐磨皮碗结构设计方案具有可行性,可以有效减缓皮碗唇边磨损,减少皮碗偏磨现象的产生。该复合耐磨皮碗结构设计和密封性能的分析验证,对于丰富中国清管器和检测器用皮碗设计理念,完善清管器和检测器结构设计具有重要意义。(图7,表3,参21)

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张达智1,崔立1,马德起2,施盛林1,汪琳2,杜美憬2

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海上原油贸易交接中,贸易交接数据的准确度关系着买卖双方的切身利益。当船舶计量与FPSO流量计计量数据对比短少率超过3‰时,收货人就可能提出索赔或拒收,产生争议。为此,分析研究了渤海海域近5年FPSO原油外输中的异常情况,并结合相关标准和工作经验,提出影响FPSO原油外输计量准确性的5个因素:人员因素、设备因素、油种因素、方法因素、环境因素。通过对5个因素的系统分析,便于查找影响外输计量的关键控制点,得出减少或消除这些异常情况的方法。研究结果表明:完善相关操作标准和规程,使各项计量操作更加规范合理,可以有效减小计量中产生的误差。(图1,表3,参20)

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刘畅1,2,魏云港2,田宏军2,曹宇光2

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基于三维有限元数值模拟方法,从密封元件的接触摩擦特性出发,创新性地提出一种清管器清洁能力评价方法。利用ANSYS软件建立两种常见形式的清管器在水平直管内运行的三维有限元模型,并通过现场试验对其准确性进行验证。通过分析计算结果,分别对不同摩擦工况下的两种清管器的清洁能力进行对比。研究结果表明:接触摩擦因数对清管器在运行过程中的密封紧密度、切向刮擦力、有效清洁面积均存在影响,随着摩擦因数的增加,清管器密封元件的切向刮擦力增大,而接触紧密度和接触面积减小。在相同摩擦工况下,当密封元件材料和过盈量相同时,直板型清管器的密封紧密度和刮擦力均优于皮碗型清管器;然而在运行相同距离的情况下,皮碗型清管器所能产生的有效清洁面积大于直板型清管器。根据待清洁管道内的杂质类型来合理选择清管器种类可以有效发挥其清洁能力,提高清洁效率。(图13,表2,参27)

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