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2021年09期 40   

王乐乐1,李莉1,张斌1,孙云峰2,冯学书1,高山卜1

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在“十三·五”期间,中国油气储运业务快速发展,带动了油气储运科技的进步。在工程设计施工方面,取得了高钢级管道设计、机械化施工等系列研究成果,LNG 接收站及储气库设计施工技术逐渐成熟;在材料与装备方面,攻克了第三代大输量天然气管道工程关键技术,成功研制了X70/X80 钢管,基本完成了压缩机组、输油泵、关键阀门等关键装备的国产化,开发了国产化SCADA 系统软件;在输送工艺方面,形成了以集中调控为核心的管网运行优化技术,建立了易凝高黏原油、成品油输送工艺技术体系;在运行维护方面,开发了管道完整性管理及其检测评价、地质灾害防护、监测预警、腐蚀防护、维抢修等支持技术,编制并发布了多项国际及国家标准。在“十四· 五”期间,油气储运行业技术发展将面临新的机遇和挑战,油气储运科技将朝着安全运行、高效输送、智慧管网等方向发展,以期为油气储运业务的快速发展提供支撑和保障。(表2,参57)

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孙成1,2,韦博鑫1,2,覃清钰1,2,付琦1,2,吴堂清3,许进1,2,高立群1,2,于长坤1,2

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随着中国高压力、大口径、长距离X80 管线钢埋地管道建设的迅猛发展,应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking,SCC)风险开始严重威胁管道服役安全。针对土壤环境中X80 管线钢SCC 关键影响因素,首先分析了交流杂散电流对X80 管线钢SCC 行为的影响及其机制,提出交流电与弹性应力具有协同作用,可共同促进X80 管线钢的阳极溶解,并破坏钢表面致密腐蚀产物膜的状态,从而加速腐蚀。其次,综述了土壤环境中硫酸盐还原菌(Sulfate Reducing Bacteria,SRB)致管线钢SCC 机理的研究现状,提出X80 管线钢微生物致裂机理主要与细菌的生理活性、代谢产物、生物膜的形成有关。最后,提出了SRB 作用下X80 管线钢阴极保护电位选择的建议,同时建议将微生物因素纳入管线钢SCC 评价体系。研究成果可为中国高强管线钢管道设计及安全服役提供理论基础。(图2,参46)

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刘刚1,袁子云1,陈雷1,左志恒2

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大型油气管网具有源汇节点多、空间跨度大、热力水力过程耦合程度高等特点,导致建模难度大。国家《中长期油气管网规划》指出,管网智能化是未来方向,融合机理知识与数据驱动建模方法,构建物理意义明确、外推泛化能力强的混合模型是实现智慧管网的关键环节。分析机理建模与数据驱动建模方法的特点,通过融合机理模型与数据驱动模型协同描述研究对象的物理特性,充分挖掘现场数据内在关联,探索过程变量演化规律,最终建成了机理-数据双驱动的高保真混合模型。梳理混合建模不同结构及其在油气管道行业应用的可行性,阐明了不同应用场景下混合建模的策略,探讨了机理与数据驱动协同建模技术的研究方向,以期为智慧管网建设提供参考。(图2,参60)

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唐善华,杨毅,张麟,郭永华,侯本权,杨金辉,于文广

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调控中心作为管网系统的“决策大脑”,是集合大量数据、规则以及专家经验的综合性决策控制中枢,其与以数据驱动为特征的新一代人工智能发展思路和演进方向十分相近。分析了国内外管道公司和电网公司调控业务的智慧化及数字化转型方案,总结了其最新研究成果。结合人工智能技术的最新进展,基于天然气管网调控业务的需求,初步提出了智能调控的基本概念及功能特征,即实现智能感知、预测预警、优化决策、智能控制,最终达到黑屏调控的智能化调控模式;后续设计了智能调控的体系架构,并分析了智能控制层和智能决策层的关键技术及潜在应用场景。研究成果可为后续人工智能在管网调控领域的发展和应用提供参考。(图3,参20)

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余东亮1,杨川1,吴东容1,王爱玲1,黄辉2,贾彬2,张豫3

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为验证钢质环氧套筒在X80 管道环焊缝缺陷补强方面的适用性,选取管径1 016 mm 的X80 管件,人工焊接制作两道含同样规格缺陷的环焊缝,其中一道不做补强处理,另一道采取钢质环氧套筒补强处理。通过内压、波动压力、内压与弯矩耦合作用的力学试验方法,对上述未补强及补强后的两道含缺陷环焊缝分别进行全尺寸力学测试,并对比分析其破坏特征、承载力及变形性能。试验结果表明:在工作压力下,钢质环氧套筒补强可降低环焊缝缺陷环向及轴向应力,套筒对内压的分担比例达47%;在循环波动压力下,钢质环氧套筒补强后的环焊缝缺陷应力值基本保持不变,表明套筒修复环焊缝缺陷的应力水平作用稳定,不随压力波动变化;在内压与弯矩耦合作用下,未补强管件破坏模式为焊缝截面整体断裂,补强后的管件则为受拉区钢材屈服后受压区局部失稳破坏,表明钢质环氧套筒可增强管道抗弯承载力,降低弯曲挠度。研究成果可为钢质环氧套筒补强X80 管道含缺陷环焊缝的工程应用提供参考。(图16,参24)

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吴锴1,张宏1,杨悦1,刘啸奔1,隋永莉2,陈朋超3

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管道环焊缝的实际低强匹配是引发焊缝断裂失效的重要原因,在焊缝的适用性评估中,失效评估图方法无法准确考虑焊缝强度匹配的影响,准确纳入强度匹配成为拓宽失效评估图方法应用于高钢级管道环焊缝裂纹缺陷评估的关键。基于非线性有限元法,建立了高钢级管道环焊缝裂纹驱动力的数值仿真模型,采用等效应力应变关系方法构建了环焊缝裂纹的通用失效评估曲线,采用裂纹驱动力的有限元计算结果,结合BS 7910-2019《金属结构中缺陷可接受性评估方法指南》推荐方法,构建了系列不同载荷水平下的有限元评估点,探明了BS 7910-2019 对于环焊缝裂纹缺陷的评估精度,查明了影响评估结果精度的关键原因。在此基础上,考虑裂纹深度、裂纹长度、焊缝强度匹配系数,提出了优化的管道环焊缝极限载荷计算模型以及改进的失效评估图方法,准确将焊缝强度匹配纳入到失效评估图方法中,进一步提高了高钢级管道环焊缝裂纹缺陷的评估精度,可为在役高钢级管道环焊缝裂纹的适用性评估提供参考。(图11,参24)

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刘鹏1,黄维和2,李玉星1,孙明源1,张宇1,张炎1

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地层塌陷沉降是埋地长输管道常见的地质灾害之一。为研究连续塌陷下埋地钢管的力学响应规律,开展了连续塌陷下埋地钢管试验以及数值模拟,分析了连续塌陷过程中埋地钢管变形以及应力变化情况,并校核了塌陷地质灾害下管道力学理论计算结果。研究结果表明:在小范围塌陷时,随着塌陷范围增加,管道变形以及所受应力不断增加,管道中间位移及所受应力最大;当塌陷范围增加到一定程度时,土体完全塌陷,管道呈架空状态,管道位移减小,应力大幅释放,管道中间所受应力明显减小,最大应力位置由管道中间变为管道塌陷边界附近;塌陷地质灾害下进行管道应力计算时,在重力基础上考虑摩擦力或黏聚力的计算结果均大于试验和模拟结果,更具有指导意义。研究成果可为管道防护提供有效的理论指导。(图19,表4,参25)

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李玉星,王财林,胡其会,龚霁昱

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超临界CO2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CO2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CO2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CO2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CO2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)

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罗小明,赫松涛,何利民

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天然气凝析液管道生产中后期常面临管道内积液增加、沿程摩阻增大的问题,定期清管作业对于保障油气管道的安全高效至关重要。在清管过程中,由于传统清管器运行速度与后方驱动气速相同,可能导致其超出控制,从而引发一系列问题。研制了一款新型的射流清管器,并搭建了与之匹配的水平-立管试验系统,以空气、水为介质,开展不同结构参数的射流清管试验,通过LabView数据采集系统对清管过程中的流量、压力、终端液位等进行实时采集。通过改变旁通率、驱动气速、液速等参数探究射流清管器的运动特性,并分析清管器异常运动过程以及射流消除段塞的内在机理。结果表明:采用射流清管器可达到降低清管器运行速度、平缓管道内压力波动、降低清管器前方段塞持液率、控制段塞体积的目的。研究成果可为深入了解射流清管技术机理,推广其工程应用提供参考。(图14,表2,参39)

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宋尚飞1,史博会1,石国赟1,陈玉川2,李匀超1,廖清云1,刘礼豪1,宫敬1

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深海油气在生产运输过程中涉及高压、低温条件,极易产生水合物并导致管道堵塞。对于水合物浆液的气液固流动体系,基于水合物颗粒分散相特性,依据粒径对水合物颗粒进行分类,结合水合物生成/分解动力学模型,模拟水合物颗粒的个数、粒径及运移规律,耦合双流体模型和温度方程,建立了适用于油基体系的水合物浆液多相瞬态流动机理模型。采用交错网格对控制方程进行离散,基于压力基算法,实现了多相流动、水合物颗粒生成/分解动态变化与水合物颗粒运移等多物理场的耦合求解。将该模型应用于某多相混输管道,模拟得到水合物浆液输送管道水合物含量的变化规律,为定量分析水合物浆液输送的堵塞风险提供理论基础。(图12,表5,参37)

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李超1,石俊锋1,杨云飞2,常程2,姬忠礼2

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高效空气滤芯是防止燃气轮机中通流部分产生磨损、腐蚀以及颗粒沉积的关键部件,而在高湿环境中滤芯性能显著降低,严重影响燃气轮机安全运行。选取4 种F9 级滤材制成的滤芯过滤性能进行测试,对比不同状态下滤材抗拉强度,测试滤芯在不同液滴质量浓度下的压降和效率变化。结果表明:滤材抗湿性能主要取决于滤材纤维成分,合成纤维成分可有效降低滤材吸水率,由低吸水率滤材制成的滤芯在水雾影响下维持原有性能的能力更强。研究结果可为燃气轮机进气过滤系统运行维护以及高效抗湿性滤芯的研制提供技术借鉴与参考。(图5,表3,参20)

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何利民1,梁隆杰2,黄天山1

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石油储运设施失效后对其周边公共安全带来挑战,为有效遏制石油储运设施事故造成的恶劣影响,需对多场景下的衍生灾害进行定量评价,开展衍生灾害后果评价体系研究。分析了普通事故与灾害事故的差异性,给出了石油储运设施衍生灾害的定义,用于综合考量灾害事故发生概率及影响后果。从衍生灾害系统、致灾机理以及孕灾环境3 方面提出基于孕灾环境活跃度的衍生灾害评价模型。以石油管道所在的人口稠密区和环境敏感区发生的灾害事故为例,运用衍生灾害评价模型,通过贝叶斯网络计算管道泄漏引发火灾后该地区储运设施的失效概率以及孕灾环境活跃度。结果表明:综合考虑灾害频率和灾害后果建立的衍生灾害评价模型,可表征多场景的灾害损失程度,更能体现储运设施事故的灾害特性,可为石油储运设施的安全措施制定以及应急管理、应急资源规划等提供参考。(图7,表6,参21)

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陈小伟1,张对红2,王旭3

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为解决高钢级管道环焊缝失效难题,提升中国油气管道安全性,系统分析了管道环焊缝失效的影响因素,发现管道环焊缝失效是附加载荷、缺陷、性能劣化以及应变集中综合作用的结果。引起环焊缝应变集中的最关键原因是不等壁厚(包括钢管几何尺寸问题导致的错边),以及焊缝或热影响区软化导致的低强匹配问题。从提高环焊缝承载能力、降低环焊缝应变集中角度,提出一种新型管材设计思路,该管材管端具有极高的几何尺寸精度,不圆度、周长差等接近于0,对接时环焊缝错边和对口间隙接近0,解决了当前因管端几何尺寸导致的错边、不等壁厚等问题;通过增加管端厚度,利用结构补强原理,可大幅提升环焊接头的应力承载能力,解决环焊缝低强匹配以及焊接热影响区软化导致的低强匹配难题,实现管道受力变形时环焊接头不发生或少发生塑形变形,显著提升管道环焊缝安全。(图7,表5,参22)

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