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2024年11期 43  封面 目次  
刘朝阳,关中原,赵佳雄,吴珮璐,张腾,祁梦瑶
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【目的】能源转型趋势下,油气资源仍将作为重要的能源与化工原料,在推动全球经济复苏、新型能源体系建设、保障生产生活等方面发挥重要作用。随着油气管网规模进一步扩大,氢气、甲醇、氨等新能源及CO2等非常规介质扩展了管道承运对象,使油气储运工程领域面临诸多新的研究课题。【方法】以《全球工程前沿》报告、CNKI平台、SciVal平台、Web of Science(WoS)核心合集作为数据来源,对油气储运工程领域国际前沿研究热点及CNKI数据库、Scopus数据库以及WoS核心合集的高频关键词、热点方向发文量等反映行业科技发展趋势的内容进行分析,挖掘整理油气储运工程领域当前科研热点与未来发展方向。【结果】在前沿主题分析中,得出“海洋深水”油气资源开发与储运、人工智能赋能油气储运工程发展两个发展方向;基于CNKI平台数据对《油气储运》近年发文进行分析,得出氢能储运、管道内检测、CO2储运、油气管网多能融合灵活输运等发展方向;在SciVal主题群关键词云图分析中,得出管道安全、风险评估、碳排放控制与环境影响评估、油气泄漏与应急响应等发展方向;在基于WoS核心合集的油气储运工程领域研究热点分析中,得出管输流体行为、管道设计、损害防护、系统优化、风险管理、材料性能、智能控制、管道特征提取与数据分析等发展方向;在基于WoS核心合集的油气储运工程领域发文贡献国家与机构分析中得出近5年中国、美国、德国、英国是发文贡献最多的国家,其中中国占比31.46%,中国科学院、中国石油大学、美国能源部是发文贡献最多的机构,可以持续关注这些国家与机构的研发动态。【结论】油气储运工程未来发展方向主要包括:人工智能与油气储运工程技术的全面融合;“双碳”战略背景下的多能融合输送及能源互联网的构建;适应深远海油气资源开发利用的海底管道规划、设计敷设、风险监控、应急响应等系列技术研发以及海陆管道“全国一张网”建设;应从理念与技术两方面不断提高油气管道工程规划与建设中的环境保护与生态安全水平。(图9,表2,参28)
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宋雨霖,李玉星
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【目的】在能源转型大背景下,氢能备受关注,建立可靠的氢气输送系统必不可少,而临氢管道建设需要对氢环境下管材氢脆导致材料失效的风险进行评价。氢进入管线钢引发氢脆需要6个步骤,其中对于氢产生、氢吸附步骤的相关研究尚不成熟,学者对氢吸附的机理认识存在分歧,因此研究氢气在管线钢表面的解离吸附机制尤为重要。【方法】聚焦于氢产生、氢吸附步骤,系统综述了氢气在管线钢上的解离吸附机制,通过Lennard-Jones势能曲线描述氢在金属铁表面相互作用过程,基于热力学与密度泛函理论模拟计算氢在铁表面上的解离吸附方式,并通过分析轨道成键、电荷转移得到氢在铁表面的解离吸附机理,提出氢解离吸附的环境、金属表面、氢自身3种影响因素,并总结得出相应的抑制氢解离吸附方法。【结果】氢气可通过活化解离为氢原子的方式吸附于金属铁表面并进入管材内部,其机理主要为H2与Fe发生轨道杂化作用使得H—H键断裂形成H—Fe键。氢质量分数、氢流动状态、杂质气体、温度、铁表面状态等因素均会对氢解离吸附产生不同程度的影响,基于此提出涂层、腐蚀膜、保护气3种阻氢方法,从表面吸附过程抑制氢进入管线钢引发氢脆,其中保护气方法最为经济便捷。【结论】该研究明确了H2在管线钢表面解离吸附的具体实现过程,未来需对多因素耦合条件下的氢解离吸附进行研究并提出经济有效的阻氢方案,为临氢管道完整性管理打下基础,为临氢管材安全性提供保障。(图3,表1,参52)
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喻西崇,尚景宏,刘超,吴雨霏,王云鹏
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【目的】海上风电平台大都采用无人平台,运行环境复杂、可达性差、出海窗口期短等因素导致运维成本高昂,因而运维人员、物资在船舶与风机之间的安全快速转移成为海上风电运维亟需解决的问题。【方法】结合中国海上风电场的实际情况,系统梳理了单体船、双体船、三体船、小水线面船、运维母船5种常用的海上风电运维船舶特点,进而全面分析了不带运动补偿系统的登靠技术、带波浪运动补偿系统的登靠技术以及直升机登靠风机平台等海上风电平台登乘技术现状、特点及影响因素。【结果】以南海某远海风电场为例,对双体船、运维母船以及在换流站旁新增一座固定式生活支持平台3种通达运维方案进行对比分析,综合考虑可达性及成本费用,推荐采用换流站旁新增一座固定式生活支持平台、风电场内人员采用转运船转运的运维通达方案。【结论】基于海上风电发展的迫切需求及现代科学技术的发展趋势,提出深远海浮式风电场登乘与通达性技术及装备、海上风电智能化与智慧运维技术与装备、重型无人机与载人飞行器登靠与通达技术及装备以及海上风电登乘与通达技术标准4个未来重点攻关方向,并基于当前垂直起降飞行器(eVTOL)的技术优势,建议开展eVTOL在海上风电场登乘与运维领域的示范应用,以推动海上风电全产业链高质量发展。(图2,表4,参22)
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欧阳欣1,李玉星2,路建鑫2,柳歆3,柴冲1,贾启运2,王武昌2,钱昊楠2
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【目的】超临界/密相CO2管道输送是CCUS中的重要环节,但气源产出不稳定、终端用量波动等原因,会引起CO2管道内部介质水力热力参数的动态响应,持续或较大幅度波动可能造成管道和设备失稳。目前针对超临界/密相CO2管道输送水力热力计算模型以稳态计算与经济评价为主,瞬态计算模型较为欠缺。【方法】基于流体力学基本守恒方程,结合CO2相特性特点,建立一维含杂质超临界/密相CO2管道流量波动瞬态仿真计算模型,并对该模型进行数值求解计算,实现了不同流量瞬变工况的管道沿程水力热力参数变化规律动态仿真,并将模型与行业瞬态仿真软件OLGA进行了对比分析。【结果】超临界/密相CO2管道流量波动瞬态仿真计算模型与OLGA软件的计算结果趋势一致,模型计算压力、温度响应略高于OLGA计算结果,二者对于出口温度、压力响应相对变化量的计算差距在2%以内,满足工程计算精度要求。同时,在瞬态计算过程中,与OLGA软件相比,新建模型更加稳定,不会出现数值突变现象,可用于超临界/密相CO2管道流量瞬变工况温压动态响应预测。【结论】针对超临界/密相CO2管道建立的一维管道流量波动瞬态仿真模型与OLGA软件模拟结果对比发现,该模型计算精度较高,研究成果可为CO2管道设计与工艺仿真软件国产化提供理论支撑。(图6,表4,参27)
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赵赏鑫1,庞贵良1,邱姝娟1,黄鑫2,滕霖2
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【目的】新兴能源甲醇在能源转型中具有重要地位,采用成品油管道顺序输送甲醇可降低输送成本、提高输送效率,但甲醇与汽油、柴油之间特殊的相溶性问题对成品油管道顺序输送甲醇工艺具有较大影响。【方法】自主设计研发了甲醇-成品油混合相溶性实验装置,对不同醇油比、不同含水率下甲醇-成品油混合体系的相分离温度进行了实验研究。【结果】①在-10~50℃温度范围内,无水甲醇与汽油能够完全相溶。②在含水甲醇-汽油中,水分子与甲醇分子所形成氢键的强度远大于甲醇与汽油之间的结合力。微量水会导致甲醇与汽油的相溶性降低,甲醇含水率每增加0.2%,相分离温度升高7~8℃;随着醇油比增大,含水甲醇与汽油的相分离温度先增大、后减小,并在含水甲醇体积分数40%时达到最高。③无水甲醇与柴油存在明显的分层现象,随着温度的升高,柴油在甲醇中的溶解度增大。④含水甲醇与柴油不能完全相溶,随着含水率增大,柴油中的甲醇更易析出。⑤温度的降低会导致甲醇与成品油的相溶性降低,甲醇-成品油混合体系从底部开始析出液滴,且液滴在浮力的作用下不断上浮。【结论】厘清了不同条件下甲醇-成品油混合体系相溶性的影响规律,揭示了降温过程中甲醇-成品油混合体系分层演变规律,研究成果可为成品油管道顺序输送甲醇工艺的设计与运行提供科学依据及数据支撑。(图15,表1,参27)
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宋福霖,赵弘,苗兴园
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【目的】截至2025年,中国油气管网规模将达到24×104km,管道输送已然成为中国油气运输的重要方式之一。受管道周围土壤环境等因素影响,管道腐蚀现象时有发生,降低了管道的使用年限。为保障埋地管道的安全运行,需有效预测其所受腐蚀程度。【方法】将随机森林(Random Forest,RF)算法与多目标优化方法相结合,提出腐蚀机理引导下的埋地管道点蚀深度预测模型,将管道腐蚀的腐蚀机理知识引入机器学习模型中,提高模型的可解释性。根据特征变量之间的交互作用机制,构建新的特征变量,以更好地反映管道周围土壤环境的影响因素。通过随机森林算法中的基尼系数计算新特征空间中所有特征的重要性,利用混合多目标灰狼优化(Hybrid Multi-Objective Grey Wolf Optimization,HMOGWO)算法求解随机森林算法的最优超参数,并将特征选择融入多目标优化中。在多目标优化的过程中,综合考虑特征数量、预测准确率、模型稳定性3个优化目标,并设计综合评价指标,对比分析Pareto解集,以获取特征子集与最优超参数组合,得到最具代表性、优化性能最佳的特征子集,提高模型稳定性与预测准确性。【结果】模型设计完成后,采用实际埋地管道的点蚀数据集对模型进行验证,将三目标HMOGWO算法与RF模型相结合,模型的预测性能及稳定性远超三目标灰狼优化算法、双目标HMOGWO算法、双目标灰狼优化算法、单目标灰狼优化算法及单目标粒子群优化算法。【结论】该模型可以实现埋地管道最大点蚀深度的准确预测,所提出的腐蚀机理引导下的埋地管道点蚀深度预测模型可以提高管道腐蚀预测的可解释性与准确性,有助于延长管道的使用寿命,对于石油和天然气运输行业具有重要的实际应用意义。(图12,表2,参22)
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付双成1,余冰锋1,辛佳兴2,丁融3,杨帆3,闾宏为3,陈金忠2,完小康2
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【目的】传统管道漏磁检测技术对于与磁力线夹角较小的裂纹缺陷检出能力不足,为保障油气管道的安全运行,亟需一种能够准确检出此类缺陷的检测方法。【方法】结合漏磁与交流电磁场检测技术的优势,提出了一种基于偏置交流电磁场检测技术的管道裂纹内检测方法。根据偏置交流电磁场检测基本原理,分析了裂纹角度对试件内部磁场及表面涡流场分布的影响规律,通过建立有限元分析模型,厘清了管道有无裂纹对其内部磁场及表面涡流场分布的影响,并搭建了偏置交流电磁场检测实验平台,验证了方法的可行性。【结果】对于内壁不同角度θ的裂纹,当0°≤θ≤15°时,信号特征呈现出先波谷后波峰的分布;当15°<θ≤90°时,发生相位翻转,信号特征呈现出先波峰后波谷的分布。当内壁裂纹角度为0°≤θ≤45°时,裂纹响应信号峰谷值Umax-min随内壁裂纹角度增大逐渐减小;当内壁裂纹角度超过45°时,Umax-min随内壁裂纹角度增大而增大。对于内外壁不同深度裂纹,其响应信号特征均呈现出先波峰后波谷的分布,Umax-min随内外壁裂纹深度的增加逐渐增大。【结论】该方法可有效识别管道内壁宽0.3mm的不同角度裂纹及宽0.5mm、角度90°的不同深度裂纹,且对外壁宽0.5mm、角度90°、不同深度裂纹的最小检测深度为30%t(t为壁厚),具备对管道内壁不同角度裂纹及内外壁不同深度裂纹的定量识别能力。(图13,表2,参21)
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石彤1,刘啸奔1,张琳2,王军3,李睿2,谢婷1,冯庆善2,黄启玉1
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【目的】基于惯性导航(Inertial Mapping Unit,IMU)内检测器的管道弯曲应变识别技术目前已被国内外广泛应用。IMU内检测器通过陀螺仪获取的俯仰角、航向角等进行解算并获取管道全线弯曲应变,由于内检测器实际运行时存在因自身尺寸等原因造成的检测轨迹线偏移,导致IMU检测弯曲应变与管道真实弯曲应变之间存在一定误差。【方法】基于实际内检测器尺寸建立无异常振动等干扰的IMU内检测器仿真模型,构建管径508mm管道不同弯曲应变条件下的仿真数据库,提出基于神经网络-决策树深度学习模型的解算优化算法,开展了误差分析与弯曲应变解算算法研究。开展全尺寸管道弯曲应变牵拉试验,验证解算优化算法的可行性与准确性。【结果】随着管道弯曲应变增大,IMU内检测器检测弯曲应变与管道真实弯曲应变之间的误差随之增大。解算后弯曲应变数据的均方误差、误差协方差、误差标准差分别由0.0070、0.0049、0.0702降低至0.0012、0.0016、0.0126,而表示相关性的决定系数由0.443增至0.981。采用全尺寸牵拉试验验证该算法,弯曲应变与应变片检测真弯曲应变之间误差分别降低了79.6%、79.4%、76.0%。【结论】通过有限元模拟与全尺寸牵拉试验数据验证了所提出解算优化算法的可行性与准确性,可为基于IMU内检测的管道真弯曲应变获取提供技术支撑与指导。(图9,表2,参25)
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谢振强1,李清平1,杨硕2,姚海元1,秦蕊1
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【目的】水合物浆液输送可有效节约药剂使用成本,有望成为一种安全、经济、高效的天然气海管运输模式,目前研究多为限定形状的水合物生成和水合物浆液流变性的实验研究,水合物浆液自发结晶与流动剪切下的结晶研究较少。结晶是影响水合物浆液流变性的关键因素之一,对浆液中水合物结晶生长的研究有助于深入分析与预测海管的流动状态,对海管流动安全保障具有重要意义。【方法】首先通过理论分析了四氢呋喃(THF)水合物自发结晶过程,并利用偏光显微实验验证了该理论;进而使用高精度流变仪,探究动态剪切作用对结晶生长特性的改变及剪切速率、降温速率等因素对水合物浆液流变性的影响。【结果】静态原位THF水合物以棒状结晶生长,晶体的轴向生长速率大于径向生长速率;剪切作用使THF水合物析晶数量增多、单晶尺寸减小,同时促进棒状晶转变为块状晶。浆液黏度随剪切速率增大呈指数型下降,随体系降温速率增大先快速增加后达到稳定,随THF质量分数的提高而快速上升。【结论】THF水合物棒状晶端部更小的界面能与更大的温度梯度促进晶体轴向生长,而剪切作用会强制改变晶间方位,促使棒状晶团簇形成块状晶。研究结果可为流动体系水合物生成及水合物浆液输送等相关研究提供参考。(图9,表1,参21)
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李庆1,刘洪飞1,金曼青2,张瑛3,梁法春2
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【目的】油井产量计量是评估油井资源储量和产能的重要依据,可为资源开发和管理提供参考。井口采出介质一般为多相流体,现有物理计量方式投资过高且流程复杂,虚拟计量方式需要监测参数多,实施难度与计算成本大。【方法】采出流体通过油嘴节流后将产生温降与压降,为了提升单井虚拟计量系统的准确性与改善系统维护的便捷性,融合压差波动特征与温差信号提出油嘴节流实现油气计量新方法。推导建立了耦合差压、流量、质量含气率的油嘴节流流量机理方程。以节流温差、压差均值、标准差等9个特征为输入参数构建深度神经网络,通过数据驱动实现质量含气率的反演预测。以10mm真实油嘴为测试对象,在气液两相流环道上开展试验测试,试验气相、液相折算速度范围分别为1.73~12.09m/s、0.03~0.35m/s,测试流型包括分层流、波浪流、段塞流以及环状流。【结果】流量计量方程含气率适应范围0~100%,且不受流型、气液流速、系统压力变化等影响,质量含气率及流量计量误差均低于±10%。【结论】基于物理-数据融合的油嘴气液两相虚拟计量方法仅依赖于油嘴现有温度、压力测量系统即可实现气液流量的虚拟计量,无需储藏、井筒以及集输管网信息,也无需投入额外测量仪表,且数据采集与建模成本低,具有广阔的推广应用前景。(图9,表3,参27)
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杨瑞1,2,孙猛1,赵慧莹1,傅居元3,渐令3,温文1,吴超1
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【目的】随着“双碳”战略的实施以及新型能源体系的加速构建,中国原油消费即将进入平台期,且未来将逐步下降已经成为行业共识,研究中长期原油需求发展趋势、厘清影响原油需求的驱动因素,对国家原油产业稳健发展、能源政策制定与评估以及新型能源体系建设具有重要意义。【方法】基于系统动力学方法建立中国原油中长期需求情景分析模型,包含经济、人口、原油供给、科技、环境5个子系统,统筹考虑各子系统的发展实际及未来可行性,设置了基准情况、经济高速情景、能源替代情景等6种不同发展情景对2023—2070年中国原油消费需求进行模拟。【结果】在不同发展情境下,原油需求的达峰时间、峰值以及发展路径略有不同但发展趋势一致,大部分情景在2028—2031年达峰并进入峰值(7.5×108~7.8×108t)平台期,随后进入下降趋势,至2050年前后下降速率逐步放缓,2060年前后进入新的平台期,原油需求量在2×108t左右;2050年之前原油燃料需求占比大于原料需求,主要应用于交通运输行业,2050年后原油原料需求超过燃料需求,成为主要消费属性,并一直保持该趋势;在诸多影响因素中,经济发展与科技投资是影响原油需求的最主要驱动因素。【结论】提出保障中国原油产业稳健发展的建议:持续推进产业结构转型升级,进一步提升原油利用效率、促进低碳/零碳等原油替代产业发展,推动原油消费清洁化,持续加大原油勘探开发投入,加快科技创新支撑研发等,保障中国社会经济、能源结构转型、能源供应安全协同稳健发展。(图8,表7,参22)
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唐浩然1,熊俊楠1,2,雍志玮3,陈文杰1,刘傲儒1,王启盛1,肖慧文1,王荣康1
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【目的】传统燃气管道高后果区识别方式受限于人员熟练程度与人为主观判断影响,存在效率低及人为误差较大等问题。近年来,卫星影像数据与地理信息系统(Geographic Information System,GIS)的引入在一定程度上改善了上述问题,但单一数据依然难以满足燃气管道高后果区识别与分级对数据多样性的需求,限制了识别与分级工作的定量化与自动化程度。通过多源数据获取建筑物空间及属性信息,提出燃气管道高后果区识别与分级方法。【方法】基于无人机采集的高分辨率正射影像,构建一种优化建筑物边缘提取效果的深度学习模型SEU-Net(Squeeze-and-Excitation U Network)从正射影像中提取管道周边建筑物轮廓;在引入兴趣点(Point of Interest,POI)获取建筑物种类信息的同时,通过三维点云获取高精度数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)与数字表面模型(Digital Surface Model,DSM),计算建筑物高度;基于GIS的空间分析功能与属性处理能力,计算建筑物面积,整合建筑物空间与属性信息。设计了燃气管道高后果区识别与分级算法。【结果】以四川省遂宁市某燃气管道为例验证该方法,与传统识别结果相比,应用该方法识别出人工未能识别的建筑物17座,减少误识别高后果区管段0.369km。【结论】该方法具备更高的准确度和效率,在燃气管道完整性管理领域具有很好的应用潜力。(图4,表1,参19)
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周照恒1,2,李玉星1,林敏2,郭宏帅2,王建夫2
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【目的】2019年,在金坛盐穴储气库带压测腔施工过程中,发现有2个注采气井的脖颈收缩严重,与2013年的检测结果相比,体积收缩率分别达66%与72%。为避免脖颈继续收缩导致脖颈段通道堵塞,保障注采气的安全稳定运行,需开展腔体脖颈收缩原因研究,有针对性地提出预防及治理措施。【方法】参考金坛盐穴储气库中2个腔体的生产运行数据、脖颈形状测量数据、地质条件、岩盐力学参数等资料,采用数值模拟分析、多臂井径仪测量、井下电视观察等手段对脖颈收缩原因进行研究。【结果】2个腔体的生产运行情况均符合设计要求;数值模拟结果显示,在设计运行压力7~15MPa范围内,脖颈半径的最大蠕变收缩量为7.62mm,压力对脖颈收缩影响较小;多臂井径仪的测量结果与声呐测量数据基本相符,排除了测量出现误差的可能性;井下电视观察结果显示脖颈收缩处有大量盐结晶。【结论】盐穴储气库按照设计压力运行,可有效避免蠕变所引起的脖颈收缩;脖颈收缩主要由盐结晶导致,盐结晶则主要由注采运行过程中凝析水附着在脖颈处引起岩盐重结晶导致。对此可采取优化监测手段及监测周期、优化脖颈段工艺设计、治理腔内残留卤水等手段对脖颈收缩进行预防,并可采用连续油管射流清洗技术进行脖颈堵塞治理。(图7,表2,参24)
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