管道泄漏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软件建立管道泄漏模型，并针对管道受泄漏状态进行计算流体力学（computational Fhid DynanIics，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及不同形状泄漏孔状态下管道的形变。结果表明：管道每腐蚀2mm，管道的形变量最大将增大至5.2xlO_9 m：当管道泄漏时不同形状的泄漏孔附近的形变量会发生改变且在泄漏孔附近的形变量为最大。

【关键词】CFD 模拟 管道泄漏 管道监测

1、引言

因此，国内外研究者对于管道检测及监测技术手段展开了深入的研究，其检测技术及相关手段呈现多样性。总体而言，管道检测可分为管道腐蚀检测和管道泄漏检测两大方面。能夠同时用于管道腐蚀和管道泄漏的检测及监测方法主要包括：漏磁检测、声发射检测和光纤传感检测。其中光纤类传感技术在安全性、测量精度和长距离传输方面有明显优势，可以满足管道腐蚀及泄漏监测的潜在要求。光纤传感检测技术是通过检测管道的形变量，来判断管道的运行状态。管道在腐蚀及泄漏状态形变量会发生改变。为了检测出管道的形变量，可以借助Ansys软件进行仿真，通过该软件可以仿真出管道在不同状态下的应力分布情况。根据仿真结果可以选择适合的应力传感器，来检测管道的形变量，从而达到管道监测的目的。

2、管道泄漏仿真原理

流体的流动应遵循：质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学组分守恒等一系列标准流体力学守恒方程组。不考虑管道连接处局部流体扰动问题和传热问题，假定流体密度为常数，流体为不可压流动。该仿真中流体的控制微分方程分别如式（1）、（2）、（3）所示：

式中，Uj：J方向速度，单位：m/s;xi;i传输距离，单位：m;p：流体密度，单位：kg/（m/s）;T：温度，单位K;Cp;混合流体的定压比热，单位：J/（kg-K）;Cpv：泄漏物质的定压比热，单位：J/（kg-K）; Cpa：空气的定压比热，单位：J/（kg-K）。

由于原油管道输油速度较大且管径较粗，导致雷诺数较大，因此管内流体流动一般属于湍流状态，在求解时的湍流模型采用标准k—ε模型，k—ε模型是由Launder和Spalding提出的双方程模型，标准k一ε模型通过求解湍流动能方程和湍流方程得到湍流动能k和耗散率ε的解，湍流动能方程和湍流牦散方程分别如式（4）、（5）所示

式中，p为介质密度，单位：kg /m3;t为时间，单位：s;ui为i方向的速度，单位：m/s;x.为i方向的位移，单位：m;Xj为j方向的位移，单位：m;μ为分子粘度;μt为湍流粘度;Gk为平均速度梯度产生的湍流动能，单位：J;Gb为浮力产生的湍流动能，单位J;YM为可压缩流体的湍流波动扩张对整体的耗散率的影响;C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε =0. 99为经验常数;Sk和Sε为用户定义源项。

3 仿真结果分析

图（1）为不同直径的泄漏圆孔与无泄漏的原油管道变形分布云图，其变形量及受压状况如表（1）所示。通过对比可以表明：管道在正常工作状态下管道的变形量呈较均匀分布状态。在相同管道内部压力的情况下，当管道泄漏时管道的变形量及泄漏孔附近的压力会急剧增大：且不同形状的泄漏孔附近的变形量都会变大且各不相同。

4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，得出结论如下：管道在正常工作时变形量极小，当管道一旦泄漏管道原有的状态将被打破，泄漏孔附近的变形量会急剧增大。因此，可以通过检测管道形变的变化来判断输油管道的工作状态。

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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。