練鴻波，馬蕾，朱琦，楊洋，鐘雯

輸油管道性能監(jiān)測平臺設(shè)計

練鴻波，馬蕾*，朱琦，楊洋，鐘雯

（西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 流體及動力機(jī)械教育部重點實驗室，四川 成都 610039）

設(shè)計了一種能夠模擬輸油管道磨損性能的機(jī)構(gòu)。通過管道更換和夾持裝置兩個關(guān)鍵部件，機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)簡便地更換測試管道，同時能夠輕松地提供所需要的管道測試角度，進(jìn)而研究管道彎角、流體介質(zhì)、流體密度、流體流速流量等參數(shù)對不同材質(zhì)輸油管道磨損性能的影響，從而優(yōu)化輸油過程中對輸送不同的流體特性管道的材質(zhì)和放置角度，減少流體介質(zhì)對管道的磨損，提高管道壽命，并且該機(jī)構(gòu)配備流體回流裝置既保證工程的經(jīng)濟(jì)性又使其綠色節(jié)能。

管道；磨損；流體介質(zhì)；彎角

石油工業(yè)作為國家發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有極為重要的地位。在石油運輸過程中，由于多相流介質(zhì)對石油運輸管道存在沖刷磨損[1]。目前管道運輸在運輸方式中占很大的比例，而且經(jīng)常需要通過管道進(jìn)行多相流介質(zhì)的混輸，在此過程中管道會被逐漸磨損變薄，甚至產(chǎn)生形變。管道的材質(zhì)和彎曲角度都會對管道的壽命有所影響[2]，運輸管道不論是鋪設(shè)在地下還是水下，都要受到外界土壤、水、空氣等對管道外壁的腐蝕[3]，在管道接頭處，由于路線的急劇改變，常常發(fā)生管壁穿孔現(xiàn)象[4]。同時，多相流介質(zhì)自身的化學(xué)特性，又會導(dǎo)致輸送管道壁上出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象[5]。管道在被磨損及腐蝕后，其抗壓能力、抗疲勞性能等均會有所降低，造成工作效率下降，還會縮短機(jī)器的使用壽命[6-7]。所以通過實驗來探尋針對不同輸送物質(zhì)所對應(yīng)的耐磨耐腐蝕性管道材質(zhì)是十分有必要的。在現(xiàn)已研發(fā)的多種磨損實驗機(jī)的基礎(chǔ)上[8]，輸送管道外壁防護(hù)技術(shù)已比較成熟，本研究針對輸油管道易出現(xiàn)損傷的接頭部位和管道內(nèi)壁進(jìn)行了磨損模擬機(jī)構(gòu)的研發(fā)，從而能有效地監(jiān)測出易損部位在不同工況下的磨損情況，以便進(jìn)行優(yōu)化分析，更好改進(jìn)機(jī)構(gòu)的監(jiān)測性能。

管道運輸在石油和天然氣的運輸過程中已經(jīng)被大規(guī)模采用，但近年管道安全事故也層出不窮，這不僅會造成經(jīng)濟(jì)損失，同時也對人身安全存在很大隱患[9]，所以人們加大了對輸送管道磨損腐蝕情況的研究。目前國內(nèi)外主流研究方法分為兩種：數(shù)值模擬研究和實驗研究[10]。高萬夫[11]等人，通過氣固兩相流對不同材質(zhì)的彎管進(jìn)行了沖蝕實驗，研究了一系列影響管道彎頭磨損率的因素。張一帆[12]通過數(shù)字模擬和實驗研究的方法，主要研究了稀相氣力輸送中閘閥內(nèi)部顆粒流動特征及主要壁面的磨損分布，研究發(fā)現(xiàn)最大磨損均發(fā)生在壁面靠近流道處。同時，減少管道系統(tǒng)的磨損既須考慮流體特性，又要兼顧人為因素在管道運輸過程可靠性分析中的重要作用。目前所研究的管道系統(tǒng)的可靠性實際上僅僅考慮了管道設(shè)備系統(tǒng)本身，并沒有建立影響管道系統(tǒng)安全的人為因素體系。因此，對油氣長輸管道系統(tǒng)中人為因素進(jìn)行分析，有利于更進(jìn)一步研究人－機(jī)系統(tǒng)的可靠性，真正掌握管道系統(tǒng)的可靠性[13]。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計方案

1.1 主要結(jié)構(gòu)功能

圖1為機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖。

1.流量傳感器2.圓環(huán)支架3.彎管4.機(jī)架5.圓盤6.供梯形滑塊安裝和更換的開口7.圓形滑槽8.液體箱9.液壓泵10.過濾器11.計算機(jī)控制系統(tǒng)

從圖1可以看出機(jī)構(gòu)主要分為三個部分：輸油管道置換裝置、油液儲備及運輸設(shè)備、計算機(jī)控制系統(tǒng)。

機(jī)構(gòu)的輸油管道置換裝置由圓盤5及安裝在圓盤上的圓環(huán)支架2、彎管3、供梯形滑塊安裝和更換的開口6、圓形滑槽7構(gòu)成，主要實現(xiàn)彎管的安裝、更換及角度調(diào)節(jié)等功能。其中，靠近圓形滑槽的圓盤頂面上設(shè)有刻度表，通過移動夾具以研究管道彎曲程度對管道磨損的影響；圓環(huán)支架豎向設(shè)置，圓環(huán)支架的底部通過固定桿固定在機(jī)架上，圓環(huán)支架的圓孔直徑與圓盤外徑相當(dāng)，圓盤嵌進(jìn)圓環(huán)支架的圓孔中且圓盤的端面與圓環(huán)支架的環(huán)面相互垂直，圓盤通過設(shè)置在其側(cè)部的兩組對向設(shè)置的可拆卸導(dǎo)軌固定在圓環(huán)支架上。

油液儲備及運輸設(shè)備由液體箱8、液壓泵9、流量傳感器1和過濾器10組成，為實驗過程提供流體介質(zhì)的儲備、運輸功能，同時實現(xiàn)流體的過濾及流量監(jiān)控。

計算機(jī)控制系統(tǒng)11可設(shè)定實驗流體介質(zhì)相關(guān)參數(shù)，并采集液壓泵9、過濾器10、流量傳感器1的瞬時數(shù)據(jù)，對實驗過程進(jìn)行實時反饋監(jiān)控，使實驗數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定性及可靠性。

實驗過程中，流體介質(zhì)經(jīng)液體箱由管道出液口流入液壓泵，流過過濾器后，由管道及測試裝置經(jīng)管道回液口流回液體箱。液體箱可以為整個機(jī)構(gòu)儲存和提供實驗所需的流體介質(zhì)，方便實驗流體介質(zhì)的隨時更換。同時流體介質(zhì)在整個機(jī)構(gòu)上完成一個工作周期后還能夠流回液體箱，實現(xiàn)流體介質(zhì)的重復(fù)利用，從而提高機(jī)構(gòu)整體的經(jīng)濟(jì)適用性。液體箱上方的機(jī)架能夠起到良好的穩(wěn)定支撐作用，不僅能有效支撐起運輸管道和圓盤等結(jié)構(gòu)，而且還能起到一定的緩沖減震作用。液壓泵能夠調(diào)節(jié)介質(zhì)運輸過程中流體流速和流量。在液壓泵的出口，管道內(nèi)部還安裝有一個可更換的過濾器，能夠為實驗人員提供理想密度的介質(zhì)，即可進(jìn)行同種介質(zhì)在不同密度工況下的磨損模擬實驗。輸油管道置換裝置通過四個管道夾具可夾持半徑在一定范圍內(nèi)的管道，便于更換不同材料和尺寸的管道。通過調(diào)節(jié)四個夾具間的相對位置，可安裝不同彎曲度的彎管，以研究管道彎角對管道磨損性能的影響。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，通過計算機(jī)控制液壓泵流量，流量傳感器可測出進(jìn)入試驗管道前流體介質(zhì)的速度，并通過計算機(jī)計算出流體介質(zhì)對管道的沖擊力，借助微觀測試技術(shù)分析管道磨損情況，從而建立不同工況下流體介質(zhì)沖擊力與管道磨損率之間的關(guān)系。

1.2 設(shè)計原理

輸油管道運輸結(jié)構(gòu)一旦建成，其設(shè)計使用壽命一般為20年。在需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送的任務(wù)中，對管道的要求極其關(guān)鍵。管道的好壞對后期維護(hù)成本的高低、運輸效率都有著至關(guān)重要的影響。在整個運輸過程中，一旦管道出現(xiàn)破損，將導(dǎo)致巨大的材料浪費，同時也需要維修人員及時出現(xiàn)在破損的管道處進(jìn)行維修，結(jié)果不僅僅加劇了成本的投入，還會導(dǎo)致運輸效率下降，從而造成各個方面的影響。輸油管道性能監(jiān)測平臺將通過實驗所得的客觀數(shù)據(jù)為輸送管道的選擇提供科學(xué)依據(jù)，同時將提高整個輸送網(wǎng)絡(luò)的運輸效率、降低管道的破損概率，從而大大減少后期維護(hù)的投入和材料的浪費。

實驗裝置能有效模擬各種工作環(huán)境，操作人員可以根據(jù)管道的實際工作環(huán)境進(jìn)行布置，例如管道埋在什么性質(zhì)的土壤下、管道受到的外部壓強(qiáng)是多少等因素。而最重要的實驗參數(shù)都可以通過計算機(jī)設(shè)定來進(jìn)行實驗，例如流體介質(zhì)在管道運輸過程中的速度。在整個運輸過程中最容易破損的部位是彎管處，所以試驗裝置進(jìn)行了重點突出，無論是什么樣的彎曲角度都可以通過圓形滑槽進(jìn)行設(shè)定，從而符合實際工作環(huán)境。

實驗裝置的優(yōu)點在于，第一，對實驗空間的需求相對較小，進(jìn)行實驗的管道只用截取部分；第二，可以測試不同彎曲程度的管道；第三，整個實驗過程采用循環(huán)系統(tǒng)，使裝置節(jié)能環(huán)保；第四，能模擬各種需要的實際工作環(huán)境，使實驗結(jié)果更加滿足客觀規(guī)律。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計

機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵是管道更換與夾持裝置，主要由安裝在圓盤滑槽上的兩個V型壓塊I和滑塊II組成，如圖2所示。

兩個V型壓塊對向設(shè)置并通過螺釘固定，且二者之間配合形成固定輸油管道的夾持腔，位于下端的V型壓塊通過固定桿與滑塊連接，滑塊置于圓形滑槽中，并通過套裝在固定桿上的螺母與圓盤表面貼靠以調(diào)節(jié)滑塊松緊，夾具上固定實驗用彎管（可為兩通或三通或四通接頭），通過夾持腔上的管道相互連接形成管道通路。

I.V型壓塊II.滑塊

圓形滑槽截面呈梯形，滑塊為與梯形滑槽配合的梯形滑塊，圓形滑槽上開設(shè)有供梯形滑塊安裝和更換的開口。圓環(huán)支架與圓盤上均設(shè)有刻度表，能測量管道與水平方向的夾角，并通過移動夾具來改變管道的彎曲角度與傾斜角度，用于研究彎角及傾斜角度對管道磨損的影響。該機(jī)構(gòu)能有效模擬出不同管道接頭處的接合情況和所需的接合角度，以此模擬出不同實際工況下的工作狀態(tài)，使監(jiān)測出的數(shù)據(jù)更加真實可靠。

3 結(jié)論

本研究針對輸油管道的磨損問題設(shè)計了一種輸油管道磨損模擬機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理、測量方便，可以模擬多通道多材質(zhì)管道在不同流體介質(zhì)、不同輸送密度及速率工況下的輸油管道內(nèi)壁磨損情況，為實際工程應(yīng)用中輸油管道對不同流體介質(zhì)的材質(zhì)選取、彎曲度、傾斜度等問題提供最佳的科學(xué)解決方案，從而提高管道的使用壽命，增強(qiáng)管道運輸系統(tǒng)的可靠性，降低安全事故的發(fā)生，減少運輸成本。

[1]代真，沈士明，丁國銓. 金屬在固液兩相流體中的沖刷腐蝕及其防護(hù)[J]. 腐蝕與防護(hù)，2007，28（2）：86-89.

[2]吾蘭·巴克達(dá)什，劉建國，李自力，等. 油氣輸送管道多相流磨損腐蝕的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 裝備環(huán)境工程，2017，14（3）：112-116.

[3]王長宏. 油氣管道的防腐及其應(yīng)用[J]. 機(jī)械，2011，38（S1）：39-40.

[4]姚振鞏. 深井充填管道輸送系統(tǒng)優(yōu)化研究[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā)，2008，28（2）：7-9，53.

[5]楊建煒，張雷，路民旭. 油氣田CO2/H2S共存條件下的腐蝕研究進(jìn)展與選材原則[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2009，21（4）：401-405.

[6]楊景文. 定向井井下套管磨損分析及安全評價[D]. 西安：西安石油大學(xué)，2013.

[7]高路. 山地城市排水管材選用及其設(shè)計參數(shù)選擇研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué)，2017.

[8]王劍，耿玉旭，程志濤，等. 多功能摩擦傳動實驗機(jī)研制與實驗研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2016，35（11）：1738-1744.

[9]張碩. 石油天然氣長輸管道危險性分析[J]. 中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018（40）：65.

[10]M.M. Stack， S.M. Abdelrahman， B.D. Jana. Some perspectives on modelling the effect of temperature on the erosion–corrosion of Fe in aqueous conditions[J]. Tribology International，2010，43（12）：2279-2297.

[11]高萬夫，鄭雁軍，崔立山，等. 管道彎頭磨損特性的研究[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2003（4）：56-60.

[12]張一帆. 不同濃度下閘閥氣固兩相流致模擬數(shù)值模擬及實驗研究[D]. 浙江：浙江理工大學(xué)，2018.

[13]張鵬，王賴民，陳利瓊，等. 油氣長輸管道系統(tǒng)中人的可靠性因素體系分析[J]. 機(jī)械，2007（6）：8-10，52.

Design of Performance Monitoring Platform for Oil Pipeline

LIAN Hongbo，MA Lei，ZHU Qi，YANG Yang，ZHONG Wen

( Key Laboratory of Fluid and Power Machinery Ministry of Education,Department of Mechanical Engineering,Xihua University, Chengdu 610039, China )

In this paper, a mechanism which can simulate the wear performance of oil pipeline is designed. The mechanism can easily take the place of the test pipe by the two key components of pipeline replacement and clamping device. At the same time, it can conveniently provide the required pipeline test angle, and then make a study of the effect of pipe bending angle, fluid medium, fluid density, fluid velocity and flow rate on the wear performance of different materials, as a result, the material and placement angle of the pipeline with different fluid characteristics can be optimized, the wear of the fluid medium to the pipeline can be reduced, and the service life of the pipeline can be improved. In addition, the mechanism is equipped with a fluid backflow device to ensure the economy of the engineering and the green energy-saving of the engineering.

pipe；wear；fluid medium；pipe angle

TE973

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.03.012

1006－0316 (2020) 03－0067－04

2019－09－18

西華大學(xué)“青年學(xué)者后備人才”支持計劃項目資助（DC1900007149）

練鴻波（1997－），男，四川內(nèi)江人，本科生，主要研究方向為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

馬蕾（1987－），女，河南漯河人，博士，講師，主要方向為機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計、高速摩擦制動，E-mail：sheshuyuan@163.com