压力管线力学行为分析及其在线监测系统研究

作     者：陈大卫 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈国清

授予年度：2019年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：压力管线 冲蚀 有限元模拟 损伤识别 监测系统 

摘      要：高压气井井场压力管线是油气井开采和生产的重要采输部件。随着油气开采条件的不断劣化,以及一些夹砂压裂、酸化等增产工艺的应用,高压环境和流体颗粒冲蚀会对压力管线造成严重的损伤,甚至会发生管线刺漏、爆裂等安全事故。为了能够及时有效地发现管道内部结构的损坏情况,对压力管线进行实时在线监测显得尤为重要。本文主要是针对压力管线的冲蚀过程进行流体力学模拟计算,采用液-固流体冲蚀模型对压力管线进行冲蚀损伤分析,并研究管线在高压载荷下的力学行为,进一步构建压力管线在线监测系统。本文通过建立弯管冲蚀有限元模型,采用FLUENT软件模拟研究液-固流体对弯管的冲蚀行为,同时分析不同流体因素对冲蚀损伤的影响规律。结果表明,弯头内壁的外拱处冲蚀损伤较为严重,范围从外拱中部到弯头出口处,且靠近出口处冲蚀率较大。采用ANSYS有限元软件对不同缺陷深度的损伤弯管进行结构静力学分析。结果表明,弯管缺陷处会发生应力集中现象。环向应变随着缺陷深度的增加,呈现指数式的增长,且达到0.5倍壁厚时开始急剧变大。采用液-固冲蚀模型对直管进行损伤分析。结果表明,直管的冲蚀效果没有弯管明显,主要表现为管壁上均匀分布的凹坑。对部分凹坑进一步冲蚀模拟,发现在凹坑边缘处冲蚀率较大,倾向于形成长条状的沟壑缺陷。采用ANSYS结构静力学模块针对直管局部减薄损伤模型进行分析,分别研究了缺陷深度、长度和宽度因素对管壁应力应变场的影响。结果表明,缺陷深度和轴向长度对管壁环向应变影响较大,宽度达到一定值后影响较小。当缺陷深度达到0.5倍壁厚时,环向应变开始急剧增大。本文引入神经网络方法来进行压力管线损伤识别,设计开发压力管线在线监测系统,并进行现场试验。采用不同损伤模型的模拟数据,训练损伤识别神经网络。在线监测系统实时处理现场数据,实现了实时应变、实时温度、实时壁厚等界面功能,能够进行管道的损伤定位和安全预警。