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纯氢或掺氢管道密封圈与密封垫性能研究进展

油气储运 2024年

作者：朱建鲁张捷李玉星刘翠伟宁元星中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院

【目的】纯氢/掺氢管道安全运行不可或缺的密封元件为密封圈与密封垫，因此探究氢环境下密封圈与密封垫的性能对于氢管道的安全运行具有重要意义。【方法】梳理国内外关于密封圈与密封垫的研究进展，探讨分析了氢环境下常用密封材料、... 详细信息

【目的】纯氢/掺氢管道安全运行不可或缺的密封元件为密封圈与密封垫，因此探究氢环境下密封圈与密封垫的性能对于氢管道的安全运行具有重要意义。【方法】梳理国内外关于密封圈与密封垫的研究进展，探讨分析了氢环境下常用密封材料、氢气渗透密封圈机理及伴随的吸氢膨胀现象与鼓泡断裂现象、非氢环境下垫片压缩回弹与蠕变松弛现象以及氢环境下垫片的氢脆等关键问题。【结果】目前关于非氢环境下密封圈或密封垫的性能研究较为成熟，纯氢或掺氢管道的发展正处于初级阶段，对于纯氢或掺氢环境下密封圈或垫片密封性能研究尚不完善，存在许多薄弱环节亟待解决。【结论】氢气以分子形式渗透橡胶O形圈，施加气体压力和外界环境温度都会影响氢气渗透橡胶密封材料的进程，填充材料为炭黑和二氧化硅导致橡胶材料吸氢量差异性较大，需进一步评价其他填充材料和添加剂种类对吸氢量的影响；橡胶密封材料在氢气环境下会产生体积膨胀现象，吸氢膨胀和鼓泡断裂为不同性质的体积膨胀，外界压力的突降为鼓泡断裂产生不可或缺的条件，透明的三元乙丙橡胶为鼓泡断裂主要研究对象，需进一步研究其他与氢相容的橡胶材料的鼓泡断裂行为，以及进一步研究改变掺氢比对橡胶O形圈溶胀现象的影响规律；临氢环境下垫片的原位力学试验研究不足，需明确掺氢比与垫片力学性能参数之间的定量关系。

关键词：氢渗透吸氢膨胀鼓泡断裂压缩回弹蠕变松弛

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成品油管道泄漏次声波监测及信号处理方法

油气储运 2024年

作者：尹渊博李玉星杨文芦澍张晨刘翠伟杨凯王武昌中国石油天然气管道局有限公司中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院.山东省油气储运安全重点实验室国家管网集团华南分公司

【目的】随着油气输送管道总里程不断增加，管道泄漏监测成为保证管道安全平稳运行的关键技术之一。次声波监测因其灵敏度高、定位精度高、维护费用低等诸多优点备受关注，但其在成品油管道中的工程应用有待探讨。【方法】基于次声波监... 详细信息

【目的】随着油气输送管道总里程不断增加，管道泄漏监测成为保证管道安全平稳运行的关键技术之一。次声波监测因其灵敏度高、定位精度高、维护费用低等诸多优点备受关注，但其在成品油管道中的工程应用有待探讨。【方法】基于次声波监测基本原理，自主搭建了液体管道泄漏监测实验装置，分析了不同的泄漏孔尺寸、管道压力以及泄漏点距离工况下，次声波传感器采集信号的特征。分析了db系小波基与sym系小波基1～9层小波变换的信号处理效果；利用信号的15个时域特征与4个频域特征参与随机森林分类模型建模，以ROC(Receiver Operating Characteristic Curve)曲线下的面积(Area Under Curve， AUC)作为目标函数对模型参数进行优化，采用基于WT-RF(Wavelet Transform-Random Forest)的方法对实验数据进行信号处理与分类。【结果】将新建方法应用于国家管网集团华南分公司某成品油输送管段，结果表明：经过sym2小波基8层分解处理后的次声波信号在时频域具有明显可识别特征，随机森林识别模型结合定位信息可实现生产管道中泄漏工况的误报率、漏报率均为0；在成品油管道监测区间91 km条件下，定位误差800 m左右，稳定泄漏速率0.001 6 m3/s，最小可检测泄漏速率为0.000 46 m3/s。【结论】次声波泄漏监测技术在成品油管道测试中获得了较好的效果，其误报率、漏报率均极低，且定位误差小，可为该技术在成品油管道的应用提供技术支持与参考。

关键词：成品油管道泄漏次声波监测小波分析随机森林最小可监测泄漏量

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纯氢与掺氢天然气管道摩阻系数预测

天然气工业 2024年第5期44卷 127-135页

作者：朱建鲁吕浩王鑫周慧刘翠伟李玉星李璐玲段鹏飞任诚中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院中国石油技术开发有限公司深圳市燃气集团有限公司中石化湖南石油化工有限公司

纯氢与掺氢天然气管道是实现氢气长距离、大规模输送的最佳方式之一,其中摩阻系数是气体管道水力计算的关键参数,现有的经验公式不能满足预测掺氢天然气的摩阻系数要求。为改进传统的摩阻系数计算公式在纯氢与掺氢天然气管道系统的适用... 详细信息

纯氢与掺氢天然气管道是实现氢气长距离、大规模输送的最佳方式之一,其中摩阻系数是气体管道水力计算的关键参数,现有的经验公式不能满足预测掺氢天然气的摩阻系数要求。为改进传统的摩阻系数计算公式在纯氢与掺氢天然气管道系统的适用性,搭建了纯氢和掺氢天然气管输调压综合实验平台,开展纯氢和不同比例的掺氢天然气管输流动实验,根据实验采集的流量、温度、压力和管道的长度、管径等参数计算管道的摩阻系数,同时建立了摩阻系数与雷诺数、粗糙度之间的关系,并修正了传统摩阻系数公式,最后利用湖南省巴陵—长岭纯氢气管道的实际运行数据进行了验证。研究结果表明:①由于氢气与天然气物性差异较大,掺氢比会影响流动摩阻系数,相同条件下掺氢比越大摩阻系数越小;②传统摩阻系数计算公式存在30%左右的误差,创新提出的适用于纯氢和掺氢天然气的3段式摩阻系数经验公式,相对误差最大11.84%,能够有效降低误差;③与巴陵—长岭纯氢气管道实际的运行数据相比,修正后摩阻系数预测公式的平均误差为0.62%,该公式可以满足实际工程的误差要求。结论认为,得到的纯氢与掺氢天然气管道摩阻系数修正公式可应用于纯氢与掺氢天然气管道工程设计,具有重要的工程应用价值和前景。

关键词：管道输送氢气掺氢天然气摩阻系数公式修正管输工艺设计

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纯氢/掺氢天然气管道的减压与调压

油气储运 2024年第1期43卷 21-31页

作者：李玉星周慧朱建鲁刘翠伟吕浩彭薇芦澍李璐伶中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院中国石油管道局工程有限公司管道投产运行分公司深圳市燃气集团有限公司

【目的】调压系统作为连接长输管道与城镇燃气管网的关键环节之一,在实现“氢进万家”中发挥着重要作用,然而氢气与天然气的物性差异会影响调压的工艺控制效果。【方法】采用纯氢/掺氢天然气减压调压实验与调压动态模拟相结合的方式,以... 详细信息

【目的】调压系统作为连接长输管道与城镇燃气管网的关键环节之一,在实现“氢进万家”中发挥着重要作用,然而氢气与天然气的物性差异会影响调压的工艺控制效果。【方法】采用纯氢/掺氢天然气减压调压实验与调压动态模拟相结合的方式,以稳压精度、响应时间、适用度函数作为判定减压调压系统稳压效果的依据,对掺氢比、流量波动周期、下游流量变化幅度、管输压力及PID参数进行了敏感性分析。【结果】(1)系统波动越频繁、气体流速越大,导致系统受到扰动后波动幅度越大,减压调压系统越不易实现稳压,需对管输纯氢或者掺氢天然气的高流速运动进行限制。(2)调压系统流量有正弦变化的波动,以稳压精度±1.5%为要求,开展减压调压实验时,PID比例参数、积分参数设定在1~2范围时,可基本实现纯氢/掺氢天然气在城镇燃气管道压力范围内的调压。(3)当管输气体流速相同时,纯氢的瞬时波动较天然气更为明显,控制系统的响应时间、适应度函数均随掺氢比的增大而逐渐增加;纯氢的压力瞬时波动可达到纯甲烷的1.15倍,控制系统的响应时间、适应度函数也分别增大为纯甲烷的1.13倍、2.68倍,当氢气与甲烷为相同比例参数、积分参数时,含氢气体更难实现稳压,可根据掺氢比适当降低积分参数或增大比例参数,实现与天然气相同甚至更好的稳压效果。【结论】研究成果可为纯氢/掺氢天然气管道的实际调压过程提供一定的理论参考。(图13,表3,参27)

关键词：氢气掺氢天然气调压减压 PID 最优值

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氢能运输方式与技术发展现状及挑战

前瞻科技 2024年第2期3卷 81-93页

作者：李玉星刘翠伟彭浩平韩辉朱建鲁宋光春王财林中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院青岛266580 山东省油气储运安全省重点实验室青岛266580 常州大学石油与天然气工程学院常州213164

在能源结构转型及新能源革命的背景下,氢能由于具有清洁高效、来源丰富及用途广泛等优点,得到广泛的重视与发展。作为连接氢能供应端和需求端的核心纽带,氢能运输是氢能规模化及商业化应用的关键环节。构建成熟的氢能运输技术体系并完... 详细信息

在能源结构转型及新能源革命的背景下,氢能由于具有清洁高效、来源丰富及用途广泛等优点,得到广泛的重视与发展。作为连接氢能供应端和需求端的核心纽带,氢能运输是氢能规模化及商业化应用的关键环节。构建成熟的氢能运输技术体系并完善相关基础设备设施建设,是氢能产业发展函须解决的关键核心问题。基于此,文章综述了氢能运输发展的现状,明确了管道运输在氢能运输技术中的突出作用,在此基础上总结提炼了氢能运输发展所面临的关键科学与技术问题,并从材料、工艺、设备、风险评估、标准规范制定及战略发展规划等方面对未来氢能运输的发展提出了相关建议。

关键词：氢能运输管道大规模长距离

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基于影响比对的氢气管道流速探讨

天然气与石油 2024年第2期42卷 29-35页

作者：陈俊文汤晓勇花争立李玉星朱红钧谌贵宇陈凤李天雷张双蕾刘翠伟中国石油工程建设有限公司西南分公司四川成都610041 浙江大学化工机械研究所浙江杭州310027 中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院山东青岛266580 西南石油大学石油与天然气工程学院四川成都610500

近年来,氢能高效利用是世界各国的关注重点和研究热点,也是新能源的重要发展方向之一。大规模运输氢气时,管道运输更加高效、安全,采用氢气管道输送是推进氢能大规模利用的有效途径。相比天然气,氢气的单位体积热值较低,分子量较小,在... 详细信息

近年来,氢能高效利用是世界各国的关注重点和研究热点,也是新能源的重要发展方向之一。大规模运输氢气时,管道运输更加高效、安全,采用氢气管道输送是推进氢能大规模利用的有效途径。相比天然气,氢气的单位体积热值较低,分子量较小,在管道输送中对提高氢气管道流速的需求较大,为提升管道输送效率,氢气流速提高后对管道系统的潜在影响值得探讨。基于氢气、天然气物理特性,开展了氢气、天然气的流速影响场景分析,提出了氢气管道流速选择的关注要点;剖析了基于冲蚀的氢气、天然气管道流速评价方法,对含固体杂质工况下氢气、天然气的冲蚀尺度进行了比对;探讨了氢气、天然气的管道流动噪声问题,开展了定量分析。研究表明,相比于露空管道系统,埋地管道系统更应关注流速问题;氢气管道允许的冲蚀流速更大,管道系统具备提速潜力,但应对气体夹带杂质的问题进行持续关注;在相同的能量输送场景下,氢气管道内流动噪声声压值稍大于天然气管道噪声声压值,可参考常规噪声控制手段应对。研究成果可为氢气管道设计提供借鉴。

关键词：氢气管道冲蚀流速流动噪声探讨

纯氢与掺氢天然气节流特性及节流系数预测新方法

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天然气工业 2022年第4期42卷 139-148页

作者：周慧朱建鲁李玉星刘翠伟韩辉中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院

依托天然气管道掺氢输送,可实现氢能的高效经济储运,天然气节流作为关键环节,掺氢将极大改变节流特性,从而影响管道安全运行。为此,采用数值模拟方法研究了纯氢与掺氢天然气节流特性,并在天然气节流系数经验公式的基础上,建立了三段式... 详细信息

依托天然气管道掺氢输送,可实现氢能的高效经济储运,天然气节流作为关键环节,掺氢将极大改变节流特性,从而影响管道安全运行。为此,采用数值模拟方法研究了纯氢与掺氢天然气节流特性,并在天然气节流系数经验公式的基础上,建立了三段式节流系数预测新方法。研究结果表明:①纯氢节流特性与以甲烷为主的天然气节流明显不同,纯氢表现为节流负效应;②不同掺氢比时,节流正负效应转变压力不同,天然气中掺氢不超过30%时,对混合气体节流效应转变压力影响较小,但氢浓度更高时,节流效应转变压力随之降低,直至氢浓度80%~92%左右时,气体此后均表现为节流负效应;③节流阀门开度随氢浓度增加而增加,以流量波动时阀门调节范围为限制,天然气掺氢浓度不宜超过30%;③天然气节流系数经验公式仅适用于氢浓度不超过30%的掺氢天然气,在此基础上修正,得到以氢气为主混合气的节流特性预测公式,根据掺氢比提出以0~30%、30%~80%、80%~100%的三阶段公式,可很好地估算纯氢与掺氢天然气节流特性及系数。结论认为,该研究成果可为纯氢与掺氢甲烷混合气体节流系数的估算提供依据,为氢气安全储运提供技术指导。

关键词：氢气天然气节流效应转变压力转变温度转变氢气浓度节流系数经验公式

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凹坑缺陷对厚孔板喉部空化流动特性影响研究

化工学报 2023年第8期74卷 3292-3308页

作者：岳林静廖艺涵薛源李雪洁李玉星刘翠伟中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院山东青岛266580 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院北京102299

管道系统中的各类阀门、孔板等节流件,随系统工作前后压差的增大会出现水力空化现象,对系统的工作性能和安全造成严重影响。通过数值模拟探究了厚孔板空化的临界压比以及凹坑对孔板空化临界压比的影响,并进一步研究了凹坑与空化耦合作... 详细信息

管道系统中的各类阀门、孔板等节流件,随系统工作前后压差的增大会出现水力空化现象,对系统的工作性能和安全造成严重影响。通过数值模拟探究了厚孔板空化的临界压比以及凹坑对孔板空化临界压比的影响,并进一步研究了凹坑与空化耦合作用下的空化流动特性,阐明了凹坑作用下的空泡溃灭机理。结果表明,只有当孔板出口压力与入口压力之比小于0.5时,才会发生空化。凹坑有促进空化气泡初生-发展-溃灭演变行为的作用,但压比在空化临界压比附近时,孔板各点压力峰值出现在无凹坑孔板以及存在凹坑缺陷孔板的无凹坑一侧。在液体管道和阀门的安全设计中,应考虑空化临界压比下气蚀的风险以及凹坑缺陷受空化剥蚀导致管壁减薄的危害。

关键词：凹坑空化厚孔板临界压比气泡湍流计算流体力学

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气液混输管道段塞流泄漏声波产生机理研究

振动与冲击 2022年第12期41卷 229-237页

作者：方丽萍殷布泽孟令雅李玉星刘翠伟薛源中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院山东省油气储运安全重点实验室山东青岛266580 北部湾大学石油与化工学院广西钦州535011

气液混输管道的泄漏检测问题是油气混输管道安全运行的重要保障,段塞流是常见流型,同时也是研究难度最大的流型。为研究气液混输管道段塞流型下泄漏声波信号产生的机理,基于Fluent动网格以及UDF模拟泄漏发生的全过程,从气动声学与涡声... 详细信息

气液混输管道的泄漏检测问题是油气混输管道安全运行的重要保障,段塞流是常见流型,同时也是研究难度最大的流型。为研究气液混输管道段塞流型下泄漏声波信号产生的机理,基于Fluent动网格以及UDF模拟泄漏发生的全过程,从气动声学与涡声理论出发分析泄漏全过程的流场、涡量以及声压变化,并与试验采集的声波信号与模拟信号进行类比,得到泄漏过程声波产生的机理。研究结果表明,气液混输管道段塞流泄漏后声波幅值增大,泄漏声源以偶极子声源为主;管道持续泄漏时,声源声压幅值随气塞与液塞交替到达泄漏口而呈周期性脉动;气液混输管道泄漏声压与总压波动趋势一致,可通过测量流体压力波动的方式获得泄漏声源产生的声波波动。泄漏孔径、气液流量是段塞流型下气液混输管道声波波动的主要影响因素。动网格仿真模拟与试验结合的方法可用于研究气液混输管道段塞流泄漏声波产生的机理。

关键词：段塞流气液混输管道泄漏声波产生机理