“爬坡”管路石蜡沉积层最大剪应力的数值模拟

ｋ－ ． ９ ３ ＭＰ ～ 滴 ＝ ７ ７ ８ ＭＰ １Ｏ０ ０ ４ ａ ； ０ １０ ５ ． ８ ａ ０ ５
ｋ ＝ ０ ２ Ｍ ｐ ～： ２ ０． １ ５ ６ ａ ＝３ ７Ｍ Ｐ ｄ ３ ａ
的 。 以 下是 当沉 积 物 厚度 为 Ｏ１ ｍ ， ．１ 爬坡 角 度 为 十度 ， 长 为 ４ 时 管 ｍ
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其 中蠕 变参 数 与 应 力 的 关 系如 下 ：
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图 １ ２ 液 态 原 油部 分 有 限元 模 型 —
对于上述方程 ， 、 ： ｋ 、 、 ｋ 、 ： 蔼 Ｇ、≮ 是六个材料相关参数 ， 在 ２计算结果 以及应力分析 ２１ 管 径 对 沉积 层 应 力 分 布 的 影 响 ． ＡＤ Ｎ 软 件 输 入 界 面 中 分 别 用 ａ 、 １ａ 、３ ａ 、５表 示 ，通 过 试 ＩＡ ０ ａ 、２ ａ 、４ ａ 在 长距 离 含 蜡 原 油输 送 管 路 中 ， 道 的 管径 是相 差 很 大 的 。 此 管 因 验 结果 来 拟 合 上 述 六 个 蠕 变参 数 ， 而 得 到 准 确 的 材料 模 型 。 数 由 进 参 讨 论 在 不 同管 径 下 的 剪应 力 分布 很 有 必 要 。相 同物 性 的 石蜡 沉积 物 石 蜡沉 积 物 的直 剪 实验 ， 得 相 关参 数 如 下 可 ｍ ＝一０ ０ ９ Ｍ Ｐ ～－ ０ ０ ９ １ ．１ ５ ９ ａ Ｇ＝ ４ ９ Ｍ Ｐ ｄ ａ 在 不 同 的 管径 的管 道 里 ，沉 积 层 的 剪切 应 力 的大 小 与 分布 也 是 不 同
“ 坡＂ 爬 管路石蜡沉积层最大剪应力的数值模拟
毕露 赵舒 宇 （ 天津市大 １ ． 港油田集团 设监理 责任公司 ２中国 建 有限 ；． 石油大学（ 储建学院） 华东）
摘要 ： 由于长输管路的距离很长 ， 所经地 区地形复杂 ， 分热含蜡原油 管 部 路不可避 免的形成 了落差大、 翻越点多的恶劣状况 ， 管路出现 了“ 爬坡 ” 现象。 “ 爬坡” 热含蜡原油管道在正常运行过程 中， 管道 内的石蜡沉积物在油流剪切 应力作用 下处于受力平衡状态。但是在 管道停输后 ， 由于油流流动形成的剪 力消失， 管壁 处的石蜡沉积物处于失稳状态。于是在重力和 未凝原油的共 同 作用下 ， 石蜡沉积物会发生剪切变形、 蠕变 ， 结构破坏后 向管道低 洼处运移 ， 进 而造 成 管 道 低 洼 处 凝 管 堵 塞 ， 整 条 管 线 面 临启 动 困难 和 全 线 原 油 凝 管 的 使 危 险 。 文利 用 ＡＤＩＡ的 流 固 耦 合 功 能 ， 停 输 后 石 蜡 沉 积 物 的 力学 状 况 进 本 Ｎ 对 行模 拟 ， 讨 了管 径 等 因 素对 石蜡 沉 积 物 的 最 大 剪 应 力 的 大小 以及 分 布 的影 探 响， 为工程实际提供 了参考… 。 关 键 词 ： 路 石 蜡 沉积 层 最 大 剪 应 力 数值 模 拟 管
化 为 沿 轴 向 方 向 限制 的固 定 边界 。 石 蜡 沉积 物 的 内表 面 设置 为流 固 耦 合 界 面 。 固体 结 构 的被 表面 和 流 体 结 构 的 外表 面 都 设 置 为耦 合 界 面 ， 而 实现 结 构 和流 体 的耦 合 。 加 的 载荷 是石 蜡 沉 积 物 自身 的 重 进 施 力 。 固体 结 构 有 限元 模 型 如 图 １ １ —。
刻不同管径 的剪应力分布 。
１ 单 元 选 择 与 网格 划 分 ． ２ Ａ Ｎ 为 用 户 提 供 了 丰 富 多 样 的单 元 库 ， 单 元 有 一 个 重 要 ＤＩＡ 其
的 特 点 ， 是 材 料本 构 与 单 元 算 法 是相 互 独 立 的 。 以在 选 取 单 元 的 就 所 过程中 ， 只需考虑材料的几何 形态即可。ＡＤＮ ＩＡ提出了一个单元组 的概 念 ， 是相 关单 元 、 料 类 型 、 分 阶 次 以及 其 它控 制 信 息 的组 即 材 积 合 都 被 赋 予 了 同一 个 单 元 组 ，只 有 在 单 元 组 完 整定 义 了之 后 才 能被 用来对几何模型进行有限元网格的划分。在此选用 ３ Ｄ ｉ 一 ｓｌ 元 ， ｉ ｄ单 此 单 元 式 用于 三 维 的显 式 结 构 的实 体 单 元 ，并 且 选 取 以 应 力 ／ 变 应 方式 输 出结 果 。将 这 些 赋 予 与 前 文定 义 的多 线 性蠕 变材 料 模 型 赋 予 同一 个 单 元 组 ， 而 确定 了石 蜡 沉 积 物 的单 元组 类 型 。 进 在 目前的研 究范 围内， 石蜡 的沉积机理 主要有剪切弥散、 分子扩 散 、 力沉 降、 朗扩 散 。 重 布 在原 油 管 路 的 运 行 过程 中 ， 两 者对 沉 积 过 后 程 影 响 并 不 是很 大 ， 此 ， 蜡沉 积 物 的模 型 设 置成 为 四周 厚 度相 同 因 石 的， 而流 体 部 分模 型 为粘 弹性 流 体 模 型 ， 用 ２ 选 ７节 点 的 六面 体 流 体
１ 有 限元 模 型
１１ 材 料计 算模 型 ． 图 １ １ 石 蜡 沉 积 物 结构 的有 限元 模 型 — 在管道停输的瞬间石蜡沉积物并不会发生破坏滑脱 流动。这种 液 态原 油 部 分模 型上 、下 端 面 和 石蜡 沉 积 物 相 应端 面 的边 界 条 情 况 下 ， 力学 作 用 下 ， 蜡 沉 积 物 首 先 发 生 瞬 时 弹 性 应 变 ， 接 着 件 设 置 一致 ，外 表 面 设 置 为流 固耦 合 界 面 ，耦 合 方 式 为双 向直接 耦 在 石 紧 发 生粘 弹性 蠕 变 ， 后 是 塑 性 断裂 ， 隔 时 间短 暂 。 为达 到 分析 管 道 合 ， 敛 ； 为 力和 位 移 以以 使结 果更 精 确 。 部 分 有 限 元模 型 的 建 最 间 收 隹则 这 停 输后 等效 应 力 的 分布 规律 的 目的 ， 值 计 算 时 ， 蜡 沉 积物 选 取 多 立 如 图 １ ２ 数 石 —。 线 性弹 塑性 中的 ｌｂ ｙ ｕ ｂ ２算 法 此 方 法广 泛用 于 模 拟 岩 石 ， 凝 土 材 】 ， 混 料 的长 期 蠕 变 行 为 ， 考 虑 了卸载 等 因素 的 影 响 。 并 中心 未 凝原 油 采 取 粘 弹性 流 体 模 型 。 对于 ｌ ｂ ２ 型 ， ｕ ｖ模 ｂ 其蠕 变应 变率 表 达 式 如 下 ：