地下CNG儲(chǔ)氣井疲勞壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)*

王曉橋 溫芝香 王泉生 夏鋒社 欒建雄

(1.陜西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所；2.北京中科法威普科技有限責(zé)任公司)

地下CNG儲(chǔ)氣井疲勞壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)*

王曉橋*王曉橋，男，1968年5月生，高級(jí)工程師。陜西省西安市，710048。1溫芝香1王泉生1夏鋒社1欒建雄2

(1.陜西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所；2.北京中科法威普科技有限責(zé)任公司)

在理論研究構(gòu)建的儲(chǔ)氣井疲勞壽命分析過(guò)程的基礎(chǔ)上，采用VB6.0研發(fā)了一個(gè)地下CNG儲(chǔ)氣井疲勞壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在西安某加氣站上的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明它可實(shí)現(xiàn)高、中、低壓儲(chǔ)氣井的疲勞壽命實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警，并能指導(dǎo)儲(chǔ)氣井的優(yōu)化運(yùn)行。

地下CNG儲(chǔ)氣井 監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 疲勞壽命 壓力波動(dòng) 剩余使用時(shí)間

隨著科技的發(fā)展和能源的開(kāi)拓，我國(guó)逐漸使用天然氣能源代替石油來(lái)進(jìn)行相關(guān)的化工生產(chǎn)。最初，我國(guó)儲(chǔ)存車(chē)用壓縮天然氣(Compressed Natural Gas,CNG)采用儲(chǔ)氣瓶或儲(chǔ)氣罐等地上儲(chǔ)氣方式。但是隨著一些化工廠爆炸事故的發(fā)生，暴露出了地上儲(chǔ)氣方式存在的安全隱患。因此，我國(guó)相關(guān)研究者在借鑒天然氣工業(yè)建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種新型、安全、經(jīng)濟(jì)的高壓地下儲(chǔ)氣井[1]，該儲(chǔ)氣井具有占地面積少、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)CNG加氣站多采用地下CNG儲(chǔ)氣方式[2～4]。

目前，我國(guó)擁有約6 000口地下CNG儲(chǔ)氣井，占CNG加氣站儲(chǔ)氣方式的80%以上[5]。儲(chǔ)氣井掩埋地下，尚無(wú)有效手段適用于監(jiān)測(cè)CNG儲(chǔ)氣井在頻繁加壓降壓而承受交變載荷作用下的運(yùn)行時(shí)的實(shí)際循環(huán)次數(shù)。這將導(dǎo)致儲(chǔ)氣井可能超過(guò)設(shè)計(jì)疲勞壽命而繼續(xù)運(yùn)行，形成疲勞破壞。因此，筆者根據(jù)理論構(gòu)建的儲(chǔ)氣井疲勞壽命分析過(guò)程，采用VB6.0編程實(shí)現(xiàn)對(duì)地下CNG儲(chǔ)氣井疲勞壽命的監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析、顯示。

1 系統(tǒng)組成

地下CNG儲(chǔ)氣井疲勞壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖1)由壓力變送器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。壓力變送器選用防爆高精度壓力變送器，帶現(xiàn)場(chǎng)壓力顯示和現(xiàn)場(chǎng)壓力觀察；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)采集儲(chǔ)氣井運(yùn)行過(guò)程中的壓力值，并記錄壓力變化；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)儲(chǔ)氣井運(yùn)行參數(shù)，給出預(yù)警。

圖1 地下CNG儲(chǔ)氣井疲勞壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

2 疲勞壽命分析過(guò)程

地下CNG儲(chǔ)氣井疲勞壽命分析過(guò)程如圖2所示[6～11]。首先對(duì)地下CNG儲(chǔ)氣井筒體采用拉美公式，計(jì)算出筒壁應(yīng)力后用名義應(yīng)力法對(duì)儲(chǔ)氣井進(jìn)行疲勞分析，獲得疲勞壽命曲線，再結(jié)合線性累積損傷理論進(jìn)行疲勞分析。

圖2 地下CNG儲(chǔ)氣井疲勞壽命分析過(guò)程

其中，K=Ro/Ri，Ri、Ro分別為殼體的內(nèi)外半徑；S為疲勞計(jì)算曲線中的應(yīng)力幅值；σb為材料的抗拉強(qiáng)度；σs為材料的屈服強(qiáng)度；ψ為材料的斷面收縮率，ψ<1；D為材料的累積損傷系數(shù)。

3 人機(jī)界面

地下CNG儲(chǔ)氣井疲勞壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分使用簡(jiǎn)單、實(shí)用的VB6.0編程，使系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)安全、準(zhǔn)確、可靠，記錄每天的運(yùn)行參數(shù)、分析疲勞壽命。

系統(tǒng)軟件界面由當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示、剩余使用時(shí)間和原始數(shù)據(jù)3部分組成。

當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示窗口如圖3所示。其中，“壓力MPa”為儲(chǔ)氣井的實(shí)時(shí)運(yùn)行壓力；“當(dāng)天值”為儲(chǔ)氣井疲勞累積損傷系數(shù)的當(dāng)天累加值；“累加值”為儲(chǔ)氣井疲勞累積損傷系數(shù)的總累加值。窗口中顯示的其他信息為通信端口狀態(tài)、運(yùn)行總天數(shù)、當(dāng)天運(yùn)行時(shí)間和數(shù)據(jù)文件存放位置。

圖3 當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示窗口

剩余使用時(shí)間窗口如圖4所示，可根據(jù)已運(yùn)行天數(shù)和疲勞累積損傷系數(shù)累加值計(jì)算剩余使用時(shí)間的估算值。

圖4 剩余使用時(shí)間窗口

原始數(shù)據(jù)窗口如圖5所示。壓力范圍15.0～25.9MPa，使用每隔0.1MPa記錄的疲勞損傷次數(shù)，分析儲(chǔ)氣井的使用過(guò)程狀態(tài)。

圖5 原始數(shù)據(jù)窗口

系統(tǒng)將采集到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并將原始數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果(即儲(chǔ)氣井疲勞累積損傷系數(shù)的當(dāng)天值和累加值)一并存入系統(tǒng)Access數(shù)據(jù)庫(kù)(分為疲勞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)兩部分)中。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

將地下CNG儲(chǔ)氣井疲勞壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在西安某加氣站上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。該加氣站有6口儲(chǔ)氣井，高壓一口井、中壓兩口井、低壓3口井。儲(chǔ)氣井外徑177.8mm、井深100m、材料為N-80、設(shè)計(jì)壓力25.6MPa、設(shè)計(jì)溫度20℃、最高工作壓力25MPa。

試驗(yàn)時(shí)在高、中、低壓儲(chǔ)氣井(即儲(chǔ)氣井3、儲(chǔ)氣井2、儲(chǔ)氣井1)上分別安裝一支壓力傳感器，用于對(duì)儲(chǔ)氣井進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間從2013年10月25日到2013年12月19日。

4.1原始數(shù)據(jù)

試驗(yàn)開(kāi)始和截止時(shí)的數(shù)據(jù)如圖6、7所示。

圖6 試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)數(shù)據(jù)

圖7 試驗(yàn)截止時(shí)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)截止時(shí)(2013年12月19日9時(shí)35分)，各儲(chǔ)氣井的運(yùn)行壓力波動(dòng)次數(shù)如圖8所示。

a. 低壓井

b. 中壓井

c. 高壓井

由各儲(chǔ)氣井的原始數(shù)據(jù)可知，低壓儲(chǔ)氣井的壓力變化范圍為15.4～24.2MPa，其中波動(dòng)頻率較大的范圍為19.2～19.9MPa；中壓儲(chǔ)氣井的壓力變化范圍為17.3～24.2MPa，其中波動(dòng)頻率較大的范圍為20.0～22.4MPa；高壓儲(chǔ)氣井的壓力變化范圍為18.5～24.2MPa，其中波動(dòng)頻率較大的范圍為21.0～21.7MPa。

4.2處理后數(shù)據(jù)

系統(tǒng)根據(jù)原始數(shù)據(jù)自動(dòng)運(yùn)算處理后的各儲(chǔ)氣井的剩余使用時(shí)間如圖9所示。

圖9 剩余使用時(shí)間

由圖9可知，監(jiān)測(cè)期間，低壓儲(chǔ)氣井剩余使用時(shí)間為18a左右，中壓儲(chǔ)氣井剩余使用時(shí)間為8a左右，高壓儲(chǔ)氣井剩余使用時(shí)間為15a左右。這是由于中壓儲(chǔ)氣井較低壓和高壓儲(chǔ)氣井壓力波動(dòng)頻率大，因此中壓儲(chǔ)氣井剩余壽命低于低壓和高壓儲(chǔ)氣井。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)地下CNG儲(chǔ)氣井疲勞壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行過(guò)程中高、中、低壓儲(chǔ)氣井的壓力變化，預(yù)測(cè)其剩余使用時(shí)間。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)氣井疲勞壽命的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警，可用于天然氣儲(chǔ)氣井運(yùn)行安全與疲勞壽命監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)儲(chǔ)氣井的優(yōu)化運(yùn)行。

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can make mass quality in the tube become lower and lower together with worse cavitation effect. Regarding va-rious pipes, the geometric structure of the transversely-ridged tube benefits the generation of steam bubbles and has optimal ultrasonic cavitation effect.

enhanced hear transfer tube, numerical simulation, vapor bubble fraction, ultrasonic cavitation, propagation characteristic, ultrasonic intensity

* 國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011QK349)。

TQ056

B

0254-6094(2016)02-0257-04

2015-03-11，

2016-03-07)