油品粘度對輸油管道彎管結構的影響規律分析

王桐宇，吳玉國, 李 嬌，張夢軻，齊 林

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001; 2. 中國石化銷售有限公司 湖南永州石油分公司，湖南 永州425000）

油品粘度對輸油管道彎管結構的影響規律分析

王桐宇1，吳玉國1, 李 嬌1，張夢軻1，齊 林2

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001; 2. 中國石化銷售有限公司 湖南永州石油分公司，湖南 永州425000）

對于長距離輸送管道而言，為了提高管道的輸送效率，降低輸送成本，如何有效地降低沿程損失便成為首要解決的問題。具有較高粘度的油品會大大增加輸送過程中的沿程摩阻損失，為了更好地分析油品粘度對管道的影響，通過建立輸油管道彎管結構的有限元力學模型，針對油品流經管道彎管時，油品粘度對管道溫度場與應力場的影響規律進行分析。研究結果表明，油品粘度在增加管道沿程損失與局部摩阻損失的同時，也給彎管處溫度場與應力場造成極大的影響，并且對管道溫度場與應力場的作用規律不盡相同，這對輸油管道彎管結構的安全性產生較大的危害。通過研究分析了油品粘度對管道的影響規律，為油品的降粘輸送提供了理論指導依據。

油品粘度；管道彎管結構；應力場；溫度場；數值模擬

隨著我國經濟的高速發展，能源的需求量也日益增大，由于以綠色能源為代表的新能源發展正處于起步階段，因此化石能源依舊作為主要的能源提供，這使得石油與天然氣工業不斷的發展壯大，為了滿足石油天然氣等能源安全高效的供應，作為主要輸送方式的長距離石油天然氣輸送管道，其建設規模也隨之擴大。然而，在實際的能源輸送過程當中，由于長輸管道的輸送距離較長，使得在管道輸送過程當中產生較大的沿程摩阻損失，此外，長輸管道沿途經過的地形地勢復雜多變，同樣會產生各種形式的局部摩阻損失，而沿程摩阻損失是消耗輸送動力的主要影響因素，這在一定程度上降低了管道的輸送效率、提高了輸送成本，而從經濟性的角度考慮，為了提高長輸管道的輸送效率，需要從多方面降低管道輸送的沿程摩阻與局部摩阻損失，這需要巨大的經濟支出，并且在一定程度上也降低了石油天然氣能源利用的經濟性[1,2]。目前，對于降低輸油管道沿程阻力的方法有很多，而從油品本身的角度考慮，降低油品的輸送粘度是目前降低油品輸送過程當中產生阻力較為常見的方法[3]。

目前，采用的主要方法是通過升高油品的輸送溫度，以及與稀油混合來實現降低油品的粘度，根據不同的輸送條件與不同的輸送任務，合理的采用升溫降粘與摻稀降粘方法。油品粘度的增加不僅降低了輸油管道的輸送效率，提高輸送成本，也會對管道本身造成一定的影響，對于長直輸油管道而言，油品的粘度增加了管道沿流向的摩阻，使管道產生額外的軸向應力，但這不會對管道本身結構造成影響[4,5]；而當管道流經長輸管道特殊結構時，如彎管結構，由于管道結構的特殊性，隨著油品本身性質發生改變，特別是油品粘度的改變，對輸油管道結構也會產生較大的影響[6,7]。

近些年國內學者對于輸油管道彎管結構的研究較少，而且主要集中在對輸油管道應力場的數值計算分析上，但對于油品性質參數的改變對管道性能的影響規律研究較少。徐方成[8]通過實驗分析，重點研究了管道內壓的改變對彎管應力場的影響規律，但未考慮管道所輸送介質對管道的影響規律；梁德旺[9]從流過彎管流態的角度，通過數值模擬，分析了低速高湍流度流體對彎管的影響規律；朱紅亮[10]分析了流體性質對管道彎管結構的影響，但重點分析的是管道內壓，對管道本身性質的改變未作出相應的分析；王國偉[11]從力學角度對流體流經彎管時，彎管的應力改變進行了較為詳細的分析，但未考慮流體性質的改變對管道產生的影響規律。

然而，油品本身性質發生改變對管道特殊結構的影響程度很難判斷，因而本文主要研究油品粘度參數的改變，對輸油管道彎管結構的影響規律，重點分析油品粘度發生改變時，對彎管應力場與溫度場造成的影響。本文可為高粘油品流經輸油管道特殊結構的設計， 以及為管道降粘輸送提供理論依據。

1 模型建立

如圖1所示，為計算管道彎管結構的示意圖，由于本文研究對象為90°彎管，故設圖中A端點為坐標原點，沿管道軸線方向建立X軸坐標，B端點為坐標終點，O點為彎管對稱中心點，建立如圖1所示的坐標系，下文中分析沿AOB曲線上物理量的分布規律。根據實際的工程設計參數，選用管道材料為X-80鋼，模擬的管道外徑為700 mm，管道壁厚為 20 mm，管道的泊松比為 0.3；管道彈性模量2.3×105MPa；管道內壓設為7.5 MPa，圖2為計算網格模型。

圖1 彎管結構物理模型Fig.1 Physical model of elbow structure

圖2 彎管結構計算網格Fig.2 Calculation grid of elbow structure

圖3 彎管結構溫度場分布圖Fig.3 Schematic diagram of the temperature field

2 數值模擬及結果分析

本文首先研究油品粘度對管道彎管結構溫度場的影響規律，由于不同油品的粘度不同，此外，同一油品在不同溫度下的粘度也不盡相同，因此，本文在計算模擬中油品粘度按照原油粘度設定，粘度Y分別選取10、30和60 mPa·s。

以油品粘度為30 mPa·s為例，分析彎管溫度場的分布，圖3為油品粘度為30 mPa·s時的管道溫度場分布圖，從圖中可知流體流入彎管與流出彎管時，對彎管溫度場的分布影響規律不同，呈現非對稱性。當油品流入彎管結構之前，即AO區域段，接近彎管對稱中心O點區域時，彎管內側產生的溫度較高，而其他區域的溫度相對較低；當油品流經彎管至流出彎管時，即OB區域，彎管結構的外側產生較高溫度值。從彎管結構整體的角度分析，由于油品沿軸向流經彎管時，彎管外側區域管壁阻礙油品沿軸向方向的流動，使之流向發生改變，因此，油品對彎管結構的作用主要集中在管道外側管壁，此時，外側管壁是產生較高溫度的區域；而油品流經彎管時對彎管內側管壁的作用程度相對較小，因此，內側的溫度發生變化的程度相對較小。

圖4為不同粘度油品流經彎管時，彎管結構的溫度分布曲線，圖中橫坐標為沿AOB曲線，測量點與A點之間的距離L，從圖中可知，隨著油品粘度的增加，油品對管道彎管結構的作用程度逐漸增加，這使得管道彎管處的應力場發生改變，導致不同區域的溫度值T逐漸增加。這是由于油品粘度的增加使得流經彎管時產生較高的摩擦力，提高了彎管結構的局部摩阻，進而產生了較多的局部摩阻損失，而局部摩阻損失以熱的形式被消耗掉，因此彎管處的溫度會隨著油品粘度的增加而升高。

圖4 不同粘度下溫度場變化規律Fig.4 Variation of temperature field under different viscosities

圖5 與圖6分別為粘度取10 mPa·s和60 mPa·s時，彎管結構的應力場分布情況，從圖中可知，彎管結構主要的應力集中發生在對稱中心O點區域。當流經彎管結構油品粘度較小時，油品對管道管壁的作用程度相對較小，因此，O點區域形成的應力集中區域較小，且彎管整體沿管道軸向的應力場分布呈現非對稱性的特點，相比于輸油管道流出段OB，管道流入段AO產生較高應力值；而當油品的粘度較高時，以O點為中心的應力集中區域范圍逐漸擴大，受應力影響的區域逐漸增加，彎管結構的流入段與流出段的應力值均隨之增加；此外，彎管整體的應力分布逐漸趨于對稱。這是因為當油品粘度相對較小時，油品對管道管壁的作用力較小，作用程度較低，由于彎管結構的特殊性，使得彎管整體的受力不均勻，導致應力場的分布不均勻；而當粘度較高時，油品對彎管的作用程度高，作用力逐漸增大，彎管的結構特殊性對應力場分布的影響逐漸減小，使得應力分布區域逐漸趨于對稱，油品對彎管的作用力相對均勻的分布在彎管管壁上。

通過以上的計算分析可知，油品粘度的改變，無論對輸油管道彎管結構的溫度場與應力場均產生較大影響，從提高輸油管道的輸送效率、降低輸送成本的角度出發，降低輸送油品粘度存在一定的必要性，而從輸油管道本身安全性角度出發，油品的粘度增加不僅增加了管道的沿程摩阻損失，對于像彎管結構這樣特殊管道結構而言，降粘輸送可以有效地減小管道局部摩阻損失，減小輸送油品對管道特殊結構應力場的影響程度，提高管線運行的安全性，提高管道的使用壽命，確保管道安全穩定的運行。

圖5 彎管結構應力場分布圖(10 mPa·s)Fig.5 Schematic diagram of the stress distribution of elbow structure (10 mPa·s)

圖6 彎管結構應力場分布圖(60 mPa·s)Fig.6 Schematic diagram of the stress distribution of elbow structure (60 mPa·s)

3 結 論

（1）輸油管道彎管結構的溫度場，受到輸送油品粘度的影響較大，隨著油品粘度的不斷增加，彎管整體的溫度逐漸升高。并且管道不同區域溫度場沿軸向的溫度分布呈現非對稱現象，相比于彎管內側，彎管外側產生較高溫度值；而相比于輸油管道流入段，管道流出段溫度場的變化更為劇烈，且產生較高溫度值。

（2）管道彎管結構的應力場受到油品粘度的影響較大，隨著油品粘度的增加，導致油品對管道產生的摩擦力逐漸增加，在彎管整體的應力場中，應力發生變化的區域逐漸擴大，并且這些區域的應力值隨著油品粘度的增加逐漸升高。

（3）當油品粘度相對較小時，油品對彎管管壁的作用力分布不均勻，使得應力場的整體分布呈現非對稱現象，相比于輸油管道流出段，管道流入段產生較高應力值；而當油品的粘度較高時，油品對彎管管壁的作用力分布逐漸均勻，使得彎管整體的應力場分布逐漸趨于對稱。

［1］張一楠，馬貴陽,等.輸油管道梁式直跨段彎管處應力的數值模擬[J].遼寧石油化工大學學報，2015,35（6）：28-32.

［2］高建，王德國，何仁洋,等.基于ANSYS的懸索跨越管道地震時響應分析[J].西南石油大學學報（自然科學版），2010，32（1）：155-159.

［3］張一楠，馬貴陽等.沉降土體對管道跨越結構應力影響的分析[J].中國安全生產科學技術，2015,11（8）：106-111.

［4］劉蘭蘭，馬小明.天然氣管道在不均勻沉降下的應力分析與試驗研究[D].廣州：華南理工大學,2010.

［5］楊俊濤，張土喬.垂直載荷作用下埋地管道的縱向力學性狀分析[D].杭州：浙江大學,2006.

［6］段志祥,沈士明.內壓作用下局部減薄彎管塑性極限載荷分析與試驗研究[J].壓力容器，2005，22(5):1-3.

［7］徐思浩,90°管彎頭的應力分布[J].化工設備與管道,2001,38(4):38-39.

［8］徐方成,蔣家玲,林興華,等.內壓作用下彎管應力的實驗研究[J].廈門大學學報(自然科學版)，2000(10)，43(494):17-18.

［9］梁德旺,王國慶,呂兵.低速高瑞流度90°彎管流動數值模擬[J].南京航空航天大學學報，2000，32（4）：381-387.

［10］朱紅亮.液態流體彎管內壓分析及變壁厚彎管熱推工藝研究[D].山東建筑大學，2015.

［11］王國偉.大口徑直埋供熱管道90°彎頭疲勞壽命的有限元分析[D].太原理工大學，2010.

Analysis on Influence of Oil Viscosity on Elbow Structure of Oil Pipeline

WANG Tong-yu1, WU Yu-guo1, LI Jiao1, ZHANG Meng-ke1, QI Lin2
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China;2. Sinopec Sales Co.,Ltd. Hunan Yongzhou Petroleum Branch Company, Hunan Yongzhou 425000, China）

In order to improve the transmission efficiency of the pipeline and reduce the transportation cost, how to effectively reduce the loss along the way has become the primary problem to be solved for long-distance pipelines. Oil with higher viscosity will greatly increase the friction loss in the transportation process. In order to better analyze the influence of oil viscosity on pipeline, the finite element model of the elbow structure of oil pipeline was established.The influence of oil viscosity on temperature field and stress field of pipeline was analyzed. The results showed that the viscosity of oil increased the loss along the way and the local friction loss, and greatly affected the temperature field and the stress field. And its effect on the temperature field was different from the stress field, which posed a great harm to the safety of the pipeline structure. The paper can provide the theoretical guidance for the viscosity reducing transportation of oil.

Oil viscosity;Pipeline elbow structure; Stress field; Temperature field;Numerical simulation

TE 832

A

1671-0460（2017）11-2353-03

遼寧省教育廳科學研究項目 （L2015306）。

2017-02-22

王桐宇（1990-），男，遼寧省錦州市人，就讀于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業，研究方向：長距離管道輸送。E-mail：415702379@qq.com。

吳玉國（1977-），男，副教授，博士。從事油氣儲運技術方向研究。E-mail：wyg0413@126.com。