10吋射流清管器阀门受力模拟与验证
时间：2020-11-13 04:49:00 来源：达达文档网 本文已影响 人 
刘慧勇 曲杰 陈秋华 尹文涛 李明月
摘要：射流清管器是一种清除管道内杂质沉积、滞留液的设备，为了使射流清管器在清管过程中顺利工作，发生卡堵工况时能尽量快速重启，本文设计模拟实验，计算阀门受力值，从而进行弹簧选型，保证在受力下限值可以关闭射流孔的阀门，防止射流清管器卡堵。
关键词：射流清管器;计算流体力学;试验验证
1概述
天然气凝析液管道输送过程中，由于气液两相发生滑脱现象，易在管道中形成滞留液，减小了管道输气面积，降低了输气效率，运行成本上升。对这类管道大都采取定期投放清管器的方法来清除滞留液，为解决传统清管器运行速度过快导致的清管器和管道过度磨损、清管效果差、滞留液处理难等问题，中海油相关项目研发了射流清管器。
其中，射流清管器的阀门受力如何确定，决定了弹簧选型的方案和准确性。针对多变的管道工况，试验确定阀门受力成本高、周期长、可行性受试验场地条件制约，因此通过试验验证FLUENT等模拟软件的阀门受力计算结果这一方法的合理性和规律，为日后以模拟结果单独决定阀门受力提供理论基础。
2 射流清管器结构和工作原理简述
射流清管器在管内工作主要依靠它的三大结构（主轴、旁通、紧固）组成部分[1]。其结构图如下：
3 模拟计算
3.1 模拟基本思想
管道内运行的射流清管器与管壁、阀门有相对运动，可通过固定网格简化模型，对两端压差和内部阀门受力进行模拟实验，具体简化为：1、由于清管器在管道内相对运动，所以假设清管器固定，将速度看成气速和清管器自身运行速度的差值;2、由于清管器本身具有清淤功能，几乎不会有卡堵现象，因此将阀门手里可以看作管道内气体单向流动。根据这两个简化思想，本文设计具体方法解决射流清管器阀门上的受力值模拟。
根据射流清管器的设计，利用Solidworks软件建立清管器实体3D模型，将模型用ICEM划分好网格，保存好模型，用Fluent打开，对其模型、边界条件进行设置，全部操作完成后开始迭代计算，当计算的压力结果数据集合收敛后，可得到射流清管器阀门上受力的模拟值。
3.2 混合网格划分
模拟清管器在管段内工况，对其模型进行网格划分[3]。为保证网格方向与管内流体方向一致，用COOPER方法使模型生成规则的六面体结构，保证网格线之间的正交关系，这样使离散误差最大限度被控制的同时，还能使计算机计算时更稳定，快速，节约计算机占用比例。
如2图所示：为了得到高质量网格，简化流道结构，对管道进行切割，分三部分进行处理。
3.3FLUENT计算
利用K-ε模型进行测算，此模型的计算结果合理、速度压力云图对称性和变化符合规律预期。同时考察各边缘压力点和阀门受力面状况。
4. 验证试验
4.1 试验思路[4]
实验管路设计如图3所示，使用气源和缓冲罐，通过一定长度的小尺寸管路进行整流，提供稳定的气体在通道内流通，在小尺寸管路末端搭接10吋钢管，作为实验管段。按照管路设计图，将流量计、压力传感器（微型）、射流清管器安装在管路的各个位置，通过软件系统采集相关数据
射流清管器工作过程中，顺利通行靠的是弹簧与阀门相互制约，其工作原理为[2]：1、正常运行时，速度均匀，通过旁通的气量稳定，作用在阀门上的力为均匀定值，同时这个力与阀门受到弹簧的预紧力相互抵消，使阀门在稳定不动的状态。2、当遇到阻碍时，运行速度变缓。导致前后通过气量不同，使阀门两侧产生较大压力差，因此作用在阀门上的力变大，阀门逐渐关紧，一段时间后阀门运行速度上升，是清管器克服阻碍，向前行进;3、当恢复正常速度时，因为气体相对于清管器速度差值变小，作用在阀门上的力变小，阀门逐渐开启，恢復原始状态，从而使气体旁通率稳定，清管器正常运行。
4.2 试验步骤
按照设计搭建试验管路，安装管路上的设备、仪表、传感器、数据记录仪等。先将阀门固定到0mm位移处，然后将清管器整体固定到试验段的目标位置。将管路入口流量依次控制在240到960m3/h每一个待测值左右，调试管路设备设施，确保系统正常运转。
开始测量，逐渐增大流量，使用压力变送器测量/ 监测压力，差压变送器测量压差、流量计测量流量、微型测力计测量受力。针对不同入口流量，使用记录仪采集流量、压力、压差、受力等数据。调整清管器阀门位移至下一个位移值，重复上述过程直到所有预设位移值测量完毕。
5. 对比与结论
5.1 阀门受力随气体流速变化规律及对比
下图中，纵坐标为阀门受力（单位N），横坐标为气速（单位m/s）。圆点线为试验值，方点线为模拟值。
5.2对比结论与建议
根据试验值的整理分析以及与试验值的对比，我们可以得出以下结论。
1） 相同位移下，随着气速增加，压差和阀门受力呈较为线性的曲线增加。
2） 相同气速下，随着位移增大，压差和阀门受力整体上呈增加形势。
3） 试验值和模拟值走势较为一致。
4） 阀门受力的模拟值与试验值相差百分比平均值为20.9%，且试验值基本大于等于模拟值。
通过分析，给出如下建议。
1. 可以考虑使用模拟值代替实际值进行弹簧选型。
2. 为保守起见，阀门受力应引入小于1的系数，使得弹簧选型的选取值小于模拟值。
参考文献：
[1] 徐孝轩，宫敬，邓道明.多相流管道清管模型研究概况[J].中国海上油气（工程），2003，15（4）：21-24.
[2] 张金成编著.清管器清洗技术及应用[M].北京：石油工业出版社，2005.2.
[3] 于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京理工大学出版社，2008.[4]Minami K.Pigging dynamics in two-phase flow pipelines：experiment and modeling[J].SPE production facility，1995，10（4）：225-231.
