专利名称：高压输气管线减压波分析预测方法
技术领域：
本发明涉及高压天然气输送管道断裂控制和安全保障技术领域，提出了高压输气 管线减压波的分析和预测方法，开发含气液两相流的多组分天然气的减压波曲线计算分析 方法及软件，用于重大输气管道工程气体减压波分析预测及管材止裂韧性预测。
背景技术：
输气管道的安全运行一直是国内外油气行业关注的焦点。管道建设和运行过程中 由于制造缺陷、施工缺陷，及冲刷、腐蚀等可能产生各种缺陷，这些缺陷管道在运行过程中 一旦有强烈的波动或剧烈的外部干扰就有可能发生断裂或促进裂纹扩展。而高压输气管线 一旦发生断裂，往往引发不堪设想的重大事故。随着国内外输气管道逐渐向高压、高钢级管 道方向发展，对管道安全性提出了更新、更高的要求。因此输气管道止裂韧性预测及止裂控 制具有重要意义。目前，Battelle的双曲线法是一种常用的管道止裂韧性预测方法，也适用于重大 输气管道工程如西气东输二线的止裂韧性预测。钢管止裂韧性预测需要知道输送气体的减 压波曲线和材料的阻力曲线。其中气体减压波曲线是止裂韧性分析预测的核心和难点。而 管道气体减压波曲线受到管径、钢级、壁厚以及输送气体组分、运行温度、压力等的强烈影 响。国际上几十年来进行了大量的工作，发展了基于相应的气体减压波分析的止裂韧性预 测方法及软件，主要使用的有GasDecom、PipeDecom, HLP等，但是由于版权问题，我国还没 有一套类似软件，其中的气体减压波分析模型和方法也鲜有公开发表。因此，研究开发适合 于高压天然气管线减压波分析预测方法及软件已成当务之急。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压输气管线减压波分析预测方法，在对国际上高压 输气管道止裂韧性预测方法特别是气体减压波分析预测方法进行调查分析研究的基础上， 结合我国管道工程特点，研究建立天然气气质、温度、压力、管径等与压力波曲线的关系，开 发含气液两相流的多组分天然气的减压波曲线计算分析方法及软件，用于重大输气管道工 程止裂韧性预测。本发明采用的技术方案是步骤A 测得管线开裂点的压力及温度的信息，或者开裂点位置及管线入口处压 力、温度、管道基础资料，如管长、管径、管道粗糙度、传热系数、流量。其次，化验取得开裂前 管线内的气质组成的资料信息，并输入计算机；步骤B:在测得的管线某点开裂前初始压力P1、温度Tl下，根据不同的气质选 择相应的状态方程，即选用索阿韦-雷德利克-邝(Saove-Redlich-Kwong，简称SRK)方 程、彭-鲁宾逊(Peng-Robinson，简称PR)方程、本尼迪克特-韦布-鲁宾-斯塔林方程 和彭-鲁宾逊方程(Benedict-Webb-Rubin-Starling 方程和 Peng-Robinson 方程，简称 BffRS-PR方程)、本尼迪克特_韦布-鲁宾-斯塔林方程和索阿韦_雷德利克_邝方程(Benedict-Webb-Rubin-Starling 方程-Saove-Redlich-Kwong 方程，简称 BWRS-SRK 方程) 四个状态方程及组合，计算等熵点压力温度下流体的密度(P )、逸度(f)、定容热容(Cv)、定 压热容(Cp)、比热(Y)流体特性，用于判断管线中流体所处相态，描述真实流体等熵过程的 特性，以便准确计算减压波速(w)。
SRK、PR、BffRS状态方程分别为 p_ RT ( α(Τ)
其中，状态方程计算中采用的混合物规则为经典的范德华(VanderWaals)单流体 混合规则，也称二次型混合规则，是目前最常用的混合规则，其形式如下在该混合准则中，交互作用参数采用以下的组合规则 式中P-—压力，T-—温度，R-—气体常数，ν-—摩尔体积，P -—密度，i-—组 分名称，j—组分名称，A0-特征参数，B0-特征参数，C0-特征参数，D0-特征参数， E0—特征参数，a—特征参数，b—特征参数，c—特征参数，d—特征参数，α ---特 征参数，Y —特征参数， -一交互作用参数，…一交互作用参数，bi—交互作用参数， br-交互作用参数，交互作用参数，交互作用参数，交互作用参数， Xi—i组分含量，Xj—j组分含量。步骤C 计算减压过程中的熵熵的计算直接决定着流体所处的状态，影响到气液 相的分布及组成，进而影响到减压波的计算。S = S0+(S-S0)对于压力为显函数的状态方程，混合物的熵值为 S0为混合物在系统温度T下的理想气体熵，表达式为 式中S—混合物的熵，S0—理想气体混合物的熵，P—压力，T—温度，R—气 体常数，V—体积，Cp-定压热容，η—物质的摩尔数。
根据以上方程，计算出初始状态下气质的熵，记为Sp步骤D 根据步骤B，判断压力1 (P)、温度I(T1)下的相态。若为单相，则T2 = \-ΔΤ，ΔΤ取1开尔文。假设压力2 (P2)接近于压力I(P1),由步骤C求出压力2扒)、温度2 012)下的熵 2 (S2)0计算S2-S1 < ε，若是，则进入步骤Ε;若否，则减小压力(P2),重新计算，直至满足 条件。若为两相，则通过减小压力(P)JPP2 = P1-AP, ΔΡ取0.0001 O-Oi^P1。假设温度2(Τ2)接近于温度I(T1),由步骤C求出温度2(Τ2)，压力2(Ρ2)下的熵 2 (S2)。计算S2-S1) I < ε，若是，则进入步骤F;若否，则减小温度2 (T2)，重新计算，直至满 足条件。步骤E 计算压力2 (P2)、温度2 (T2)下的气体密度(见步骤B)和声速。气相声速计算模型为 通过分析得 c = aG式中，ae-—气体声速，P-—压力，P -—密度，T-—温度，R-—气体常数，Y -—气 体比热，M-气体摩尔质量，C—管线中流体声速。步骤F 两相流声速计算在查阅大量文献，以及对已有模型和新建声速模型进行 比较的基础上，最终确定采用中国石油大学(北京)研究的两相流声速计算，其中气体采用 经典的气相声速计算模型(见步骤E)，液相声速方程采用泰特(Tait)刚性气体模型。液相声速计算模型为 其中 两相流声速计算模型为宫-徐(Gong-Xu)模型(中国石油大学(北京)建立)，该 模型在双流体模型基础上，引入虚拟质量力系数，推导了不同流型工况气液两相管流压力 波速预测的统一模型 其中，Cvm为虚拟质量力系数。(1)当Cvm = 0时，适用于分层流(忽略相间阻力)
(2)当Cvm = 0.5
1 + 27 , I-Rn
时，适用于泡状流； (3)当6； ^ =3.3 + 1.7
时，适用于段塞流；
15 / 45 J(4)当Cvm —c 时，适用于均质小泡状流、雾状流。式中，Rl—液相体积分数，Rg—气相体积分数，常数η = 7. 15，B = 3. 3 X IO8Pa, P0l —对比液相(通常选用水)密度，P^—液相密度，Pe—气相密度，—液体声速， aG—气体声速，C—管线中流体声速。步骤G 根据减压波过程中各个等熵点的密度差和速度差，计算开裂处流体的流 出速度。
2二2 (Au)sAu = c式中，u---流体从开裂处的流出速度，Au---不同等熵点的速度差，P---压力， P ---密度，Δ ρ ---等熵点的密度差，c—管线中流体声速。步骤H:由步骤E (F)和G，声速(c)和减压波速度(U)之差求得减压波传播速度 (w)。若减压波传播速度(w)接近0，停止计算，完成输气管线减压波预测，若否，则返回步骤 B，判断压力2 (P2)、温度2 (T2)的相态，循环计算。步骤I 最后，计算机输出结果输出结果包括两种形式，以图形、表格形式输出和 以数据文件形式输出。图形、表格形式输出的包括减压波曲线及数据表格，相包线及等熵 线。通过不同的开裂点初始压力、温度、气质，得到相应的减压波计算结果。不同天然 气气质、初始温度、压力下减压波计算结果的不同，得到影响因素对于减压波特性的影响， 提出所输送天然气气质的要求。另外，将减压波曲线与管线材料的阻力曲线相结合，用于管 线止裂韧性预测。本发明的有益效果本发明高压输气管线减压波分析预测方法，采用本发明所 建立的高压输气管线气体减压波分析预测方法，能对重要输气管道的气体减压波曲线进 行分析预测，进而预测管材的止裂韧性，分析预测结果与实验结果和国外减压波计算模型 (GASDECOM、HIR0YUKI)进行比较，计算结果与实验结果较吻合较好，部分结果优于其它模 型。同时可将减压波计算方法编写成Decomwave软件，并与管线工艺计算相结合，使应用 者可以选择比较实际的初始压力和温度计算管道不同位置发生破裂时的减压波速度，采用 Decomwave软件与西气东输二线管道管线工艺计算相结合，优化了管道设计和运行参数，软 件具有非常好的人机界面，使用方便。
图1是高压输气管线减压波分析预测方法流程框图。图2是某气质减压波传播曲线预测结果图(Ttl = 30°C,P0 = 12MPa)。图3是某气质开裂点不同初始压力减压波传播曲线预测结果图(Ttl = 300C )。
具体实施例方式实施例1:参阅图1。步骤A 测得管线开裂点的初始压力12MPa及温度30°C ；化验获得管线内开裂前 气质组成:N2 0. 8455% ；CO2 1. 8909% ；Cl 92. 5469% ；C2 3. 9582% ；C3 0. 3353% ；IC4 0. 1158% ；NC4 0. 0863% ；C5 0. 1266% ；C6 0. 0214% ；C7 0. 073% ；H2S 0. 0001%，输入计
算机进行计算。步骤B 在测得的管线某点开裂前初始压力P1、温度T1下，根据气质选择彭_鲁宾 逊(Peng-Robinson，简称PR)方程，计算等熵点压力温度下流体的密度(P )、逸度(f)、定容 热容(Cv)、定压热容(CP)、比热(γ)流体特性，用于判断管线中流体所处相态，描述真实流 体等熵过程的特性，以便准确计算减压波速(w)。PR状态方程为 P 二
RT
a{T)
v-b v(v + δ) + b(v - b) 其中，状态方程计算中采用的混合物规则为经典的范德华(VanderWaals)单流体 混合规则，也称二次型混合规则，是目前最常用的混合规则，其形式如下
=Σ Y.xixiaipm =Σ Σ平A 在该混合准则中，交互作用参数采用以下的组合规则 (b. +b)式中P-—压力，T-—温度，R-—气体常数，ν-—摩尔体积，P -—密度，i——组 分名称，j—组分名称，A0-特征参数，B0-特征参数，C0-特征参数，D0-特征参数， E0—特征参数，a—特征参数，b—特征参数，c—特征参数，d—特征参数，α ---特 征参数，Y —特征参数， -一交互作用参数，…一交互作用参数，bi—交互作用参数， bj—交互作用参数，a。.一交互作用参数，交互作用参数，交互作用参数， Xi—i组分含量，Xj—j组分含量。步骤C 计算减压过程中的熵熵的计算直接决定着流体所处的状态，影响到气液 相的分布及组成，进而影响到减压波的计算。S = S0+(S-S0)对于压力为显函数的状态方程，混合物的熵值为
dp dT
Jv
D^ I K
dV +RYjHiXn
V
n.RT S0为混合物在系统温度T下的理想气体熵，表达式为 S0 二
dT 式中S—混合物的熵，S0—理想气体混合物的熵，P—压力，T—温度，R—气 体常数，V—体积，Cp-定压热容，η—物质的摩尔数。
9
根据以上方程，计算出初始状态下气质的熵，记为Sp步骤D 根据步骤B，判断压力1 (P)、温度I(T1)下的相态。若为单相，则T2 = \-ΔΤ(ΔΤ取1开尔文)。假设压力2 (P2)接近于压力I(P1),由步骤C求出压力2扒)、温度2 012)下的熵 2 (S2)0计算S2-S1 < ε，若是，则进入步骤Ε;若否，则减小压力(P2),重新计算，直至满足 条件。若为两相，则通过减小压力(P)，即P2 = PrAP(AP取(0.0001 (XO(^)P1)。假设温度2(T2)接近于温度I(T1),由步骤C求出温度2(T2)，压力2(P2)下的熵 2 (S2)。计算S2-S1) I < ε，若是，则进入步骤F;若否，则减小温度2 (T2)，重新计算，直至满 足条件。步骤E 计算压力2 (P2)、温度2 (T2)下的气体密度(见步骤B)和声速。气相声速计算模型为aG:、dpl dp) 通过分析得 式中，ae-—气体声速，P-—压力，P -—密度，T-—温度，R气体常数，Y气 体比热，M-气体摩尔质量，C—管线中流体声速。步骤F 两相流声速计算其中气体采用经典的气相声速计算模型(见步骤E)，液 相声速方程采用泰特(Tait)刚性气体模型。液相声速计算模型为 其中，广=广(/^= 5两相流声速计算模型为宫-徐(Gong-Xu)模型，该模型在双流体模型基础上，引入 虚拟质量力系数，推导了不同流型工况气液两相管流压力波速预测的统一模型 其中，Cvffl为虚拟质量力系数。(1)当Cvm = 0时，适用于分层流(忽略相间阻力)；
(2)当Cvm时，适用于泡状流；
KG(3)当<^ ^= 3.3 + 1.7时，适用于段塞流；(4)当C 时，适用于均质小泡状流、雾状流。式中，Rl---液相体积分数，Rg—气相体积分数，常数η = 7. 15，B = 3. 3X IO8Pa, P0l -—对比液相(通常选用水)密度，P^—液相密度，Pe-—气相密度，-—液体声速， aG—气体声速，C—管线中流体声速。步骤G 根据减压波过程中各个等熵点的密度差和速度差，计算开裂处流体的流 出速度。U2=Yj (AW)jAm = c、 P、S
aP式中，u---流体从开裂处的流出速度，Au---不同等熵点的速度差，P---压力， P ---密度，Δ ρ ---等熵点的密度差，c—管线中流体声速。步骤H:由步骤E (F)和G，声速(c)和减压波速度(U)之差求得减压波传播速度 (w)。若减压波传播速度(w)接近0，停止计算，完成输气管线减压波预测，若否，则返回步骤 B，判断压力2 (P2)、温度2 (T2)的相态，循环计算。步骤I 最后，由计算机输出减压波预测结果曲线图。参阅图2。减压波曲线中出现“平台”，压力较长时间保持在4. 68MPa，减缓了压力下降的速 度，增大了裂纹扩展的风险及对延性断裂的止裂韧性的要求。与材料对延性断裂扩展的阻力曲线相结合，来预测输气管线所需的止裂韧性。实施例2 参阅图3。与实施例1的步骤基本相同，不同点是预测在相同初始开裂 温度条件为30°C条件下，开裂点初始压力分别为8MPa、IOMPa和12MPa时该气质的减压波传 播曲线。最后，由计算机输出减压波预测结果对比曲线图。通过不同的开裂点初始压力，得到相应的减压波计算结果。得到上述影响因素对 于减压波特性的影响，提出所输送天然气气质的要求。
1权利要求
一种高压输气管线减压波分析预测方法，其特征是步骤A测得管线开裂点的压力及温度的信息，或者开裂点位置及管线入口处压力、温度、管道基础资料，如管长、管径、管道粗糙度、传热系数、流量，其次，化验取得开裂前管线内的气质组成的资料信息，并输入计算机；步骤B在测得的管线某点开裂前初始压力P1、温度T1下，根据不同的气质选择相应的状态方程，即选用索阿韦 雷德利克 邝(Saove Redlich Kwong，简称SRK)方程、彭 鲁宾逊(Peng Robinson，简称PR)方程、本尼迪克特 韦布 鲁宾 斯塔林方程和彭 鲁宾逊方程(Benedict Webb Rubin Starling方程和Peng Robinson方程，简称BWRS PR方程)、本尼迪克特 韦布 鲁宾 斯塔林方程和索阿韦 雷德利克 邝方程(Benedict Webb Rubin Starling方程 Saove Redlich Kwong方程，简称BWRS SRK方程)四个状态方程及组合，计算等熵点压力温度下流体的密度(ρ)、逸度(f)、定容热容(CV)、定压热容(CP)、比热(γ)流体特性，用于判断管线中流体所处相态，描述真实流体等熵过程的特性，以便准确计算减压波速(w)，SRK、PR、BWRS状态方程依次分别为 <mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>RT</mi> <mrow><mi>v</mi><mo>-</mo><mi>b</mi> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mrow><mi>a</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>v</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>v</mi> <mo>+</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow> <mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>RT</mi> <mrow><mi>v</mi><mo>-</mo><mi>b</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac> <mrow><mi>a</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> 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ΔP，ΔP取0.0001～0.002P1，假设温度2(T2)接近于温度1(T1)，由步骤C求出温度2(T2)，压力2(P2)下的熵2(S2)；计算|S2 S1)|＜ε，若是，则进入步骤F；若否，则减小温度2(T2)，重新计算，直至满足条件，步骤E计算压力2(P2)、温度2(T2)下的气体密度和声速，气相声速计算模型为 <mrow><msub> <mi>a</mi> <mi>G</mi></msub><mo>=</mo><msubsup> <mrow><mo>(</mo><mo>∂</mo><mi>p</mi><mo>/</mo><mo>∂</mo><mi>ρ</mi><mo>)</mo> </mrow> <mi>s</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn> </mrow></msubsup> </mrow>通过分析得 <mrow><msub> <mi>a</mi> <mi>G</mi></msub><mo>=</mo><msubsup> <mrow><mo>(</mo><mi>γp</mi><mo>/</mo><mi>ρ</mi><mo>)</mo> </mrow> <mi>s</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn> </mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup> <mrow><mo>(</mo><mi>γRT</mi><mo>/</mo><mi>M</mi><mo>)</mo> </mrow> <mi>s</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn> </mrow></msubsup> </mrow>c＝aG式中，aG 气体声速，P 压力，ρ 密度，T 温度，R 气体常数，γ 气体比热，M 气体摩尔质量，c 管线中流体声速；步骤F两相流声速计算其中气体采用经典的气相声速计算模型，液相声速方程采用泰特(Tait)刚性气体模型，液相声速计算模型为 <mrow><msub> <mi>a</mi> <mi>L</mi></msub><mo>=</mo><msqrt> <mfrac><mi>n</mi><msub> <mi>ρ</mi> <mi>L</mi></msub> </mfrac> 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<mn>2</mn></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn> </msub> <msub><mi>ρ</mi><mn>2</mn> </msub></munderover><msub> <mrow><mo>(</mo><mi>Δu</mi><mo>)</mo> </mrow> <mi>s</mi></msub> </mrow> <mrow><mi>Δu</mi><mo>=</mo><mi>c</mi><mfrac> <msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>Δρ</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>s</mi> </msub> <mi>ρ</mi></mfrac> </mrow>式中，u 流体从开裂处的流出速度，Δu 不同等熵点的速度差，P 压力，ρ 密度，Δρ 等熵点的密度差，c 管线中流体声速；步骤H由步骤E(F)和G，声速(c)和减压波速度(u)之差求得减压波传播速度(w)，若减压波传播速度(w)接近0，停止计算，完成输气管线减压波预测，若否，则返回步骤B，判断压力2(P2)、温度2(T2)的相态，循环计算；步骤I由计算机输出结果输出结果包括两种形式，以图形、表格形式输出和数字文件形式输出；图形、表格形式输出的包括减压波曲线及数据表格，相包线及等熵线；最后，通过不同的开裂点初始压力、温度、气质，得到相应的减压波计算结果，不同天然气气质、初始温度、压力下减压波计算结果的不同，得到影响因素对于减压波特性的影响，提出所输送天然气气质的要求；另外，将减压波曲线与管线材料的阻力曲线相结合，用于管线止裂韧性预测。FSA00000204806600043.tif,FSA00000204806600044.tif,FSA00000204806600045.tif
全文摘要
高压输气管线减压波分析预测方法，应用于高压天然气输送管道断裂控制和安全保障技术领域。在测得的管线某点开裂前初始压力P1、温度T1下，根据不同的气质选择相应的状态方程，即SRK、PR、BWRS-PR、BWRS-SRK四个状态方程及组合，计算等熵点压力温度下流体的密度、逸度、定容热容、定压热容、比热等流体特性，用于判断管线中流体所处相态，描述真实流体等熵过程的特性，准确得到减压波速。效果是对重要输气管道的气体减压波曲线进行分析预测，进而预测管材的止裂韧性，分析预测结果，优化了管道设计和运行参数，使用方便。
文档编号F17D5/00GK101929604SQ20101023651
公开日2010年12月29日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者冯耀荣, 吉玲康, 宫敬, 庄传晶, 杨龙, 赵建奎, 邱伟伟, 霍春勇 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油天然气集团公司管材研究所