针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟方法和装置与流程

本发明涉及内置式输油管道集肤效应电伴热领域，具体说是一种针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟方法和装置。

背景技术：

集肤效应伴热技术(sect，skineffectelectricalheattracetechnique)作为一种有效的管道保温及防冻技术在管道输油领域得到广泛应用。目前常用的集肤效应加热方式是把伴热管焊接到输油管道上，伴热电缆从伴热管中间穿过。由于伴热管在输油管道之外，导致自身热耗较大；如果将伴热管从输油管道中穿过，势必会影响到管道内原油的流动速度，且增大现有输油管道电伴热改造的施工难度及成本。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟方法、装置和系统，以解决伴热管从输油管道中穿过，影响到管道内原油的流动速度，以及增大现有输油管道电伴热改造的施工难度及成本的问题。

第一方面，本发明提供一种针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟方法，包括：

建立输油管道的模型，所述输油管道中充满流动的原油介质，伴热电缆位于所述输油管道中心轴线上或者所述伴热电缆的局部与所述输油管道的管壁接触；

建立所述输油管道的模型的任一终端的所述伴热电缆与所述输油管道的管道壁接线联结件模型；建立输油管道的模型的进线端零线的接线端子模型；

采用固定周期的基波离散成谱冲击函数对所述伴热电缆的输入火线电压的进行模拟；所述输油管道的模型与数据接口模型建立连接；

利用所述数据接口模型，对所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的电流密度和热流分布进行分析；

提高计算精度，对所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的截面进行截面电流密度和截面热流分布分析；

根据所述热流分布和所述截面热流分布分析，利用所述电流密度、所述热流分布，以及所述截面电流密度和所述截面热流密度，与实验条件环境下的热流密度与电流密度进行校核，得出分析结论。

优选地，对所述输油管道的管道壁接线联结件模型以及所述接线端子模型进行简化分析，包括：进行所述输油管道与述伴热电缆，以及所述输入火线与所述伴热电缆和所述输油管道之间的联结件简化，删除一些静、动态特性影响很小的特征，以及删除所述输油管、所述输入火线、所述伴热电缆以及所述输入火线之间是连接零件；所述输油管道与所述原油介质，以及所述伴热电缆与所述原油介质之间接触面进行柔性连接处理；所述输油管道与所述伴热电缆的端子之间接触面进行刚性连接处理。

优选地，所述提高计算精度的方法，提高网格划分效率：利用各向同性来减少模型的网格数量，提高网格划分效率，使径向所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆满足各向同性原则，取出所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的任意体积单元，对所述任意体积单元进行网格划分；设定疏密有秩的网格设定规则，对所述任意体积单元局部细化。

优选地，所述伴热电缆的热流分布，包括：所述伴热电缆的的轴向和所述伴热电缆的径向温度；利用傅里叶定律以及所述伴热电缆集肤效应的基本运动方程，得到三维稳态温度场的混合边值方程，利用所述三维稳态温度场的混合边值方程求解所述伴热电缆的的轴向和所述伴热电缆的径向温度。

优选地，对所述伴热电缆、所述输油管道的外壁、所述伴热电缆与所述输油管道的外壁接触点，以及输入火线和所述输油管道的接触点局部细化的分析。

第二方面，本发明提供一种针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟装置，所述内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟装置存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：

建立输油管道的模型，所述输油管道中充满流动的原油介质，伴热电缆位于所述输油管道中心轴线上或者所述伴热电缆的局部与所述输油管道的管壁接触；

建立所述输油管道的模型的任一终端的所述伴热电缆与所述输油管道的管道壁接线联结件模型；建立输油管道的模型的进线端零线的接线端子模型；

采用固定周期的基波离散成谱冲击函数对所述伴热电缆的输入火线电压的进行模拟；所述输油管道的模型与数据接口模型建立连接；

利用所述数据接口模型，对所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的电流密度和热流分布进行分析；

提高计算精度，对所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的截面进行截面电流密度和截面热流分布分析；

根据所述热流分布和所述截面热流分布分析，利用所述电流密度、所述热流分布，以及所述截面电流密度和所述截面热流密度，与实验条件环境下的热流密度与电流密度进行校核，得出分析结论。

优选地，所述一种针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟装置，包括：

第一处理单元和第二处理单元，所述第一处理单元和所述第二处理单元通过所述数据接口模型连接；

所述第一处理单元，用于建立输油管道的模型、建立所述输油管道的模型的任一终端的所述伴热电缆与所述输油管道的管道壁接线联结件模型，以及建立输油管道的模型的进线端零线的接线端子模型；

所述第二处理单元，通过固定周期的基波离散成谱冲击函数对所述伴热电缆的输入火线电压的进行模拟，用于进行所述输油管道的热流密度与电流密度模拟分析，以及所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的截面进行截面电流密度和截面热流分布分析；

利用所述第一处理单元，对所述输油管道的管道壁接线联结件模型以及所述接线端子模型进行简化分析，包括：进行所述输油管道与述伴热电缆，以及所述输入火线与所述伴热电缆和所述输油管道之间的联结件简化，删除一些静、动态特性影响很小的特征，以及删除所述输油管、所述输入火线、所述伴热电缆以及所述输入火线之间是连接零件；所述输油管道与所述原油介质，以及所述伴热电缆与所述原油介质之间接触面进行柔性连接处理；所述输油管道与所述伴热电缆的端子之间接触面进行刚性连接处理。

优选地，利用所述第一处理单元，提高计算精度和网格划分效率：利用各向同性来减少模型的网格数量，提高网格划分效率，使径向所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆满足各向同性原则，取出所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的任意体积单元，对所述任意体积单元进行网格划分；设定疏密有秩的网格设定规则，对所述任意体积单元局部细化。

优选地，所述第二处理单元，包括伴热电缆的的轴向和伴热电缆的径向温度计算单元：利用傅里叶定律以及所述伴热电缆集肤效应的基本运动方程，得到三维稳态温度场的混合边值方程，利用所述三维稳态温度场的混合边值方程求解所述伴热电缆的的轴向和所述伴热电缆的径向温度。

优选地，所述第二处理单元，包括所述伴热电缆分析单元、所述输油管道的外壁分析单元、所述伴热电缆与所述输油管道的外壁接触点分析单元，以及输入火线和所述输油管道的接触点分析分析单元；

所述伴热电缆分析单元，用于对所述伴热电缆的电流密度和热流分布进行局部细化分析；

所述输油管道的外壁分析单元，用于所述输油管道的外壁电流密度和热流分布进行局部细化分析；

所述伴热电缆与所述输油管道的外壁接触点分析单元，用于所述伴热电缆与所述输油管道的外壁接触点电流密度和热流分布进行局部细化分析；

输入火线和所述输油管道的接触点分析单元，用于输入火线和所述输油管道的接触点电流密度和热流分布进行局部细化分析。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明提出一种针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟方法和装置，伴热电缆接在输油管道中间穿过的内置式集肤效应电加热方式，摒弃常规的集肤效应电伴热外面的伴热管。

通过建立输油管道的模型，使输油管道中充满流动的原油介质，伴热电缆穿过输油管道中间或者伴热电缆的局部与输油管道的管壁接触，采用采用固定周期的基波离散成谱冲击函数对所述伴热电缆的输入火线电压的进行模拟，得到电伴热管道集肤层深度和热效率的变化规律，确保管道安全平稳运行的技术界限。

根据热流分布和截面热流分布分析，利用电流密度、热流分布，以及截面电流密度和截面热流密度，与实验条件环境下的热流密度与电流密度进行校核，得出分析结论，根据结论可以给出提高加热效率、降低能耗及提高该技术安全可靠性的集肤效应电伴热设计准则，以达到输油管道增温、降黏以及防结蜡的集肤效应电伴热控制目的，使输油管道输油发热均匀、热效率高、操作方便、安全可靠，满足中长距离粘油管线的实际电伴热输送需求。

同时，在现有的输油管道改造过程中，本发明提出一种针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟方法和装置可解决现有输油管道改造过程中无伴热管伴热电缆集肤效应的可靠性理论分析难度大和际测量困难的问题。

附图说明

通过以下参考附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的一种针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟方法流程图；

图2是本发明实施例的输油管道的模型示意图；

图3是本发明实施例的内置式管道集肤效应电伴热的输油管道输入电流图；

图4是本发明实施例的一种针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟装置的框图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是值得说明的是，本发明并不限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本发明。

此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图只是为了说明本发明的目的、特征和优点，附图并不是实际按照比例绘制的。

同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。

图1是本发明实施例的一种针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟方法流程图。如图1所示，包括：步骤101建立输油管道的模型，所述输油管道中充满流动的原油介质，伴热电缆位于所述输油管道中心轴线上或者所述伴热电缆的局部与所述输油管道的管壁接触；步骤102建立所述输油管道的模型的任一终端的所述伴热电缆与所述输油管道的管道壁接线联结件模型；建立输油管道的模型的进线端零线的接线端子模型；步骤103采用固定周期的基波离散成谱冲击函数对所述伴热电缆的输入火线电压的进行模拟；所述输油管道的模型与数据接口模型建立连接；步骤104利用所述数据接口模型，对所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的电流密度和热流分布进行分析；步骤105提高计算精度，对所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的截面进行截面电流密度和截面热流分布分析；步骤106根据所述热流分布和所述截面热流分布分析，利用所述电流密度、所述热流分布，以及所述截面电流密度和所述截面热流密度，与实验条件环境下的热流密度与电流密度进行校核，得出分析结论。

步骤101建立输油管道的模型，所述输油管道中充满流动的原油介质，伴热电缆位于所述输油管道中心轴线上或者所述伴热电缆的局部与所述输油管道的管壁接触；具体地说，分析内置式集肤效应电伴热输油管道各组成部分的连接方式、质量参数以及材质参数以及分析伴热电缆(无伴热管伴热电缆)的半导体护套层、不锈钢编织层、进口氟塑料绝缘层及镀锡铜合金层的厚度、密度等材质参数，在solidworks环境下建立外包硬质聚氨酯泡沫的输油管道模型，输油管道模型中充满流动的原油介质，伴热电缆位于管道中心轴线上，可分析伴热电缆位于输油管道模型中不同位置的情况。

为了使本领域人员更好地实现本发明，在步骤101中，分析输油管道的体积、质量、工作环境温度及外表面涂层，周围土壤导热率等；分析伴热电缆的半导体护套层、不锈钢编织层、进口氟塑料绝缘层及镀锡铜合金层的厚度、密度等材质参数(体积、质量、材料、密度、弹性模量、泊松比、许用强度)；分析伴热电缆末端接线端子与管道之间、垫片、螺栓、螺母、密封圈、线鼻等部分之间的连接方式和接触位置。

步骤102建立所述输油管道的模型的任一终端的所述伴热电缆与所述输油管道的管道壁接线联结件模型；建立输油管道的模型的进线端零线的接线端子模型；具体地说，输油管道终端的伴热电缆与输油管道壁接线的端子、垫片等联结件的solidworks建模；输油管道进线端零线的接线端子的solidworks建模。

为了使本领域人员更好地实现本发明，在步骤102中，建立模型的方式是利用solidworks对输油管道各组成部分进行直径1：1比例的三维立体建模，严格按照准确的尺寸确定输油管道、伴热电缆、原油介质和配电电源之间的连接方式、空间位置关系和封装尺寸。

步骤103采用固定周期的基波离散成谱冲击函数对所述伴热电缆的输入火线电压的进行模拟；所述输油管道的模型与数据接口模型建立连接；具体地说，伴热电缆烦人输入火线ac220v电压的模拟，按照20ms一个基波周期离散成谱冲击函数，据此仿真ac220v电压加到伴热电缆上的加热效果。

步骤104利用所述数据接口模型，对所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的电流密度和热流分布进行分析；具体地说，建立solidworks模型(3d模型)与ansysworkbench的数据接口模型，据此进行输油管道集肤效应电伴热的输油管道的热流密度与电流密度模拟分析。同时在ansysworkbench环境下，可对输油管道、原油介质及伴热电缆的加热效果、电场强度、电流密度、热流分布、电压分布及焦耳热进行模拟分析；更确切地说，将建立好的solidworks模型导入ansysworkbench仿真分析环境，并对solidworks模型进行材质设定，此部分留有精确的数据接口，核心工作在于对集肤效应电伴热输油管道各组成部分进行网格划分与分配。

步骤105提高计算精度，对所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的截面进行截面电流密度和截面热流分布分析；具体地说，就输油管道、原油介质及伴热电缆的截面而言，采用局部网格精确化处理，增加网格的密度，据此提高有限元计算的精度；在输油管道轴向方向，采用稀疏网格处理，用以提高整个有限元分析的计算效率。

进一步地，对所述输油管道的管道壁接线联结件模型以及所述接线端子模型进行简化分析，包括：进行所述输油管道与述伴热电缆，以及所述输入火线与所述伴热电缆和所述输油管道之间的联结件简化，删除一些静、动态特性影响很小的特征，以及删除所述输油管、所述输入火线、所述伴热电缆以及所述输入火线之间是连接零件；所述输油管道与所述原油介质，以及所述伴热电缆与所述原油介质之间接触面进行柔性连接处理；所述输油管道与所述伴热电缆的端子之间接触面进行刚性连接处理，以降低模型复杂度、节省计算时间。

具体他，为了使本领域人员更好地实现本发明，对所述输油管道的管道壁接线联结件模型以及所述接线端子模型进行简化分析的方法的原则为：特征级简化、零件级简化、输油管道与原油介质、伴热电缆与原油介质之间接触面简化和输油管道与伴热电缆端子之间接触面简化。

特征级简化：删除一些对于零部件静、动态特性影响很小的特征，进行输油管道与伴热电缆端子、电源与伴热电缆及输油管道之间联结件等部分的简化等。

零件级简化：删除所有零件间的螺钉、螺母、垫片、弹垫、密封圈等紧固件。

输油管道与原油介质、伴热电缆与原油介质之间接触面简化：柔性连接处理。

输油管道与伴热电缆端子之间接触面简化：刚性连接处理。

进一步地，所述提高计算精度的方法，提高网格划分效率：利用各向同性来减少模型的网格数量，提高网格划分效率，使径向所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆满足各向同性原则，取出所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的任意体积单元，对所述任意体积单元进行网格划分；设定疏密有秩的网格设定规则，对所述任意体积单元局部细化。

具体他，为了使本领域人员更好地实现本发明，给出提高集肤效应电伴热输油管道网格划分精度的处理方法，以提高计算精度。

第一步，根据输油管道有限元分析精度和计算时间限制确定模型网格数量。

为了提高计算的效率，应将生成节点数量控制在200000个以内。为清晰地看到加热效果、电场强度、电流密度、热流分布、电压分布及焦耳热分布，对输油管道、原油介质及伴热电缆的截面采用局部网格精确化处理，增加网格的密度，据此提高有限元计算的精度，便于分析集肤效应的电伴热效果及输油管道的管壁漏压分析；在输油管道轴向方向，采用稀疏网格处理，用以提高整个有限元分析的计算效率，缩短计算时间、提高整体计算效率；划分后的有限元模型生成个1943网格，16143个节点。

第二步，用器件结构的各向同性来减少模型的网格数量。各向同性假设认为材料的力学性能与其在构件中的位置无关，可以认为在研究问题时，取出物体的任意一个小部分进行有限元分析，可以将分析结果应用于整个物体。考虑到现场内置式输油管道集肤效应电伴热输油管道的长度长达几十公里，伴热电缆中电流是相同的，径向管道、石油、电缆满足各向同性原则，可取出任意体积单元进行研究。因此用结构的各向同性可大大减少cpu分析所需的对象单元、大大降低计算时间进而提高计算效率。要注意的是施加边界条件时，不同分析段上的节点电压必须满足的电位下降约束，使约束条件具有连续性。

第三步，给出疏密有秩的网格设定规则，重点分析的对象采用局部细化的方法。在温度及电流密度数据变化梯度较大的输油管道与伴热电缆截面，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的轴向方向，为减少模型计算容量，则应划分相对稀疏的网格。采用疏密不同的网格划分，既可以保持相当的计算精度，又可通过减少网格数量提高计算效率。

本发明中对输油管道、原油介质及伴热电缆的截面采用局部网格精确化处理，增加网格的密度，据此提高有限元计算的精度，便于分析集肤效应的电伴热效果及管壁漏压分析；在输油管道轴向方向，采用稀疏网格处理，用以提高整个有限元分析的计算效率，缩短计算时间、提高整体计算效率。

进一步地，所述伴热电缆的热流分布，包括：所述伴热电缆的的轴向和所述伴热电缆的径向温度；利用傅里叶定律以及所述伴热电缆集肤效应的基本运动方程，得到三维稳态温度场的混合边值方程，利用所述三维稳态温度场的混合边值方程求解所述伴热电缆的的轴向和所述伴热电缆的径向温度。

具体他，为了使本领域人员更好地实现本发明，本发明给出了具体他，为了使本领域人员更好地实现本发明的具体方式。

描述伴热电缆集肤效应问题的基本运动方程为：

q＝α(t-tf)(1)

式中，为热扩散率；t为伴热电缆边界面温度值；q为热流密度向量，可表示如下：

式中，λ为原油介质的导热系数；λx,λy,λz为x,y,z方向上的导热系数。

根据傅里叶定律，第三类边界条件可写成

式中，tf为随季节和输油管道位置而变化的温度函数。

由式(1)、式(2)及式(3)组成的三维稳态温度场的混合边值问题为：

由公式(4)即可求得伴热电缆的轴向、径向温度。导热微分方程式是根据傅里叶定律和能量守恒定律所建立起来的描述物体的温度随空间和时间变化的关系式，为了求解导热微分方程式，需给定物体导热微分方程的边界条件，即环境温度的初值。

进一步地，对所述伴热电缆、所述输油管道的外壁、所述伴热电缆与所述输油管道的外壁接触点，以及输入火线和所述输油管道的接触点局部细化的分析。

为了使本领域人员更好理解本发明，以50hz电流经伴热电缆时为例进行说明，伴热电缆外侧具有伴热管，在集肤效应和邻近效应的作用下，电流不是均匀沿着管壁流动，而是集中在管道内表层通过，在管壁电阻的作用下，通过电流发热，经传导使输油管道温度升高，而伴热管外表面电压、电流为零，自身形成绝缘结构，使原油介质在输油管道内可得到安全可靠地输送。输油管道集肤效应分析规则主要有：伴热电缆重点分析；输油管道内外壁重点分析；伴热电缆与输油管道接触点重点分析；电源与伴热电缆接触点重点分析。

为了使本领域人员更好理解本发明，在环境温度取值为17度、伴热电缆流经的伴热电流为45a，且加热时间2s的情况下，内置式管道集肤效应电伴热输油管道系统温度的特点为：管道外壁温度为17.564℃，内壁温度接近20℃，原油温度达22.044℃；随着伴热电流作用时间的增长，上述温度会进一步上升，输油管道内壁的温度要高于外壁。

为了使本领域人员更好理解本发明，对内置式管道集肤效应电伴热输油管道系统电场强度的特点进行说明。在环境温度取值为17度、伴热电缆的伴热电压取为220v的情况下，由于伴热电缆的集肤效应，电缆表层电场强度为0.028387v/m；输油管道内壁电场强度为0.003175v/m，外壁电场强度低到可以忽略。尽管输油管道管壁被作为零线用与伴热电缆上加的火线构成回路加热，但由于集肤效应作用，输油管道外壁落的压降近乎可以忽略，因此对人体是安全的。

为了使本领域人员更好理解本发明，对内置式管道集肤效应电伴热输油管道系统电流密度的特点进行说明，在环境温度取值为17度、伴热电缆的伴热电压取为220v的情况下，由于伴热电缆的集肤效应，电缆表层电流密度为1.6698×10⁵a/m²；输油管道内壁电流密度为1.8668×10⁴a/m²，外壁电流密度为128.54a/m²，可见由于集肤效应作用，输油管道外壁落的电流密度要比伴热电缆的电流密度小得多。

为了使本领域人员更好理解本发明，对内置式管道集肤效应电伴热输油管道系统电压分布的特点进行说明，在环境温度取值为17度、伴热电压取为220v的情况下，内置式管道集肤效应电伴热输油管道电压分布的特点为：由于伴热电缆的集肤效应，电缆表层电压分布为0.00035387v；输油管道外壁电压分布低到可以忽略，远低于对人体的36v安全电压。

为了使本领域人员更好理解本发明，对内置式管道集肤效应电伴热输油管道系统热流分布的特点进行说明，在环境温度取值为17度、伴热电压取为220v的情况下，内置式管道集肤效应电伴热输油管道热流分布的特点为：由于伴热电缆的集肤效应，输油管道内壁为15269w/m2，外壁热流分布低到可以忽略。此处说明的是，由于集肤效应作用，输油管道的热流分布主要集中于内壁，这对所输送的原油加热是有利的。

为了使本领域人员更好理解本发明，对内置式管道集肤效应电伴热输油管道系统焦耳热分布的特点进行说明，在环境温度取值为17度、伴热电压取为220v的情况下，内置式管道集肤效应电伴热输油管道焦耳热分布的特点为：由于伴热电缆的集肤效应，输油管道、外壁焦耳热分布低到可以忽略，伴热电缆的焦耳热分布最高达1858.6w/m2，表明由于集肤效应作用，输油管道的焦耳热分布主要集中伴热电缆表面。

步骤106根据所述热流分布和所述截面热流分布分析，利用所述电流密度、所述热流分布，以及所述截面电流密度和所述截面热流密度，与实验条件环境下的热流密度与电流密度进行校核，得出分析结论。

在步骤106中，具体地来说，对输油管道的温度场、电场强度、电流密度、热流分布、电压分布及焦耳热分布进行分析，在当前工程及实验条件环境下，热量主要由内置伴热电缆及管道内壁产生，热量以伴热电缆为轴心向管道法线方向呈辐射分布，经电缆绝缘层至原油介质。尽管伴热电流流过输油管道，但产生的热量主要在内壁，且管道自身压降很低。内置式管道集肤效应电伴热输油管道系统温度场以电缆为轴心法向传递，直至管道内壁；电流密度最高点只发生在管道侧端面，其它点电流密度很低，可满足安全性要求。

在步骤101～步骤106中，基于solidworks建模和ansysworkbench有限元分析相结合的内置式输油管道集肤效应电伴热有限元模拟方法，只需要对实际输油管道进行三维建模以及基于ansysworkbench的环境模拟和有限元分析，因此本分析方法可以完成实际的现场实验所不能实现的参数测量和可靠性分析，尤其是对实际输油管道集肤效应电伴热改造过程中因考虑到安全性而难以进行的现场测试及校验，本发明技术具有很现实的优越性。现场运行结果证明，本发明方法在模拟内置式输油管道集肤效应电伴热的直观性和准确性上具有极高的现场应用价值。

本发明方法针对内置式集肤效应电伴热在复杂输油环境下进行三维建模和有限元分析，提供了一种输油管道伴热可靠性分析与模拟仿真的重要途径，对实现集肤效应电伴热技术在复杂输油环境下的运行状态模拟、保证管道的安全稳定运行及解决目前集肤效应电伴热技术可靠性分析中的精确性、实用性问题，具有极其深远的实际意义。

同时，本发明可以实现复杂环境温度变化下的内置式集肤效应电伴热技术的加热效果、电场强度、电流密度、热流分布、电压分布及焦耳热分布，能够对直穿式集肤效应电伴热技术对于不同管径、不同管道输送介质、不同伴热电缆的选择具有指导与参考意义，可以对直穿式电缆电伴热的加热效国进行预测，并判断可能出现的短路故障。此发明解决了集肤效应电伴热技术在复杂现场工作环境下难以进行现场测试的难题，提高了应用此技术进行输油管道可靠性分析的效率，弥补了实验与现场测试的不足。这对提高内置式集肤效应电伴热管道的安全性，提高伴热电缆的使用寿命，保障其高效、安全稳定运行具有极其现实的工程价值与应用前景。

图2是本发明实施例的输油管道的模型示意图。如图2所示，输油管道的模型，包括：输油管道201，伴热电缆202穿过输油管道201，伴热电缆202外侧具有伴热管203，伴热电缆202与伴热管203之间具有伴热电缆绝缘层，输油管道201与伴热管203之间具有原油介质204。

图3是本发明实施例的内置式管道集肤效应电伴热的输油管道输入电流图。如图3所示，50hz电流经伴热电缆的输入电流随时间变化的电流图，横轴为时间/秒，纵轴为电流/安。

图4是本发明实施例的一种针对内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟装置的框图。如图4所示，内置式输油管道集肤效应电伴热的模拟装置4存储有多条指令，所述指令适于由处理器41加载并执行：

建立输油管道的模型，所述输油管道中充满流动的原油介质，伴热电缆位于所述输油管道中心轴线上或者所述伴热电缆的局部与所述输油管道的管壁接触；建立所述输油管道的模型的任一终端的所述伴热电缆与所述输油管道的管道壁接线联结件模型；建立输油管道的模型的进线端零线的接线端子模型；采用固定周期的基波离散成谱冲击函数对所述伴热电缆的输入火线电压的进行模拟；所述输油管道的模型与数据接口模型建立连接；利用所述数据接口模型，对所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的电流密度和热流分布进行分析；提高计算精度，对所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的截面进行截面电流密度和截面热流分布分析；根据所述热流分布和所述截面热流分布分析，利用所述电流密度、所述热流分布，以及所述截面电流密度和所述截面热流密度，与实验条件环境下的热流密度与电流密度进行校核，得出分析结论，具体详细描述与图1相同。

进一步地，处理器41，包括第一处理单元401和第二处理单元402，所述第一处理单元401和所述第二处理单元402通过所述数据接口模型连接。

进一步地，第一处理单元401，用于建立输油管道的模型、建立所述输油管道的模型的任一终端的所述伴热电缆与所述输油管道的管道壁接线联结件模型，以及建立输油管道的模型的进线端零线的接线端子模型；

进一步地，第二处理单元402，通过固定周期的基波离散成谱冲击函数对所述伴热电缆的输入火线电压的进行模拟，用于进行所述输油管道的热流密度与电流密度模拟分析，以及所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的截面进行截面电流密度和截面热流分布分析；

进一步地，利用第一处理单元401，对所述输油管道的管道壁接线联结件模型以及所述接线端子模型进行简化分析，包括：进行所述输油管道与述伴热电缆，以及所述输入火线与所述伴热电缆和所述输油管道之间的联结件简化，删除一些静、动态特性影响很小的特征，以及删除所述输油管、所述输入火线、所述伴热电缆以及所述输入火线之间是连接零件；所述输油管道与所述原油介质，以及所述伴热电缆与所述原油介质之间接触面进行柔性连接处理；所述输油管道与所述伴热电缆的端子之间接触面进行刚性连接处理。

进一步地，还利用第一处理单元401，提高计算精度和网格划分效率：利用各向同性来减少模型的网格数量，提高网格划分效率，使径向所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆满足各向同性原则，取出所述输油管道、所述原油介质和所述伴热电缆的任意体积单元，对所述任意体积单元进行网格划分；设定疏密有秩的网格设定规则，对所述任意体积单元局部细化。

进一步地，第二处理单元402，包括伴热电缆的的轴向和伴热电缆的径向温度计算单元：利用傅里叶定律以及所述伴热电缆集肤效应的基本运动方程，得到三维稳态温度场的混合边值方程，利用所述三维稳态温度场的混合边值方程求解所述伴热电缆的的轴向和所述伴热电缆的径向温度。

进一步地，第二处理单元402，包括：所述伴热电缆分析单元、所述输油管道的外壁分析单元、所述伴热电缆与所述输油管道的外壁接触点分析单元，以及输入火线和所述输油管道的接触点分析分析单元；所述伴热电缆分析单元，用于对所述伴热电缆的电流密度和热流分布进行局部细化分析；所述输油管道的外壁分析单元，用于所述输油管道的外壁电流密度和热流分布进行局部细化分析；所述伴热电缆与所述输油管道的外壁接触点分析单元，用于所述伴热电缆与所述输油管道的外壁接触点电流密度和热流分布进行局部细化分析；输入火线和所述输油管道的接触点分析单元，用于输入火线和所述输油管道的接触点电流密度和热流分布进行局部细化分析。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各单元或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路单元，或者将它们中的多个单元或步骤制作成单个集成电路单元来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述实施例仅为表达本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。