1、10吋射流清管器阀门受力模拟与验证刘慧勇 曲杰 陈秋华 尹文涛 李明月：射流清管器是一种去除管道内杂质沉积、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，运行本钱上升。对这类管道大都采取定期投放清管器的方法来去除滞留液，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
2、处理难等问题，中海油相关工程研发了射流清管器。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，试验确定阀门受力本钱高、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根底。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、紧固组成局部1。其结构图如下：3 模拟计算3.1 模拟根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
3、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翻开，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，
4、用COOPER方法使模型生成规那么的六面体结构，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，分三局部进行处理。3.3FLUENT计算利用K-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
5、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.
6、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. 比照与结论5.1 阀门受力随气体流速变化规律及比照以以下图中，纵坐标为阀门受力单位N，横坐标为气速
7、单位m/s。圆点线为试验值，方点线为模拟值。5.2比照结论与建议根据试验值的整理分析以及与试验值的比照，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%，且试验值根本大于等于模拟值。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，2023，154：21-24.2 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，2023.2.3 于勇.FLUENT入门与进阶教程M.北京理工大学出版社，2023.4Minami K.Pigging dynamics in two-phase flow pipelines：experiment and modelingJ.SPE production facility，1995，104：225-231.