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CN109869639B - 基于负压波法的弯头当量长度检测定位管道泄漏点的方法 - Google Patents

基于负压波法的弯头当量长度检测定位管道泄漏点的方法 Download PDF

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CN109869639B
CN109869639B CN201910262195.XA CN201910262195A CN109869639B CN 109869639 B CN109869639 B CN 109869639B CN 201910262195 A CN201910262195 A CN 201910262195A CN 109869639 B CN109869639 B CN 109869639B
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elbow
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林培锋
王璞
黄瑞剑
朱祖超
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Zhejiang University of Technology ZJUT
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Zhejiang University of Technology ZJUT
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Abstract

本发明公开了一种基于负压波的弯头当量长度检测定位管道泄漏点方法。所需管路主要由弯头和直管段连接构成,绘制管路中具有不同曲率半径和弯管角度的弯头的3D管路流道模型,在弯头进口处增加延长段;施加负压波从延长段进入到所需管路,在管道流道模型进口设置流量进口和压力出口,数值模拟计算至收敛;改变数值模拟的流量进口,再次进行数值模拟,然后记录压力变化,分析两个时间步计算得当量长度值,进而处理得到泄露点的位置。本发明方法更加精确,无需复杂投入,简单可靠省时易行,计算稳定,不仅在复杂的输送管路中精确定位泄漏点位置,还大大节约了维修时间。

Description

基于负压波法的弯头当量长度检测定位管道泄漏点的方法
技术领域
本发明涉及一种弯头管道流通能力的确定方法,具体地说是一种基于负压波法的弯头当量长度检测定位管道泄漏点的方法。
背景技术
石油和天然气是重要的能源,在各行业有着十分重要的地位。由于资源分布的原因,需要长距离运输。管路运输最为普遍,但由于管路使用寿命和管路腐蚀、损坏等影响,管路易发生泄漏。由于管路泄漏会造成重大的经济损失,因此管道泄漏检测技术具有十分重要的现实意义。泄露的发生离不开泄露通道的压力差的存在,压差作用使得管道内介质快速外泄,造成该处流体密度与压力的降低,进而出现从泄露点处沿管道两端的密度与压力依次降低的现象,类似于水力学上的负压力波。
该负压力波能够依靠输送管道的波导作用使其沿管道的传播距离达到数十公里甚至更远。输送管道当中负压力波的传播速度大约相当于声波在管输流体内达到的传播速度,通常在1000到1200m/s范围内。携带有泄漏信息的瞬态负压波被安装在管道两端的压力传感器捕捉到之后,就能够检测到泄漏的发生,而泄露点的确定则可以依靠管道两端接受到泄漏产生的瞬态负压波的时间差来计算完成。
目前已有的负压波法管道泄漏检测技术,是通过在管道两端分别安装压力传感器,实现对管道泄漏点的检测。但是从实际的使用情况来看,负压波在弯头中的传播时间是不同于直管道的。对于存在较多弯头的管路,直接用负压波法测的的泄漏点位置忽略了这一事实,造成定位精度的降低。
随着计算机模拟技术的发展,弯头的流通能力已经可以通过CFD软件来模拟计算,CFD软件(Computational Fluid Dynamics),即计算流体动力学,简称CFD,它以电子计算机为工具,应用各种离散化的数学方法,对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究,以解决各种实际问题。
发明内容
本发明解决现有基于负压波法泄漏检测定位法中,由于空间限制管道系统中存在多个弯头等,导致管道内压力衰减速率明显增加,负压波法无法精确确定泄露点的具体位置的问题,从而提出了一种基于负压波的弯头当量长度检测定位管道泄漏点的方法,提高负压波检测法的定位精度,使维修人员能够快速确定泄露的位置,及时弥补损失。
为解决上述技术问题,本发明的一种基于负压波的弯头当量长度检测定位管道泄漏点方法采用以下方案:
(1)所需管路主要由弯头和直管段依次交替连接构成,绘制所需管路中具有不同曲率半径和弯管角度的弯头的3D管路流道模型,并在弯头进口处增加延长段;
弯头为直管段端部之间的过渡弯曲管道段。
(2)将3D管路流道模型导入ANSYS软件并进行模型的网格划分,施加负压波从延长段进入到所需管路,在管道流道模型进口设置流量进口且设置压力出口为0,进行数值模拟计算至收敛;
(3)改变数值模拟的流量进口,设置合适的时间步长,再次进行数值模拟,然后记录每个时间步下所需管路轴心线上各点的压力变化,进而分析获得压力波分别处于每个弯头进出口的两个时间步,计算两个时间步之间的时间差值,将该时间差值乘以负压波的传播速度得到该弯头的当量长度值;
(4)根据负压波法对所需管路处理测得泄露点离所需管路的延长段进口的实际直管长度LA,将实际直管长度LA依次减去所需管路的延长段进口之后且泄露点之前的每一段直管段长度及每一弯头的当量长度值,得到泄露点的位置。
本发明在管道泄漏点获得时减去了弯头的当量长度值,而且通过特殊技术手段处理获得了弯头的当量长度值,提高了泄漏点的检测准确性。
所述步骤(1)具体为:所需管道的进口前加长度为3-5倍流道直径的直管作为延长段。
在所述步骤(1)中还包括建立弯头的管路模型时,除去不影响流道生成且与流体介质不直接接触的部件和不影响计算结果的细小零部件,仅建立流道封闭的三维模型,除去这些不必要的部件以避免给测量带来影响,可以提高测量精度,并且能够简化分析过程。例如所需管道的侧部所连接的分支管道。
所述步骤(2)中,设置的流量进口为实际工程应用的流量进口,且保证产生完全紊流,最小雷诺数不小于4×104
所述步骤(2)中进行数值模拟计算具体为:采用ANSYS中的Fluent软件,将流体设定为可压缩流体,选取k-ε湍流模型非定常求解,步数设为1000次,然后对每个弯头分别进行数值模拟。
所述步骤(3)中,改变数值模拟的流量进口,设置合适的时间步长,具体为:将进口流量改变为原来的十分之一,时间步长设置为弯头轴心线长度除以负压波传播速度值的百分之一。
所述步骤(3)中选取压力波分别处于弯头进出口的两个时刻,计算时间差值具体为:在后处理中选定轴心线上得到该线上的压力分布情况,选取因流量变化引起的压力波处于弯头进出口两个时间步Tb1和Tb2,时间差值
Figure BDA0002015640990000031
n表示管路中第n条弯头。
所述步骤(3)具体为:将得到的时间差值
Figure BDA0002015640990000032
乘以负压波在直管中的传播速度v,得到对应弯头的当量长度Lbn
所述步骤(4)中,根据负压波法对所需管路处理测得泄露点离所需管路的延长段进口的实际直管长度LA,具体为:在实际工程中,利用安置在所需管路及其延长段两端的动态压力传感器进行捕捉由于管道泄露而产生的负压波,泄露点的确定通过管道两端接收到泄漏产生的负压波的时间差来计算完成。
所述步骤(4)中将实际直管长度依次减去测量点A后每一段直管管路长度及对应弯头的当量长度值具体为:设A点后的第n条直管的长度为Lsn,第n条弯管的当量长度为Lbn,泄露点在第i条直管上,泄露点在第i条直管上的具体位置L*si=LA-(Ls1+Ls2+…+Lsi-1)-(Lb1+Lb2+…+Lbi-1)。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:
(1)本方法采用CFD技术数值模拟的方法来得到负压波在弯头中的传播时间,进而求得对应弯头的当量长度,然后代入公式即可确定泄露点的实际位置;此方法的当量长度计算只需要在开发初期使用图纸就可以完成,相比于在具体的工程中通过实验得到实际的当量长度值,它无需复杂的实验设置与成本投入,简单可靠,省时易行。
(2)本发明所述的基于负压波的弯头当量长度检测定位管道泄漏点方法,进口前加长度为3-5倍流道直径的延长段,所加的延长段能让流体介质得到充分发展,测点能够达到稳定的状态,并使计算稳定。
(3)本发明所述的基于负压波的弯头当量长度检测定位管道泄漏点方法,还包括运用负压波法计算泄露点与检测点的当量直管长度,利用该长度与弯头所转化的当量长度的关系,得到泄露点的实际位置。因为这种方法依靠管道两端接受到泄漏产生的瞬态负压波的时间差来计算泄露点位置,具备反应速度快和定位精度高的双重特点,泄露一旦发生就能及时被检测出来,从而采取有效措施阻止泄漏事故的进一步扩大,为减少物质损失争取到尽可能多的时间。
当负压波法检测到泄漏发生,并输出泄漏点的当量管路长度时。即可根据原设计管路的结构,找到对应弯头的当量长度参考值,代入计算即可快速得到泄漏点的具体位置。这样不仅在复杂的输送管路中精确定位泄漏点位置,还大大节约了维修人员寻找泄漏点的时间减少了因贻误维修时间而造成的不必要的经济损失。
附图说明
附图1是本发明方法的流程图;
附图2是一具体实施例的管路三维模型图;
附图3是该具体实施例中的弯头及其延长段的网格图;
附图4是弯头进口截面中心点压力随时间步变化的折线图;
附图5是弯头出口截面中心点压力随时间步变化的折线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
下面提供本发明所述的基于负压波的弯头当量长度检测定位管道泄漏点方法的具体实施方式。
按照本发明上述发明内容完整方法实施的实施例及其实施过程如图1所示,包括:
(1)所需管路主要由弯头和直管段依次交替连接构成,绘制所需管路中具有不同曲率半径和弯管角度的弯头的3D管路流道模型,在所需管道的进口前加长度为3-5倍流道直径的直管作为延长段。具体实施中,除去所需管道的侧部所连接的分支管道,仅建立流道封闭的三维模型。
具体是建立弯头的三维水体模型,本方法优选的采用三维软件SolidWorks建立不同曲率弯头的三维水体模型,如图2为一具体实施例的管路三维模型。由于该管路中的四个弯头是完全相同的,因此只需取其中一个弯头做数值模拟。为简化分析计算过程,在不影响分析结果的前提下,除去不影响流道生成且与流体介质不直接接触的部件,以及不影响计算结果的细小零部件,仅建立流道封闭的三维模型。同时为了让流体介质得到充分发展,测点能够达到稳定的状态,并使计算稳定,需要在管路进口处加延长段,进口前加长度为5倍流道直径的延长段。作为其他可以变换的实施方式,进口前端还可以选择3-5倍的延长段。
(2)将3D管路流道模型导入ANSYS软件并进行模型的网格划分,施加负压波从延长段进入到所需管路,设置的流量进口为实际工程应用的流量进口,且设置压力出口为0,保证产生完全紊流,最小雷诺数不小于4×104
然后采用ANSYS中的Fluent软件,将流体设定为可压缩流体,选取k-ε湍流模型非定常求解,步数设为1000次,然后对每个弯头分别进行数值模拟。
具体地,将上述水体模型导入网格划分软件ICEM中,进行网格划分,形成如图3所示的网格图,并保存为.msh文件。
将该.msh文件导入Fluent,进行边界条件的设置:
进口条件:采用流量进口,给定进口流量为0.01kg/s。
出口条件:采用压力出口,给定出口处压力为0。
壁面条件:本模型中管路为不锈钢管,壁面条件设定为固定无滑移壁面。
将流体设定为可压流体,选择k-e标准湍流模型进行非定常计算。
求解方法选择SIMPLIE,动量方程选择二阶迎风格式,湍动能方程和耗散方程的离散方法均选择一阶迎风格式,其余均设置为为默认选项,然后开始数值模拟的处理。
(3)将进口流量改变为原来的十分之一,时间步长设置为弯头轴心线长度除以负压波传播速度值的百分之一。
然后,再次进行数值模拟,然后记录每个时间步下所需管路轴心线上各点的压力变化,进而分析获得压力波分别处于每个弯头进出口的两个时间步,计算两个时间步之间的时间差值,具体为:在后处理中选定轴心线上得到该线上的压力分布情况,选取因流量变化引起的压力波处于弯头进出口两个时间步Tb1和Tb2,时间差值
Figure BDA0002015640990000051
n表示管路中第n条弯头。
接着,将该时间差值乘以负压波的传播速度得到该弯头的当量长度值,将得到的时间差值
Figure BDA0002015640990000052
乘以负压波在直管中的传播速度v,得到对应弯头的当量长度Lbn
具体在数值模拟处理结果收敛后,将进口流量改为0.001kg/s,设置时间步长为0.000015s,步数为2000,每5个时间步自动保存数据,再次进行数值模拟。至数值模拟完成后,将其结果保存为*.dat文件并导入后处理软件Tecplot中,选择弯头进出口两个截面中点导出压力数值,绘制压力随时间步变化的折线图,如图4与图5所示。由图可得,引起的压力波处于弯头进出口两个位置的两个时间步
Figure BDA0002015640990000053
时间差值
Figure BDA0002015640990000054
Figure BDA0002015640990000055
则对应弯头的当量长度
Figure BDA0002015640990000056
(4)根据负压波法对所需管路处理测得泄露点离所需管路的延长段进口的实际直管长度LA,在实际工程中,利用安置在所需管路及其延长段两端的动态压力传感器进行捕捉由于管道泄露而产生的负压波,泄露点的确定通过管道两端接收到泄漏产生的负压波的时间差来计算完成。
将实际直管长度LA依次减去所需管路的延长段进口之后且泄露点之前的每一段直管段长度及每一弯头的当量长度值,具体是设A点后的第n条直管的长度为Lsn,第n条弯管的当量长度为Lbn,泄露点在第i条直管上,泄露点在第i条直管上的具体位置L*si=LA-(Ls1+Ls2+…+Lsi-1)-(Lb1+Lb2+…+Lbi-1),最终得到泄露点的位置。
利用负压波法检测出的泄漏点与测量点的当量管路位置LA为1.743m,第一条直管的长度为Ls1=0.8m,第二条直管的长度为Ls2=0.4m,第一个弯头的当量长度Lb1=0.225,则泄漏点在第三条直管上的位置LA3=1.743-0.8-0.4-0.225×2=0.093m。
实施例1的实际泄漏点在第三条直管上0.15m处的位置,采用传统的负压波法其定位位置为1.743-0.8-0.4=0.543m处,对比本方法测的的0.093m,可见采用本方法对精度有极大的提高。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种基于负压波的弯头当量长度检测定位管道泄漏点方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)所需管路主要由弯头和直管段连接构成,绘制所需管路中具有不同曲率半径和弯管角度的弯头的3D管路流道模型,并在弯头进口处增加延长段;
(2)将3D管路流道模型导入并进行模型的网格划分,施加负压波从延长段进入到所需管路,在管道流道模型进口设置流量进口,在管道流道模型出口设置压力出口且设置出口处压力为0,进行数值模拟计算至收敛;
(3)改变数值模拟的流量进口,设置合适的时间步长,再次进行数值模拟,然后记录每个时间步下所需管路轴心线上各点的压力变化,进而分析获得压力波分别处于每个弯头进出口的两个时间步,计算两个时间步之间的时间差值,将该时间差值乘以负压波的传播速度得到该弯头的当量长度值;
所述步骤(3)中,改变数值模拟的流量进口,设置合适的时间步长,具体为:将进口流量改变为原来的十分之一,时间步长设置为弯头轴心线长度除以负压波传播速度值的百分之一;
(4)根据负压波法对所需管路处理测得泄露点离所需管路的延长段进口的实际直管长度LA,将实际直管长度LA依次减去所需管路的延长段进口之后且泄露点之前的每一段直管段长度及每一弯头的当量长度值,得到泄露点的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于负压波的弯头当量长度检测定位管道泄漏点方法,其特征在于:所述步骤(1)具体为:所需管道的进口前加长度为3-5倍流道直径的直管作为延长段。
3.根据权利要求1所述的一种基于负压波的弯头当量长度检测定位管道泄漏点方法,其特征在于:所述步骤(2)中,设置的流量进口为实际工程应用的流量进口,且保证产生完全紊流,最小雷诺数不小于4×104
4.根据权利要求1所述的一种基于负压波的弯头当量长度检测定位管道泄漏点方法,其特征在于:所述步骤(2)中进行数值模拟计算具体为:采用ANSYS中的Fluent软件,将流体设定为可压缩流体,选取k-ε湍流模型非定常求解,步数设为1000次,然后对每个弯头分别进行数值模拟。
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