[发明专利]一种基于流固耦合分析的冲蚀破坏失效定量预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种管道系统冲蚀破坏失效预测方法，具体地说是涉及一种基于流固耦合分析的冲蚀破坏失效定量预测方法。

背景技术

流体管道是在一定压力下输运流体的特种设备，已成为与公路、铁路、水运和航空并列的五大运输方式之一，广泛应用于原油、天然气、自来水、城市液化气以及流程工业领域中各种流体物料的输送，涉及到能源供应、企业生产、城市发展和人民生活等各个方面，其运行的可靠性直接关系到经济发展和公共安全，在国民经济中有着举足轻重的作用。管道在为人们提供输运方便的同时，也存在着极大的安全隐患，这主要体现在多相流腐蚀性介质对在役管道系统的冲蚀破坏。冲蚀破坏具有明显的局部性和突发性，特别在含水、腐蚀性、多相流介质流动下引起的冲蚀破坏更是复杂，导致管壁局部变薄，甚至穿孔。因流体管道失效常会造成生产装置停工、系统停运、甚至引发恶性事故，不仅给管道系统本身造成严重后果(如系统停输)，而且给社会和环境带来负面影响，引发恶性事故，直接威胁公众的安全，导致人身伤亡，社会负面影响巨大。

现有研究发现，流体管道失效的形式多样，失效机理十分复杂，其中由介质流动特性造成的冲蚀破坏失效是管道系统中最广泛也是常见的破坏形式。冲蚀是材料受流体冲刷和流体介质腐蚀共同耦合作用的结果，其失效机理非常复杂，影响管道冲蚀失效的因素很多，包括材料因素、电化学因素以及力学因素等，因此如何有效地避免流体管道的冲蚀失效是摆在我们面前亟需解决的一个问题。

针对目前石油化工、天然气、自来水、城市液化气等输送领域存在的冲蚀问题，现有研究存在的不足主要在于：

(1)目前针对管道系统腐蚀失效预测通常采用定期、定点的检测。检测位置、检测周期的确定是一大难题，实际工程中往往依据自身经验制订检测规范，缺乏理论依据，亟需研究者对管道系统的冲蚀规律加以研究，定量预测其腐蚀速率；

(2)目前的冲蚀破坏失效预测仅仅局限于腐蚀介质的分析以及参数(比如流速)影响规律的研究，没有建立在系统地对腐蚀与流体动力学的耦合作用研究上进行失效预测，更没有以腐蚀产物保护膜为对象进行介质流动与管壁耦合作用的预测研究，无法准确预测流体管道的失效位置与速率。

本发明所提供的一种基于流固耦合分析的冲蚀破坏失效定量预测方法针对典型管件结构、实际运行工况、腐蚀性流体介质实际情况，结合流体力学相似理论开展流体管道失效的定量预测是解决目前管道系统失效的有效途径，具有特别重要的现实意义和可观的经济价值。

发明内容

针对国内外管道系统冲蚀研究存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于流固耦合分析的冲蚀破坏失效定量预测方法，适合于腐蚀与流动耦合作用的冲蚀机理、流固耦合的定量分析、保护膜冲蚀破坏临界特性或瞬态特性的试验研究及冲蚀失效预测、工业应用推广等完整的研究体系。能模拟工业环境中的实际工况条件，定量预测典型管件的冲蚀失效的一种方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，包括腐蚀产物保护膜特性分析和流体作用下失效预测分析两个过程：

一、腐蚀产物保护膜特性分析过程：

a、依据实际管道系统中某一典型管件结构、实际运行工况、实际腐蚀性流体介质情况，应用流体力学相似理论，确定用于试验测试的管件规格、试验运行工况以及腐蚀性流体介质；

b、应用电化学测试技术实现冲蚀破坏的瞬态特性测试；

c、依据试验测试管件规格及试验运行工况建立相应的局部流动与腐蚀耦合作用的力学模型，即流固耦合模型；

d、初步设定腐蚀产物保护膜特性参数值——名义弹性模量和名义泊松比，结合上述流固耦合模型，应用有限元分析软件进行流固耦合仿真计算，分析腐蚀产物保护膜破损情况；

e、对比分析试验研究和仿真计算，结合流体力学相似理论，修正腐蚀产物保护膜的名义弹性模量、名义泊松比，确定腐蚀产物保护膜特性参数值；

二、流体作用下失效预测分析过程：

结合腐蚀产物保护膜特性分析得到的腐蚀产物保护膜特性参数值，针对实际管道系统典型管件进行相应的流固耦合仿真计算，分析腐蚀产物保护膜破损情况，实现管道系统冲蚀破坏失效定量预测。

所述的典型管件即弯管、三通、大小头、衬管、多通道结合管、管道插入物或管束类设备。

所述的流体力学相似理论即几何相似理论、流动相似理论和运动相似理论。

所述的实际运行工况包括流量、压力和温度。

所述的名义弹性模量和名义泊松比即按弹性力学方法等效计算得出的弹性模量和泊松比。