管内石蜡沉积物的力学响应特性研究

论文摘要

原油管道内石蜡沉积物的力学响应特性研究,是从流变学角度探讨管道内石蜡沉积物的结构破坏特性,从理论上研究地形起伏地区管道内石蜡沉积物的破坏滑脱过程,从而描述地形起伏地区管道的停输蜡堵凝管过程。由于胶凝原油与管道内石蜡沉积物有相似的结构特性和力学特性,同时胶凝原油的启动结构破坏过程与石蜡沉积物的受力变形有耦合作用,于是首先根据不同剪应力下胶凝原油的蠕变特性构建了胶凝原油的粘弹性流变模型和非线性粘弹塑性流变模型,且都能精确拟合实验曲线。利用时间-温度-应力等效原理分析了胶凝原油的非线性蠕变行为,得到参考应力水平和参考温度下的蠕变主曲线,并回归得到了主曲线的粘弹性流变模型。为了研究管道内石蜡沉积物的结构特性和流变特性,及与胶凝原油的不同,利用X射线衍射仪、偏光显微镜、差热分析仪和流变仪分别对魏荆线外输原油石蜡沉积物和魏荆线低温胶凝原油的内部蜡晶微观结构和全温度区间内系统热性能和流变性能进行了对比分析。结果表明石蜡沉积物和胶凝原油两种物质的蜡晶类型一样,但石蜡沉积物的蜡晶成片状较大,蜡晶之间的距离较远,结构相对比较松散。利用自主研制开发的直接剪切仪,在不加热破坏管道内石蜡沉积物原有结构的条件下,进行了破坏剪切实验。根据实验曲线推导得到了石蜡沉积物结构破坏过程的粘弹性流变模型和粘弹触变方程,同时还得到了不同温度下管道内石蜡沉积物的松弛模量表达式。根据石蜡沉积物的结构力学破坏特性,利用ANSYS/LS-DYNA对管道内石蜡沉积物建立了有限元模型,对不同工况下停输瞬间“爬坡”管道内沉积层的轴向剪应力分布进行了计算。结果表明石蜡沉积物的密度、管道的“爬坡”角度和石蜡沉积物厚度都决定着沉积层内剪应力的分布。同时利用ANSYS/LS-DYNA程序中的ALE多物质耦合算法,对“爬坡”管道内石蜡沉积物在不同结构强度、不同石蜡沉积物厚度的工况下和管道“爬坡”角度、“爬坡”距离、管径不同的情况下发生的破坏滑脱过程进行了数值仿真模拟。分析结果得出石蜡沉积物的结构强度越小、管道的“爬坡”角度越大、管径越大、沉积层越厚石蜡沉积物越容易产生破坏滑脱,及滑脱后与管中液态原油发生置换达到平衡的时间越短。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 创新点摘要
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 课题相关国内外研究现状
• 1.2.1 管道内壁的结蜡
• 1.2.2 胶凝原油的力学破坏特性研究进展
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 胶凝原油的剪切力学特性研究
• 2.1 胶凝原油的剪切蠕变实验
• 2.1.1 剪切蠕变实验
• 2.1.2 实验结果分析
• 2.2 胶凝原油的粘弹性流变模型
• 2.2.1 采用分数阶导数的粘弹性流变模型
• 2.2.2 胶凝原油粘弹性流变模型的建立
• 2.2.3 粘弹性流变模型的讨论
• 2.3 胶线弹变
• 2.3.1 非线性粘弹塑性流变模型的建立
• 2.3.2 非线性流变模型参数的确定与验证
• 2.4 胶凝原油剪切蠕变的时间-温度-应力等效性
• 2.4.1 时间-温度-应力的等效原理
• 2.4.2 胶凝原油的蠕变实验
• 2.4.3 实验结果及时间-温度-应力等效原理的应用
• 本章小结
• 第三章 原油管道内石蜡沉积物的结构力学特性
• 3.1 原油管道内石蜡沉积物的结构特性
• 3.1.1 X 射线衍射仪
• 3.1.2 显微镜
• 3.1.3 DSC 热分析仪
• 3.2 管道内石蜡沉积物的流变性
• 3.2.1 加热温度60℃石蜡沉积物的流变性
• 3.2.2 加热温度70℃石蜡沉积物的流变性
• 3.2.3 加热温度60℃魏荆线外输原油的流变性
• 3.2.4 加热温度70℃魏荆线外输原油的流变性
• 3.3 管道内石蜡沉积物的力学破坏特性
• 3.3.1 直剪实验
• 3.3.2 石蜡沉积物的结构破坏过程分析
• 本章小结
• 第四章“爬坡”含蜡原油管道内沉积层应力分析
• 4.1 原油管道的“爬坡”
• 4.2 “爬坡”管道内沉积层受力分析
• 4.2.1 二维简化受力分析
• 4.2.2 三维应力分析
• 4.3 ANSYS/LS-DYNA3D 算法基础
• 4.3.1 控制方程
• 4.3.2 空间有限元离散化
• 4.3.3 显示动力学有限元基本方程
• 4.3.4 LS-DYNA 程序的应用
• 4.4 有限元模型
• 4.4.1 材料计算模型
• 4.4.2 单元选择
• 4.4.3 网格划分与有限元模型
• 4.4.4 边界条件及载荷
• 4.5 计算结果及剪应力分析
• 4.5.1 不同“爬坡”角度的管道内沉积层剪应力分布
• 4.5.2 不同厚度的沉积层内剪应力分布
• 4.5.3 不同管径内沉积层剪应力分布
• 4.5.4 石蜡沉积物的密度对沉积层剪应力分布的影响
• 本章小结
• 第五章“爬坡”管道内石蜡沉积物的破坏滑脱及凝管过程分析
• 5.1 石蜡沉积物的破坏滑脱仿真分析
• 5.1.1 LS-DYNA 程序中的ALE 算法
• 5.1.2 沙漏控制
• 5.1.3 数值模拟
• 5.1.4 结果分析
• 5.2 石蜡沉积物破坏滑脱的影响因素分析
• 5.3 石蜡沉积物的破坏滑脱对管道停输再启动安全性的影响初探
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简历