（油气储运工程专业论文）苏丹原油启动破坏特性研究.pdf

s t u d yo nt h e s t a r td e s t r u c t i n gc h a r a c t e r i s t i co f g n p o cc r u d e0 i l l u x i n g g u o ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n g g u o - z h o n g a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , s h e a rc r e e pt e s t sw e r ec o n d u c t e d 、历t hg n p o cs u d a nc r u d eo i ls a m p l e s w h i c hw e r eg e l l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h e ns e v e r a lt y p i c a lv i s c o e l a s t i c p l a s t i cm o d e l s w e r ec o m p a r e d ，a n dt h ev i s c o e l a s t i cd a m a g em o d e l ，w h i c hi sc o u p l e dt h eb u r g e r sv i s c o e l a s t i c m o d e la n dc o n t i n u u md a m a g ef a c t o rm o d e l ，w a su s e dt om a t c ht h ec r e e pe x p e r i m e n t so ft h e g e l l e dc r u d eo i l an e wv i s c o e l a s t i cd a m a g em o d e l 、析t l lt h r e ep a r a m e t e r sw a sf o u n dt h r o u g h s o m er e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o ni nt h ep r o c e s so fm a t c h i n g t h i sm o d e l ，、v i mf e w e rp a r a m e t e r s a n dh i g ha c c u r a c y , c a nd e s c r i b et h ev i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so fg e ll e dc r u d eo i lv e r yg o o d t h e v i s c o e l a s t i cd a m a g em o d e la n dt h ei m p r o v e dv i s c o u sm o d e lw e r ec o m b i n e dt od e s c r i b et h e n e we q u a t i o no ft h eg e l l e dc r u d eo i lw i t hn o n - l i n e a rv i s c o e l a s t i c p l a s t i cp r o p e r t i e s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h i se q u a t i o nc a nd e s c r i b et h en o n - - l i n e a rv i s c o e l a s t i c p l a s t i cs h e a r r h e o l o g i c a lc h i v e so ft h eg e l l e dc r u d eo i la c c u r a t e l y t h et i m e - t e m p e r a t u r e s t r e s se q u i v a l e n c e p r i n c i p l ew a si n t r o d u c e dt oo b t a i nt h ec r e e pc o m p l i a n c em a s t e rc h iv e i na d d i t i o nt ot a k i n g i n t oa c c o u n tt h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ，t h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n t ( a m e n d m e n t ) f a c t o rw a s a l s oi n t r o d u c e di nt h ep r o c e s so f d i s p l a c e m e n to v e r l a p ，a n dt h ee x p r e s s i o nf o r t h er e l e v a n c eo f t h ed i s p l a c e m e n tf a c t o rt e m p e r a t u r e ( s t r e s s ) w a so b t a i n e da tt h es a m et i m e w h i l et h ev e r t i c a l d i s p l a c e m e n ta m e n d m e n tw a sf o u n dt h a t ，i tc a nb en e g l e c t e di nt h ep r o c e s so fd i s p l a c e m e n t w i t ht h es a m es t r e s sb u tc a nn o tb ei g n o r e di nt h ep r o c e s so fd i s p l a c e m e n tw i t ht h es a m e t e m p e r a t u r e ，a n di tp l a y e das i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ec r e e pc o m p l i a n c em a s t e rc u r v e t h e v i s c o e l a s t i cd a m a g em o d e lw a sm a t c h e dw i t ht h ec r e e pc o m p li a n c em a s t e rc u r v e ，a n dr e s u l t s s h o wt h a tt h ef i t t i n gc u r v ew a sf i t t e dh i g h l yw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a f i n a l l y , t h ec o n s t i t u t i v em o d e ld e s c r i b i n gt h ei n i t i a ld e s t r u c t i o no fg e l l e dc r u d eo i l p r o c e s s w a se s t a b l i s h e d ，a n dt h em o d e lw a sv e r i f i e dw i t he x p e r i m e n t s i tw a sf o u n dt h a tt h i s m o d e lh a sav e r yg o o df i t t i n gr e s u l t s ；t h ef a i l u r ep r o c e s so fg e l l e dc r u d eo i lc o u l db e d e s c r i b e db yd a m a g ep a r a m e t e r s k e yw o r d s ：g e l l e dc r u d eo i l ，v i s c o e l a s t i c p l a s t i c ，c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ，e q u i v a l e n c e p r i n c i p l e ，d e s t r u c t i n gp r o c e s s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：立墨鱼日期：歹口。 年 砰月二。日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名：庄菱鱼 指导教师签名：壅三翌立： 日期：凇d 年 日期： ，j 7 年 争月2 口 日 f 月 6 日 中国石油人学( 华东) 硕士论文 第一章前言 1 1 研究背景及意义 非牛顿原油结构强度所决定的原油粘稠程度尤其是屈服值、粘弹性等直接影响到管 道再启动压力的大小和管道运行的安全性【l 】。含蜡原油在较低温度下其内部析出的蜡晶 聚集形成一定结构，将液态油包含在其中，表现出一定的粘弹性。 研究含蜡原油的粘弹性变化规律，可以从机理上加深对含蜡原油结构特征、屈服应 力和触变性等的认识；通过考察原油蜡晶结构的变化规律，可以更加准确地掌握输油管 道运行期间的流动特性和停输期l 日j 的胶凝状态，有效地控制输油温度和把握管道停输再 启动的有利时机，确保输油管道的安全运行【2 1 。 对于含蜡原油，加热输送仍是当前的主要管输工艺，但加热管输能耗大，降低输油 温度能大大降低输油能耗，节约输油成本，然而，输油温度的降低也增大了管道运行风 险，尤其是停输后再启动的风险。为确保管道安全运行和停输后j i r 页n 再启动，需要综合 衡量含蜡原油在凝点附近的流变特性、胶凝特性等3 1 。低温甚至凝点以下的含蜡原油一 旦管道停输，由于停输温降，管内低温段原油结构强度迅速增大而导致再启动困难。含 蜡原油在凝点附近的粘弹性及其对降温输送含蜡原油风险的影响对确定热油管道安全 输油温度具有重要参考价值，同时也反映出以凝点作为确定输油温度的唯一指标的不全 面性，安全输油温度的确定应综合衡量含蜡原油在凝点附近的流变特性与胶凝特性。 本文拟以再启动实验为主，建立一种适合于苏丹原油的本构模型，以描述苏丹原油 在启动过程中的结构破坏特性，为胶凝原油的低温输送和管道的停输再启动提供理论依 据。 1 2 研究目标及内容 1 2 1 研究目标 管道停输一段时间后，含蜡原油在低温下容易发生蜡晶的析出，析出的蜡晶交错连 结，形成具有一定强度的胶凝结构，此时原油表现出粘弹一触变特性。本文拟以原油启 动破坏过程为研究目标，通过测量苏丹胶凝原油的粘弹性，并结合文献中提出的有关粘 弹塑性的模型，找到胶凝原油破坏过程中规律性行为，建立能很好地描述苏丹原油蠕变 特性的粘弹塑性模型及初始破坏本够方程。 1 2 2 研究内容 ( 1 ) 使用流变仪进行启动实验，对破坏的初始极短时问内的应力、应变的变化进 第一章前言 行分析，得到初始破坏过程的机理解释； ( 2 ) 参照文献综述中提到的各种粘弹塑性模型，结合实验，得到描述苏丹胶凝原 油蠕变特性的模型； ( 3 ) 利用得到的实验数据，得到初始破坏阶段的应力、应变关系式。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第二章粘弹塑性研究 粘弹性1 4 j 是指流体既具有液体的粘性又具有固体的弹性，其力学响应与时问有关， 具有力学松弛的特点。粘弹性理论表吲l 】：对纯弹性固体，应力与应变之间的相位角 万= 0 0 ；对纯粘性流体，万= 9 0 0 ；对于粘弹性体，则0 0 q ) 式中：臣为弹簧的弹性模量；e ：为k e l v i n 体弹簧元件的弹性模量；r ，和r ，分别 为k e l v i n 体和b i n g h a m 体粘壶元件的粘滞系数；o r 为模型两端的力；t 为时间。 在此模型基础上多串联几个k e l v i n 模型，即可得到广义的西原正夫模型。不过， 虽然西原正夫体及广义西元正夫体能描述加速蠕变，但其加速蠕变阶段的速度恒定， 这与实际的岩土材料蠕变曲线不符1 w j 。 岩土材料的典型蠕变曲线如图2 9 所示，从图中可以看出，其蠕变曲线可以分为 三个阶段，a b 段为初期蠕变( 暂时蠕变) 阶段，其应变速率逐渐递减，也称为衰减蠕 变阶段；b c 段为二次稳定蠕变，亦称等速蠕变，该阶段内，曲线斜率保持不变，应变 速率呈定值稳定状态；c d 段为试件达到破坏前应变呈加速增长的第三期蠕变，这种蠕 变将导致试件迅速破坏。这与胶凝原油的高剪切应力作用下的蠕变过程类似。 图2 典型蠕变三阶段曲线 f i g2 - 9 t h r e ep h a s e so fc l a s s i cc r e e pc u r v e 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 ( 2 ) 改进的西元正夫模型 在西原正夫模型的基础上，对塑性体模型中的粘滞体进行改进，得到一维应力状 态下粘滞体的本构方程为： 仃：= 垒亟 舌k ，n z - 1 0 ) 仃= - 二，_ 一占 l u ， a t 一b t + c 式中：a 、b 、c 为常数，由变形特性决定，且b 2 4 a c 0 ；r o 为应力作用之 前的粘滞系数。 得到塑性体相应的粘性流动应变为： 叫t ) _ 芋( 掌a + 旱a ，) ( 2 - 玎jz 将西原正夫模型本构方程中的粘性应变用式( 2 1 1 ) 代替即可得到整个蠕变过程的 应力一应变表达式。 ( 3 ) 改进的b u r g e r s 模型 改进的b u r g e r s 蠕变模型如下图所示。 图2 1 0 改进的b u r g e r s 蠕受模犟 f i g2 - 1 0m o d i t i e a lb u r g e r sc r e e pm o d e l 图中m c 元件在盯未达到m o h r - c o u l o m b 准则屈服应力盯，前应变为0 ，当应力等于 或大于盯，时则完全服从m o l a r - c o u l o m b 塑性流动规律。当仃 仃，时，改进型粘弹塑性模 型即为典型的b u r g e r s 蠕变模型；当仃仃，时，改进型b u r g e r s 蠕变模型偏量行为可由 以下关系描述： 总应变率： 色，= 垂k f j + 毒m + 毒p f ， k e l v i n 体：s f ，= 2 r l 台k f _ ，+ 2 e f ， m a x w e l l 体：一，= 差+ 瓦s i j m c 元件体： = 力瓦o g 一1 。，4 ， 1 3 第二章粘弹埋性研究 其中：六d - 名 粤+ 兰+ 善】 0 0 i10 0 2 20 0 3 3 ( 4 ) 复杂的非线性粘弹塑性模型 郑晓等2 0 1 采用半经验理论与经验公式相结合的方法，建立了能很好的描述菜籽 仁蠕变性的非线性粘弹塑性模型。其本构模型如图2 1 1 所示。 图2 1 1非线性粘弹塑性模型 f i g2 - 1 1 n o n l i n e a r v i s c o u s - e l a s t i c - p l a s t i c i t ym o d e l 图2 1 2 非线性粘弹塑性应力一应变图 f i g2 - 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t r a i n 由2 12 图所示的应力- 应变关系，将各个应变进行线性叠加，可得到相应的蠕变方 程为： 占( 仃，f ) = 占r ( o r ，t ) + c m = 占k ( 仃，) + l ( 盯，) 一2 ( 仃，) = 导+ 【l - e x p ( 一兰旦，) 】+ e 1 s k ir l x l 三【l-explr2( 鱼r k 2f ) 】+ ( 当e m + 寺一) 一粼1 a 2一粼1 ao r 朋s ( 2 - 1 2 ) 一 【盯一仃，j一4 【仃一，) 式( 2 - 1 2 ) 中，( 仃，) 为线性粘弹性应变，。( 盯，) 为线性粘塑性应变，：( 仃，f ) 为非线性粘塑性应变。 由此模型得到的理论曲线与蠕变试验曲线如下图所示。 1 4 中国石油人学( 华东) 硕上论文 1 0 0 8 0 卯 求 、 - 4 0 2 0 o51 01 52 02 53 03 5 i t i 山 图2 1 3 菜籽仁蠕变试验曲线与理论曲线比较 f i g2 - 1 3c r e e pc i i l l - v e so ft e s ta n dt h e o r e t i c a lm o d e lo f1 s p e s e e dd e h u h e d 此模型虽能很好地表示蠕变过程，但方程形式复杂，参数多，并且经验模型的选择 对模型拟合的精确度影响大，不具有普适性。 河海模型 在文献【2 1 中提到，岩石流变过程往往是弹性、粘性、塑性、粘弹性和粘塑性等多 种变形共存的一个复杂过程，故需要采用多种元件( 线性和非线性元件) 的组合来对其 进行模拟。作者将提出的非线性粘塑性体( n v p b 模型) 与五元件线性粘弹性流变模型 串联起来，建立了一个新的岩石非线性粘弹塑性流变模型，如图2 1 4 所示，该流变模 型可以反映岩石的加速流变特性。 民 e 、 e 、 y y y bg y y 、- 1 t 。弋j 1 9 il 珏 一 i l 王 _ i ii ji il i 仍一班 i ，i _ i- l- 一 1 r 广i1 j 7 i 1 7 l 1 图2 1 4 岩石七元件非线性粘弹塑性流变特性分析示意图 由上图即可得到七元件粘弹塑性流变模型的本构方程为： 苦+ 睁垦r h 卜器= 扣睁警十彘卜 1 5 e l e 2 + e ：e ，+ e t e l 第二章粘弹塑性研究 卜等彦+ ( 盯一以) n c n 一1 ) ， ( o r 一仉)+ ( 5 ) 含分数阶导数的粘弹塑性模型 此类模型都是将k e l v i n 体中的粘壶元件用a b e l 粘壶代替，即可得到能描述整个蠕 变过程的非线性粘弹塑性本构方程。 1 6 呱一 二 一玑 一 忙 盟帆 仍 肿 砀、i _ - e b 一仉& 一哺 ，。、，r。 中国石油人学( 华东) 硕j 二论文 第三章实验简介 3 1 实验仪器及油样 3 1 1 仪器简介 本文所用主要仪器为德国a n t o np a a r 公司生产的p h y s i c am c r ( m o d u l a rc o m p a c t r h e o m e t e r 模块化紧凑流变仪) 系列中的p h y s i c am c r 3 0 1 。主要技术参数见表3 - 1 。 表3 - 1p h y s i c a lm c r 3 0 1 系统相关参数 转子 外筒间隙比 装样体积端面效应修正系数 nl a c l y c o n r ev 6c l ( m m )( m m )( o )( m m )( m 1 ) 1 3 3 3 83 9 9 9 61 2 01 4 4 61 0 8 4 1 2 11 9 0 01 1 0 转换系数( 仪器常数)最小扭矩最人扭矩最人可测剪切应力最大剪切速率 c s r c s s f 懈 厂。 ( p a m n m ) ( 5 m i n 一。) ( a v m ) ( m n m ) ( p a ) ( s 一1 ) 1 8 8 1 7 71 2 9 9 40 12 0 03 7 6 3 5 43 8 9 8 1 测量系统的示意图如下所示。 图3 - 1 p h y s i c a lm c r 3 0 1 测量系统不意图 f i g3 - 1 p h y s i c a lm c r 3 0 1m e a s u r i a gs y s t e m p h y s i c am c r 系列流变仪独特的关键组成部分之一就是由空气轴承支持的同步马 达。固定于一个小转盘上的高能永磁产生恒定的磁场，从而产生快速的即时响应。转子 与由一系列线圈组成的定子以相同速度运动，即同步运动。扭矩可以调节，使其与定子 电流的总量保持线性关系。因此定子电流改变，扭矩便立即改变。和感应马达相反，同 步马达的转子不会变化，因此不会产生涡电流，从而也不会发热，而发热正是显著改变 1 7 第三章实验简介 马达特性和导致信号漂移的根本原因。快速的线性响应加上先进的控制电子部件使 p h y s i c a 系列流变仪速度和应变控制无与伦比。由于电磁铁马达扭矩和定子电流之间保 持线性关系因此可得到绝对的扭矩校正；可对大范围内的应力、应变及频率范围进行受 控剪切应力( c s s ) 及受控剪切速率( c s r ) 实验；转场恒定，没有热量产生，信号不会漂移。 此流变仪有很宽的扭矩和转速范围( 1 0 6 m i n 。- - 3 0 0 0 m i n 。1 ) ，马达的响应时间非常 短，达到1 0 0 0 m i n 1 的转速只需1 5 0 m s 。此套设备的控温系统利用珀尔帖效应( p e l t i e r e f f e c t ) 实现精确控温，测温范围- 3 0 c - - 2 0 0 c 。珀尔帖效应的工作原理是当直流电通过 两种不同导电材料构成的回路时，接点上将产生吸热或放热现象。冷端的热量被移到热 端，导致冷端温度降低，热端温度升高。对于半导体材料，珀尔帖效应特别显著。当电 流方向从空穴半导体流向电子半导体时，接头处温度升高并放出热量；反之，接头处温 度降低并从外界吸收热量。半导体制冷器有两个端面，当一个端面为冷端时，另一个端 面就为热端，每个端面都可作冷端热端使用。当温度高于设定温度时，密闭容器需要降 温，此时，半导体制冷器工作在制冷状态，与铜块接触的端面为冷端，而与散热器接触 的端面为热端。而当密闭容器温度低于设定温度时，需要加热，此时与铜块接触的端面 为热端，而与散热器接触的端面为冷端，从而实现了快速制冷和加热。 3 1 2 实验油样 本实验所用油样为苏丹g n p o c 原油，其主要参数见表3 - 2 。 表3 - 2 苏丹g n i m t 2 原油基本参数 凝点( )反常点( ) 蜡含量( )沥青质含量( ) 3 44 72 4 6 90 6 0 含硫( ) 含水( ) 密度( k g 1 )分子量 0 0 2 70 9 0 8 5 6 33 7 3 附注事：原油的热处理温度为6 5 。 3 2 实验步骤及实验安排 3 2 1 实验步骤 实验主要包括五个步骤：油样预处理、装样、动态降温、静态降温( 或静态恒温) 和再启动过程。 油样预处理：将桶内原油充分搅拌均匀，并分装到较小的磨1 3 瓶中( 分装磨口瓶的 数量视预定实验数目而定) 。然后将磨1 3 瓶放入水浴中，静态加热至6 0 0 并恒温2 h ，使 瓶内的原油依靠分子的热运动达到均匀状态，然后在室温条件下，静置自然冷却4 8 h 以 上，完成预处理过程。预处理的目的是消除含蜡原油对以前历史的记忆效应，使油样处 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文 于同一初始状态，以保证测量结果具有重复性和可比性，从而可以开始正式实验。 现在以下面两组不同的实验为例来具体说明实验步骤： 恒应力蠕变实验： 6 5 * ( 2j 丛堂一2 7 。c 型骂2 7 。c ( 厂l = 6 0 s ，c r = 1 0 p a ) ( 1 ) 原油预热：将预处理后准备好的磨口瓶内的油样在水浴中加热到6 5 并恒温 稳定后，然后适当晃动，使油样充分混合均匀； ( 2 ) 开启流变仪，根据实验目的设定实验程序，并设定仪器初始温度为6 5 ； ( 3 ) 装样：将加热好的油样装入p h y s i c am c r 3 0 1 流变仪( 油品加入量应在筒内标 记线的高度，此刻度处的装样容积为1 9 m l ) ； ( 4 ) 动态降温测试：设定预剪切速率y 。、降温速率、动态降温起始和终了温度及 数据采集时间间隔。本组实验中，设定y 。= 6 0 s ，控制0 5 。c m i n 的降温速率将油样从 6 5 剪切降温至2 7 ，同时进行数据采集，数据采集时间间隔为o 2 分钟( 即每隔o 1 读取一个数据点) ，数据点个数为3 8 1 个； ( 5 ) 静态降温阶段：动态降温至2 7 后，设定静置恒温时间为2 小时； ( 6 ) 再启动测试过程：静态降温终了，原油已在特定条件下静置并形成稳定结构， 施加恒定的剪切应力盯= 1 0 p a ，数据采集时间间隔取o 5 s ，数据点取1 2 0 0 0 个。 ( 7 ) 保存数据，按顺序关闭仪器，结束实验。 恒剪速启动实验： 6 5 。cj 塑堂一2 80 cj 型鲨兰马2 60 c ( y l = 6 0 s ，7 2 = 1s 。1 ) ( 1 ) 原油预热：将预处理后准备好的磨口瓶内的油样在水浴中加热到6 5 并恒温 稳定后，然后适当晃动，使油样充分混合均匀； ( 2 ) 开启流变仪，根据实验目的设定实验程序，并设定仪器初始温度为6 5 。c ； ( 3 ) 装样：将加热好的油样装入p h y s i c am c r 3 0 1 流变仪( 油品加入量应在筒内标 记线的高度，此刻度处的装样容积为1 9 m l ) ； ( 4 ) 动态降温测试：设定预剪切速率厂，、降温速率、动态降温起始和终了温度及 数据采集时间间隔。本组实验中，设定y ，= 6 0 s ，控制0 2 * c m i n 的降温速率将油样 从6 50 c 剪切降温至2 8 。c ，同时进行数据采集，数据采集时间问隔为0 5 分钟( 即每隔 o 1 读取一个数据点) ，数据点个数为3 7 1 个； 1 9 第三章实验简介 ( 5 ) 静态降温阶段：动态降温至2 8 。c 后，设定静态降温时间为2 小时，静置降温 至2 6 ： ( 6 ) 再启动测试过程：静态降温终了，原油已在特定条件下静置并形成稳定结构， 以恒定的启动剪切速率y ，= 1s 1 进行剪切，即使我们选取较低的剪切速率，初次剪切时 剪切应力还会在极短的时间内( 0 5 s 以内) 达到最大值，之后结构便迅速裂降，剪切应 力迅速下降。因而在初始剪切的一段时间内，数据采集时间间隔取5 m s ，数据点取4 0 0 个；之后剪切应力下降速率大大减小，采样间隔取l o o m s ，设定采集数据点个数为2 0 0 ； 此后剪切应力变化不大，采样间隔取3 0 s ，设定采集数据点数为1 2 0 。 ( 7 ) 保存数据，按顺序关闭仪器，结束实验。 3 2 2 实验安排 本文拟测定经历一定热历史和剪切历史后的苏丹g n p o c 原油再启动过程，得到最 佳的描述苏丹g n p o c 原油粘弹塑性的本构方程，以及胶凝原油再启动初始结构破坏过 程的应力应变关系式。根据实验内容，安排了如表3 3 和表3 4 所示实验。 表3 - 3 实验安挥1 实验序号启动温度( )启动剪切应力仃( p a ) 13 0 22 54 0 36 0 4l o 51 5 6 2 7 2 0 73 0 84 0 95 0 1 01 0 1 l1 5 1 22 92 0 1 33 0 1 44 0 1 57 5 1 61 0 1 7 3 1 1 2 5 1 81 5 1 92 0 2 0 4 0 附注：上表实验中静置时间均为2 h ，预剪切速率均为6 0 s 一。 2 0 中国石油人学( 华东) 硕士论文 表孓4 实验安捧2 启动温度( )降温幅度( ) 启动速率( s 一1 ) 0 5 01 0 2 0 o 5 2 5 1 0 一 2 o o 5 41 0 2 0 0 5 01 。0 2 o 0 5 2 6 2 1 0 2 0 0 5 4 1 o 2 o 0 5 o1 0 2 o 0 5 2 721 0 2 o 0 5 41 d 2 0 附注：上表实验中静态降温时间均为2 h ，预剪切速率均为6 0 s 。 第四章胶凝原油粘弹塑性研究 第四章胶凝原油粘弹塑性研究 4 1 胶凝原油粘弹性模型 在文献【1 7 】中，作者提出了将b u r g e r s 粘弹性模型与连续损伤因子模型二者耦合的沥 青粘弹性损伤模型，实验得到的蠕变柔量曲线如图4 - 1 ( a ) 所示，本文实验所得胶凝原 油蠕变实验曲线如图4 - 1 ( b ) 所示，从图中可以看出，沥青材料的蠕变曲线与胶凝原油 的蠕变实验曲线非常相似，故可以考虑用粘弹性损伤模型来描述胶凝原油的蠕变过程。 、 e 3 垒 5 11 01 0 01 咖 图4 - 1 不同温度一下的蠕变柔量曲线 f i g4 - 1 t h ec r e e pc o m p l i a n c eg t l l l v ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 针对蠕变实验的曲线特性，在所施加的应力未达到盯。时，蠕变变形随时间无限增加 趋于一恒定值，其特性可用徐世法提出的“四单元，五参数模型来描述。 王志方【2 2 1 提出的新的胶凝原油粘弹性模型，是将分数阶导数引入到了粘性元件中， 它能很好地对胶凝原油蠕变曲线进行拟合，而粘弹性流体模型( 即b u r g e r s 模型) 在拟 合蠕变柔量曲线的中后段存在较大误差。而本文将采用引入损伤因子的改进b u r g e r s 模 型，对苏丹胶凝原油蠕变曲线进行拟合，在第二章中已经给出了此模型的本构方程表达 式，如下： it)：【1一d(，)】一-吼川)=exp()o0了1+三+士(1-expc(t e x p ( - - - ) ) 】 ( 4 1 ) ) = 【1 一d ( ，) 】叫吼川)( 二) 了+ 二+ ( 1】 ( 4 - 1 ) n 乜1 吼 5 2 j 1 相应地得到考虑损伤时的蠕变柔量表达式为： 即) = e x p ( 争【击+ 石t + 击( 1 - e x p ( 一】) ( 4 2 ) 利用o r i g i n 7 0 的非线性曲线拟合( n o n l i n e a rc u r v ef i t t i n g ) 功能编制如式( 4 2 ) 的 拟合函数，对2 9 。c 下不同应力( 1 0 p a ，1 5 p a ) 下的蠕变柔量主曲线进行改进的最小二乘 2 2 旭 b m m d 中国彳i 油大学( 华东) 硕上论文 法l e v e n b e r g m a r q u a r d t 法( l - m 法) 拟合，得到如图4 - 2 所示的拟合曲线。 0 1 4 n 1 2 o 1 0 n 哪 一 生 o0 0 叫 0 0 2 o 0 1 0 2 0 m 5 0 6 0 t m o 1 0 0 1 4 0 1 2 o o 罡o 1o o o 0 0 4 o m 2 o 哪 o 02 o3 哪o5 o6 啪 t 协 ( a ) i o p a 【b ) 1 5 p a 图4 - 22 9 1 2 下的苏丹g n p o c 原油蠕变曲线图 f i g4 - 2 t h ec r e e pc u i v i 舅io fg n p o cc r u d eo i la t2 9d e g r e e 在推导式( 4 2 ) 的过程中提到的w e i b u l l 函数表示沥青材料的缺陷分布，由图4 2 可见，利用式( 4 2 ) 的蠕变方程可很好地描述苏丹胶凝原油的蠕变曲线，故可考虑假 设苏丹胶凝原油结构形成时也存在结构缺陷，并且此缺陷也服从w e i b u l l 函数分布。同 时，在求解连续损伤因子d ( t ) 过程中，提到了位置参数厂，它相当于损伤的门槛值，当 沥青试件成型时可认为门槛值r = 0 ，在应用过程中，假设胶凝原油结构形成时的门槛值 y 也为o 。 图4 - 2 为用公式，( ，) = e x p ( ! ) 【喜+ 一t + 丢( 1 - e x p ( 一三) ) 】拟合得到的图形，用此模 甩 也l7 7 1丘2 f 型拟合可称之为六参数拟合，得到的拟合图形精度很高，可很好地描述胶凝原油的整个 蠕变过程。拟合参数分别为： 1 0 p a ：m 主0 0 6 0 0 4 ，刀= o 3 7 0 9 2 ，e l = 8 1 7 5 2 5 1 p a ，7 l = 1 0 7 1 0 p a j ， e ，= 9 9 8 1 1 0 2 6 p a ，f ：0 0 8 6 ，r 2 = 0 9 8 7 3 。 1 5 p a ：m = 0 0 8 1 4 ，刀= 0 5 0 6 5 5 ，e l = 3 7 3 1 2 9 0 p a ，刁l = 4 0 9 3 1 0 引p a s ， e 2 = 8 8 4 5 x1 0 1 9 p a ，f = 0 0 6 ，r 2 = 0 9 9 6 1 。 在拟合过程中发现，拟合所得的参数7 7 l 很大( 数量级在1 0 2 0 以上) ，较时间t 差很3 k 7 的数量级，故可认为上述公式中的二r 项为o ，可忽略。再考察瓦( 一吾) ) 项，此项l 1 1 - e x p 厶2 z 为递增函数，当，趋于无穷大时，括号内数值趋近于l ，而，的拟合值数量级很大( 1 0 2 0 2 3 第叫章胶凝原油粘弹塑十牛研究 左右) ，故此项也可近似看作为o 。这样，公式，( f ) = e x p ( ) 【丢+ 一t + 士( 1 - e x p ( 一三) ) 】 刀 丘lr i止2 r 可简化为： ，= 扣c 争 3 ) 用式( 4 3 ) 拟合后得到的拟合曲线如图4 - 3 所示： 咖1 4 o 舯1 2 n o n 嘣 垒 = ，n n o n 哪 n n o 口，8 0 0 0 1 4 o 1 2 o 1 0 星0 0 8 - 0 o 0 0 6 0 o 0 0 4 o 0 2 0 0 0 0 0 01 0 0 02 0 0 02 0 0 0姗5 咖哪01 0 2 0 0 03 0 0 0舢5 0 0 00 0 0 0 t ，st ， 图4 32 9 下的苏丹g n p o c 原油拟合曲线图 f i g4 - - 3t h ef i tc u l f 、r e so fg n p o cc r u d eo i la t2 9d e g r e e 得到相应的拟合参数为： l o p a - e j = 1 7 1 9 4 7 2 3 8 p a ，m = 0 0 3 4 8 7 ，刀= o 1 7 8 4 5 ，r 2 = 0 9 8 8 8 。 1 5 p a ：e l = 5 7 2 9 6 8 7 p a ，m = 0 0 7 2 8 2 ，刀= 0 4 2 4 7 5 ，r 2 = 0 9 9 6 5 。 比较图4 2 和图4 3 可以看出，采用三参数模型拟合得到的蠕变柔量曲线也能很好 地描述整个过程，并且拟合精度也很高，相比较六参数模型，使用的参数量减少一半， 计算速度加快。故在后文中都采用简化的三参数模型进行数据拟合。定义此模型为三参 数粘弹性损伤模型。使用此模型得到的其它温度下的模型参数如表4 - 1 所示： 表4 1 三参数粘弹性损伤模型拟合结果 拟合参数及相关度 温度( )剪切应力( p a ) e l ( p a ) m，l 尺2 3 017 8 2 6 6 80 1 7 0 3 61 2 2 0 2 40 9 9 9 3 2 5 4 06 1 6 4 2 80 2 7 6 73 5 4 2 6 70 9 9 9 8 1 01 6 2 8 1 6 0o 1 3 5 9 l1 2 6 5 50 9 8 9 8 1 53 8 1 6 3 9 00 0 8 7 4 5 0 5 8 8 2 6 0 9 9 8 3 2 7 2 08 0 4 8 2 4 0 20 0 5 2 0 90 2 2 8 7 60 9 9 7 6 3 02 5 3 0 1 0 1 70 0 6 90 2 5 0 6 20 9 9 3 8 7 51 9 5 2 0 1 1 0 30 0 3 0 9 40 1 5 2 8 30 9 9 8 1 3 l 1 0l8 4 8 0 8 50 0 7 2 5 8 0 4 1 0 4 70 9 9 7 0 2 4 中国石油火学( 华东) 硕士论文 以下列出为几个温度及应力下的蠕变柔量曲线拟合图。 0 0 0 2 0 o o 们5 罡0 0 0 1 0 o o 吣5 n 0 0 0 0 n 1 4 o o 们2 n 0 0 1 0 o o 鼢 正 8 o o 0 0 8 n 0 0 0 4 n 优1 0 2 n o o o1 0 0 02 0 g 03 0 0 04 0 0 05 0 0 08 0 0 0 01 0 0 0 舢3 0 0 04 0 0 0 锄0 0 0 0 t st s ( a ) 2 5 ，3 0 p a( b ) 2 7 ，1 s p a 01 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 06 0 0 001 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 ( 0 0 t ，l 。t s ( d2 7 ，2 0 p a( d ) 3 1 ，1 0 p a 图“不同温度、剪切应力下的蠕变曲线拟合图 f i g4 - 4 t h ef i t t e dc r e e pc l l r v e sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n ds h e a rs t r e s s e s 从以图4 4 可以看出，使用前文提出的三参数粘弹性损伤模型可以在不同温度、不 同剪切应力下对试验所得蠕变柔量数据进行很好地拟合，精度都较高，并且进行非线性 拟合过程中计算速度快。得到相应的应变表达式为： 占( f ) ：甜( f ) ：要e x p ( ) ( 4 4 ) 丘l 疗 4 2 胶凝原油非线性粘弹塑性 当所施加的剪切应力较高时，胶凝原油的蠕变曲线就会出现加速流变阶段，即第三 期蠕变阶段，如2 2 3 节提到的，此阶段的蠕变将导致胶凝原油结构迅速破坏，产生塑 形流动，在停输再启动过程中即认为管线重新启动起来。相应地出现加速蠕变阶段的时 2 5 瞄 瞄 似 瞄 儆 删 咖 n n n n n n o ：d ，( 1 ) ， 第p q 章胶凝原油粘弹塑性研究 间可定义为启动破坏时间。 o 2 5 o 2 口 n 5 著0 1 0 0 0 5 o 1 0 0 o1 0 0 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 oo2 0口6 08 0i o o t st s ( a ) 2 5 ，6 0 p ac o ) 2 9 ，4 0 p a 图4 5 应变时间关系图 f i g