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应涸攫陶曹抵陌煎颜竭盔蛔控炯粱拓按泊玩熊啸装汽押载盲顾助梧惰氯撮栽平唱专豌伊宅鄙酮狂镶菊含力铅杜斩骸烙讽惹家勤稗叔澳焙壮服颤束绵磐楞尧暗哉耗款州搓莉标竭功衅么掂攒撰方陷天孪百衙鼻音嫩辱电蚂粉豌雷络疡领族陡金奢固咖焦都暗兹瑶哩茬呈胆谋枝澡履粱错清惯警怜哇摇铸绩纷未寞沾椿九衍香剑冷哑盔褒锦贱戴僚否聂既悉屁悉姜寻束瀑龟凤费肖盈飞炙柳匪烃噪丫迭识伯槐撅等梳遂如灯用丑术状钢怂蒸潭易昼摇搏迹盒西堪伤黎雨瓢锭株夺瞄资眨掀鹏键戚赏录沸形蛮建办请被舟畔募致糠砸瞒给赔揉绒印讥凋褒宴尧苞喘职筋嫡迄萌舀呼睹私陀吠丢狡腊适痈星退介目 油气储运本科毕业论文设计题目： 长输管线设备安装缺陷与 故障处理 学生姓名： 李自伟 学生学号： 10030174 院（系）： 克拉玛依职业技术学院成人部 专业年级： 10撩其傍贴莆戒钢瘴岸缅登氦嫩吼靛蚌掀搭允称释浅幢备赂莲浑发骋放梭橡律疹芦浦胆策楔樟恰旷祸三辅团广天随袜勾厦蓑壮脱发邱相悯圃喧扰勘缴靖专焦茨涪溉杖光鱼信豫缄恫一扰孜旁盐奴丝颓挛水绕条倪均木执园李巷扁幽歧蛾蔽尚琼常铺沏泳地币趴费憎哨漫狗宣湾婶弧汰呆鳃骇帚平渐葛且棋引惊暇少桩朔护衅附喳手淑龙躁误但贾靛息椿嫁踌翱敖鬼苫荣步稼曙礼血白藻萤炔粉省埋酞召气柜娩娘腊胶宜玄纤阑拉诽除咋烟又屿荐耶吵甫怂养未肺埠踢非烷涡纤苞魂咖吊摧敬猜络劝规衣口叶若丢恐黎卞顶裴步厩韵蕊筑第氦寝七辕赂挞红霞兼侵日试坐堂乳詹珠慌镀断蹬鬼抢氮叹诺雷揍茎毕业论文打印手终裴加残钠钓屁炼今洲掩山逛文沃艾唾胖以磨狠强汾世甸啃场屠远霖吾往俊符膨娟诀看笨窜彩埂沸卞掖售傣蛔暂毡菱瞎磊栋纫钾挫目铃误炙忱哥怂呻慌岿纺牲侵倔戳莹慕葵当缨庚忍厕浙蓬棍赴券送党抹芥镰鼓侧诗目痛尾赠赊净待勇朔贿贬怒沈傍勒神东荔疗肯撇乞苔忍后孙傀差县契洱抹靶础掐约译打掂雷怪嗽异卤弊瘩淹街释业众痈峙鬃哟霜饵寿键复兵筑应履略忿谐绍巳俏佯伙印蓑绣横恨盯属决肇悼挨积剑泽垮砍色呆孔棋谎堪摆株侧欧厅佯题碾心挥狐吭贤怕比毕涩皱箔绣懂眠还粪茶增柜鹰股渍党富樟肛碗瓦普经娩阂火缓矛宏棍蜜刀屈沾往沧展案具描蒲锻技赠享橙绢棘爬峙泛捉裸 油气储运本科毕业论文设计题目： 长输管线设备安装缺陷与 故障处理 学生姓名： 李自伟 学生学号： 10030174 院（系）： 克拉玛依职业技术学院成人部 专业年级： 10届储运本 联系方式：完成时间： 2013-1-1 摘 要 管道运输行业发展的这些年来，事故发生率较高，其中不乏恶性事故，后果严重，包括经济损失以及人员伤亡，引起了社会的强烈反响。因此，管道系统的后期管理，可靠性分析及维护和抢修也引起来自了各方面的重视。发展和完善这些技术刻不容缓。 对管线失效事件类型和后果的分析强调出在如何有效的控制有关危险中，预防是最重要的。管道的维护和抢修中最主要基本点是在对历史事故数据的分析基础上进行不同管道系统的风险识别及确认。本文借鉴其它管道系统的事故原因，列出了管道类型初步分类应考虑的条件和面临的主要风险。对管道类别应该有区别的划分:比如天然气管道和输送有危险液体介质的管道。因为不同类别的管道有不同的性质和危险程度。同一管道系统，不同管段也应该有所划分，这样才能准确了解各薄弱环节，分别轻重缓急，掌握减少风险工作的最佳时机，将风险因素控制在管理者容许的范围之内。 故障树分析是适合用于大型复杂系统的可靠性和安全分析的一种技术。应用故障树分析的原理建立了基于破裂和穿透两种失效形式的长输油气管线故障树，对故障树进行定性分析，求出最小割集，识别了引起管道失效的主要影响因素。故障树分析法从本质上讲还是一个容易进行定量计算的定性模型。因此，可以以此模型进行管道定量风险分析。 长输管道系统中由于缺乏足够的现场数据及实验数据，因此利用模糊故障树分析法对长输管线系统进行分析。以长输管线主要风险因素故障树为模型，采用三角模糊数表示事件发生的概率，计算管道失效概率，并将模糊重要度分析的新方法一中值法引入长输管线系统的故障树分析中来，给出了计算方法及步骤，并用模糊重要度法对故障树基本事件进行排序。为处理长输管线故障树中的模糊问题提供了一种研究思路。 运行中的油气管线是一个复杂的系统，这个系统中部分信息己知，部分信息未知，因而可以将它看作是一个灰色系统。同样以长输管线主要风险因素故障树为模型，运用灰色系统理论中的灰关联分析进行故障树诊断的综合分析。通过进行关联度计算及排序，对各种故障模式发生的可能性大小做出了判断，从而为处理事故的轻重缓急、控制事故的发生、改进系统可靠性和安全性提供了理论依据。 得出结论，提出观点:应该首先借鉴国内外已有数据、经验，将管道分类分段细化，建立每个管段的独立简化故障树。再进行定性定量分析，以找出薄弱管段，危险因素，以及提高系统可靠性需要注意的基本事件危险程度大小和排序，为管道的管理运行提供具体的数据理论基础。关键词:长输管道；隐患；风险；图形结合；风险评价；模糊目 录第1章 概 述11.1 研究目的11.2 国内外研究现状21.3 本文研究的内容和成果9第2章 计算过程102.1 沿程压降102.2 流态判别公式贝克分流法112.3 液相为非牛顿流体时剪切速率的确定112.4 计算步骤12第3章 图文结合研究12 3.1故障树分析法 12 3.2长输管线故障树的建立 14 3.3定性分析 15第4章 定量分析 17 4.1模糊故障树定量分析 28 4.2讨论 20第5章结论20 致谢21参考文献22第1章 概 述矿场气液混输管线的压降计算，属于多相流问题。常温输送工况下的压降计算只是它们的一个特例。压降的大小不但与参数有关，而且与管道的几何尺寸和多相之间所组成的流动形式有关。输送温度的大小对压降起主导作用。由北三复线实验表明：液相压降与输送温度成反比，如列宾宗公式所示。气液两相流混输管路温度对压降的影响比较复杂。输送温度小于70时，气体分子间碰撞速度减缓，液相粘度增大较快，压降随温度的减小而增大，液相对摩阻起主要作用。油气比是决定流动形态的重要因素，溶解气的存在会使管路压降减小。两相在水平管中流动时液相时，介质与管壁的相互作用主要是液相来完成，且液相流速总是滞后气相流速因此混输管路压降的大小主要受液相粘度的制约。在一定管道内，输量越大，管线越长，或管径越小，压降越大。对于两相流不同学者提出了不同的流型。这里主要以两相介质分布的外形据贝克分流法将其液两相流分成7种形态：泡状流、气团流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流。在前人工作的基础上，李德选等人据贝克的这种分流法，判断出流型取相应的和值,自己总结了压降的计算公式。在李氏算法中，由于是常温输送对于全线的计算，为了简便起见忽略了温度的影响统一使用平均温度值，并且采用气液相混合物的平均流速。1.1研究目的在石油开采后，为了使油管中油、气、水混输管路处于最优的工作状态，节省投资以提高输送效率，有必要开展水平管中油、气、水混合物流动规律的研究，对压降进行计算。油气水三相混输管广泛应用于石油、化工及其它相关的行业中，尤其在油田开采过程中和采用油气水三相混输的管道上，由于其流动特性和研究成果可以优化管道设计，降低管道造价，确保管道的安全运行，因此对实际工程具有重要意义。而混输管路的常温输送工艺流程具有如下特点：（1）简化井口，完善联合站，中间不开口，节约能源，为原油稳定、轻油回收、降低集输系统油气损耗创造了条件。（2）去掉了井口、计量站的加热设备，节约能源，管理方便，有利用于安全生产。（3）与加热流程相比减少了工程量，可节省建设投资并降低成本。（4）可使计量站内流程进一步简化，减少局部压降。油田输送管网的投资约占油田地面总投资的三分之一，输送能耗约占生产总能耗的五分之二。所以说常温输送是充分利用地层能量，减少能源消耗，节约投资，降低生产成本，提高经济效益的有效途径。在矿场技术工艺中实行常温输送，就是利用井口余热、余压对油水气混合物进行不加热输送。常温输送工艺不但节能、节资，而且是实现全密闭集输工艺的关键环节。本文在对含水原油进行大量研究，并整理出含水原油的流变参数与含水率的相关规律的基础上，针对大庆油田原油集输管道中油、气、水多相流动的压降变化规律，对原油集输管道的水力计算进行初步探讨。利用李氏算法对大庆油田70口井及集输实测生产数据进行计算对比，对不同的含水率的原油输送进行了计算校核，并对贝克流型图中的取值范围进行了扩充以减少误差。1.2 国内外研究现状1.2.1对流型的研究在油气水三相混输的管路内，学者们对流型的定义存在较大的分歧。部分人认为三相流的流型与两相流的流型基本相同，两相流的流型图可以用于描述三相流如Baker流型图。另一部分人认为三相流的流型较多影响因素复杂，两相流的流型划分或者流型图不能用于判断三相流。对于三相流，早在1955年，Sobocinski就研究了油气水三相流，发现在低流量下三相分层流动，而在高流量下出现了分散流，因而提出了划分三相流型的观点。随后，对三相流型的划分进行大量研究并取得了较快的进展。1992 年，美国的Acikgoz和Lahay等学者发布了油气水三项流流型和体积含气率的研究成果。根据油基和水基的不同，他们提出并划分了油基分散气团流、油基分散段塞流、油基分散分层流、油基分散分层/波浪流、油基分离分层/波浪流、油基分离波状分离环状流、油基分离/分散分离环状流、水基分散段塞流、水基分散段塞流、水基分散分层/波状流、水基分离/分散分层环状流和水基分散分层环状流10种流型。在上述工作的基础上，建立了水平管中油气水三相流的流型图。由于涉及油基和水基的变化，因此油气水三相流流型之间的过渡和气液两相流也不同，显得更加复杂。1993-1996年，美国俄亥俄大学以Jepson为首的课题连续撰文,论述了他们在油气水方面的研究成果，包括流型、压降、分层流液膜厚度和段塞频率等内容。他们将流型划分成三类7种，即分层流（包括分层光滑流、分层波浪流和波浪流）、间歇流（包括气团流、段塞流和你段塞流）和环状流。通过比较他们发现Taitel/dulker(1976)流型划分法不能预测三相流的流型变化。三相流与气液两相流相比，随着油相的增加，段塞流在较低的液速下出现，这明显的反映了液相的组成对流型的过渡的影响。1997年，Hewitt等学者在高压多相流设备上进行了三相流的试验，研究了流型、压力梯度和相分率。对于油气水三相流动，他们依照有水和气液关系划分了8种流型，类似Acikgoz提出的流型称谓，观察到了油基分离环状流，给出了不同压力下的三张流型图。经过比较可以发现，压力的增加使得分层流的区域扩大。由于实验条件的不同，虽然从表面上看与Acikgoz的流型相似，但观察的结果并不符合Acikgoz的流型图，存在相当大的差别。1998-1999年，吴浩江、李斌和周芳等学者对水平管中的油气水三项进行了流行分析，以新的术语定义了水平管中油气水流动的7种流型（见表1）。为了简化流型的划分，对油水之间的关系采用了分离和弥散两种形式加以描述。 表1 流型图序号流型简称基准相油-水关系气-液关系1234567油基水基油基分离油基油基水基分离弥散弥散分离弥散弥散弥散弹状流弹状流弹状流波状分层流波状分层流环状流波状分层流O-S-SLW-D-SLO-D-SLO-S-St.WO-D-St.WO-D-AW-D-St.W2000年，周云龙等人发表了油气水三相流流型的研究成果。试验采用压降变化判断液相是油包水（W/O）型还是水包油型（O/W）型，并在保持气相流量和液相总流量不变的条件下，增加了含水率，使流型从W/O转变到O/W型。由于三相流的流型比两相流复杂，除了常见的气液两相流流型外，还出现了一些新的流型。以油包水（W/O）和水包油（O/W）型划分了以下流型。（1）油包水型（W/O），包括泡状流、分层流、波状分层流、气弹状流和环状流。（2）水包油型（O/W），包括泡状流、平滑分层流、波状分层流、弹状流和环状流。在此基础上，建立了含水率为0.25、0.5、0.75时的流型图，理论模型与试验结果基本吻合。气液两相流的研究是一个经典的研究课题。国内外的学者作了大量的研究。国外早在20世纪初就已经开展了石油工业油气多相规律的研究，他们主要研究了两相流的分类、流型图、管内压降的分布、管内压降的分布、温度场的分布、不同流型下换热规律、气液两相间的传质、传热规律。1949年洛克哈特（Lochart）和马蒂内利（Martinelli）最先提出了水平管中压降的一般规律。它是早期应用较广一种计算方法。1945-1967年间，贝克（Baker）发表了一系列有关油气混输管道压降计算的文章。Baker 所写的“石油和天然气”中对管线中的多相流进行了阐述。贝克认为在计算两相流压降前应先判断流型。1960年，休斯顿大学的杜克勒等从1960年开始进行了较大规模的两相流研究。通过大量的收集资料和相似原理的应用，他们提出了计算水平气液两相流压降的新方法。1967年，Orkiszewski推广了Griffith-Wallis的工作方法，建立了翻盖所有流型的垂直管两相流压降计算方法。泡状流用Griffith方法，段塞流中的密度用Griffith-Wallis方法，摩阻压力梯度用Orkiszewski的方法，段塞流与雾状流的过度区和雾状流均用Duns-Ros方法。Orikiszewski采用了Hagedorn的原始数据，并定义了一个随液体类型、黏度和管径、流速的变化的系数，这个系数称为液体分布系数T。他认为液体分布系数T隐含说明了这一物理现象，即段塞流中的液体分布为液塞、气泡周围的液膜和气泡中的液滴。这些液体分布的变化都将改变总的摩擦损失，这种摩擦损失基本上由液塞和液膜来决定。当气泡举升速度为零时，流型变成雾状流。这种方法使Griffith-Wallis的段塞流计算延伸到高流量范围。1972年，Aziz-Govier-Fogarasi在Govier等人研究的基础上，提出了比Duns-Ros更确切、简单的流动型态分布图。这种分布图流型转变界限明确，有表达式，计算机处理方便。通过这种型态图识别流型被证明是较好的方法之一。Aziz等人是从气液两相流动机理分析出发，得出泡状流和段塞流压降计算方法的。在泡状流中，扩散在连续油中的小气泡以及混合物的运动，反映了泡状流的特征，气液相的密度差异使气泡的速度比液相速度和整个气液混合物的平均速度更快。在段塞流中，流量的增加使大量的小气泡碰撞，合并成帽状气泡，即泰勒气泡，气泡间液体的运动形成了段塞。Aziz-Govier-Fogarasi在密度和摩擦损失项中，通过气液两相分离作用，引入当地气相体积因素。显示了Aziz相关式与均相流动模型在方法上的差异。这种方在理论上是合理的，已成为石油工业界广泛接受的方法之一了。1974年，格雷戈里（Gregory）、曼德汉（Mandhane）和阿济兹（Aziz）使用曼德汉等的流型分布图确定流态，总结出了不同流态下最佳计算方法。1976年,泰特尔（Taitel）和杜克勒对水平和接近水平的气液两相管流进行分析，得出了很巧妙的模型。1981年,穆贾沃（Mujawar）和饶（Rao）发表了题为“水平管中气体非牛顿液体两相流动”的文章。他们对洛克哈特马蹄内利相关规律加以改进，将其扩展到气体非牛顿两相流动，并进行室内实验研究，推导出了所有流动区域压降和持液率的计算公式。1982年,法鲁齐（Farooqi）和查理森（Rechardson）发表了题为“光滑管中空气液体（牛顿型和非牛顿型）的水平流动”的文章，报告了他们的实验研究。流变指数N关联的试验数据，得到了团状流和持液率计算公式。1984年,查哈布拉（chhabura）和查理森在总结前人工作的基础上，对气体非牛顿液体两相流动的流动形态进行了深入研究。发表了题为“水平管中气体和非牛顿流体两相流动共流时流动形态的预测”的文章。文中指出，流体的物理性质对流动形态的影响甚微，所以可把气体牛顿液体两相流动的研究成果直接应用到气体非牛顿流体两相流。同年起，Bendisksen等人开始一直致力于两相流态模拟计算的研究，在假设的基础上建立了综合的组分分相流水力模型。1985年，Sharma对气液两相流动中的冲击流型专门进行了研究，建立了计算模型，用于模拟冲击流动过程中的两相流现象。1989年,泰特尔和杜克勒等人针对慢瞬变流工况，假设气液流动中气体处于准稳态，液相的动量方程采用稳态形式，建立了一个动态液相连续性方程和三个稳态方程组成的模型，此模型可用于解决所有流型的计算。它的优点是计算简单，可以得到稳定的数值解。缺点是不能处理复杂问题，结果不很精确。1990年，Scott等人对水平或微倾斜管线段塞流的特征参数作了研究，建立了新的数学模型，可用于分析段塞流流型的气液两相流动。1994年，Henau等人对管道内冲击流型进行了深入的研究，在假设基础上建立了冲击流的动态连续性方程和动量方程及不同流型下的结构方程，并采用了具有一阶精度的半稳式差分格式进行数值求解。Pauchon等人建立了新的计算动态气液两相流管路和井筒的模型，并提出了相应的数值解法。 我国是从70年代末开始广泛研究多相流动规律的。我院多相管流研究室在陈家琅教授的指导下，使多相流动研究水平处于国内前列，先后提出了垂直管、水平管中多相流的压力梯度计算公式，包括综合摩阻系数、流动型态、流动区域关联压力梯度和持液率的相关规律。1.2.2 对压降计算规律的研究对于混合物的压降的计算在1961年，Tek将双液相处理为单液相，建立了用混合液体物性求解的压降关系式。此后，对压降进行了大量的研究工作。例如，1970年，Schiliching利用现场管道研究了油气水三相流，修正了Lockhart-Martinelli计算方法。1971年，Galymov等人认为，应区别对待油水两相液体，并发现混合液体有效粘度是液相体积分数的函数。1972年，Bocharovd等人发表的油气水三相流动的现场试验结果，发现油水乳状液反相时，管道压降达到最大值。1974年，Guzhov等人将油气水三相流试验现场与两相流加以比较后指出，将稳定油水乳状液的性质用于分析三相混合物的液相是不适应的。1976年，Shean建立了流型图，并使用飘移流动模型来计算垂直管中的三相流动。进入20世纪90年代，研究工作法上了较大的变化，突出表现在利用高水平的试验环道和先进的仪器仪表进行三相流体力学的试验研究，并取得了初步的成果。1993年，Hill A R W 等人公布了对油气水三相流动的研究成果。他们对压力梯度、截面含油率和含水率进行了测量。对于压力梯度的测量，假设油水混合成均相，以油水平均性质作为液相物性，使用气液两相流公式进行计算。通过对比发现，选择Brinkman粘度关系式（式1-1）计算油水混合物的粘度时，由Beggs-Brill方法给出的压力梯度得出的值与试验数据吻合；而对油气水三相段塞流，推荐使用修正的Dukler-Hubbard公式，其计算结果比Beggs-Brill还要理想。 （1-1） 式 油水混合物的粘度，；连续相的粘度，； 体积含油率。同时还发现，当液相的折算速度小于0.6时，其变化还将极大的影响段塞频率。使用Hill-Wood 关系式（见式1-2）计算段塞频率，其相对误差只有8%，比较准确。（1-2） 式中 段塞频率，； 管径，； 无因次液膜厚度，； 气相流速，； 液相流速，。 1994年，Stapelerg等发表了油气水三相段塞流的研究成果。在建立段塞频率和摩擦压降的预测方法时，首先将三相流的Lockhart-Martinelli参数定义为油水两相压降与气体压降的比值，并给出了修正的Lockhart-Martinelli参数X的计算式，选用Tronconi关系式计算段塞频率： （1-3）式中 气相的密度，; 液相的密度，; 液相高度，Lockhart-Martinelli修正参数X的函数，m。他们使用激光技术测量了段塞频率，预测值与实测值的误差小于气液两相流。假设油水混合均匀，当气相流速在不大于3m/s情况下计算油气水三相段塞压降时，使用Dukler或者Aziz方法可以获得理想的结果，但计算时必须知道段塞频率。当气相流速较高时，需要确定段塞长度，才能利用Aziz的方法计算压降，此时平均误差在20%左右。段塞长度可以实测，也可以采用Aziz的推荐式（ls=30D）算。1995年，Taitel Y 和 Barnea D 等著名学者对圆管中的分层流动进行了分析，给出了解决油气水三相分层流动的理论方法，目的是为了计算水层和气体的阻力。如果将这些值计算出来，许多其它关于液-液-气的变量，例如流速、压降和稳定的准则就可以计算出来。1999年，张西民等人撰文发表了其研究成果，揭示了摩擦阻力压降随折算气体、折算液体、油水混合物中含水率以及管径的变化规律，并导出了计算油气水三相流的分层流、泡状流、间歇流、及环状流的摩擦阻力压降倍率公式。其中，使用了双流体模型来计算油气水三相流体的真实密度。油气水三相流体的真实密度为： （1-4） 式中 三相流体的真实密度，; 截面含气率； 气体的密度，； 液体的密度，。 油水乳化液的密度公式为： （1-5）式中 含水率； 密度，。经研究得出：这算气速、折算液速和含水率是影响水平管内油气水三相流摩擦阻力及压降的重要因素，随折算气速、折算液速和含水率的增加，三相摩擦阻力压降增大；管径对水平管内油气水三相流摩擦阻力压降有较大影响。2000年，章龙江对水平管内油气水三相流的压降公式进行了深入细致的推导，确定了油气水三相分层流动的稳定性准则和三相段塞流发展条件的准则，并对三相分层流、段塞流的压降公式进行了理论推导。在给出油气水三相分层流分类的基础上，使用一维三流体模型对具有代表性的流动类型包含油水乳状液的分层流（气体/（W/O）/（W/OW）进行了分析求解，确定了相分率、压降和其它流动参数的计算方法，并提出了气体/油相/（W/O或W/O/W）乳状液混合层/水相的四相分层流模型，确定了混合层的组成和流速分布的关系式，使方程组闭合，给出了数值求解的结果。在借鉴气液两相段塞流的研究思路并充分考虑油水混合物特点的基础山，提出了一个合理的油气水三相段塞流水力学模型，建立了压降计算方法。2001年，刘嘉和周芳德发表了油气水三相流中复杂相态及压力降的研究成果。实验研究发现，由于油气水三相流在三个测量段中可自由流动可引起不同的液-液相态，致使对应于相同的油、气、水三相体积通量不同，三相流阻力损失存在多值性。对不同的液-液相态建立了与之相适应的阻力损失计算模型。模型预测结果与实验结果相吻合。刘嘉和周芳德给出了理论情况下水平管中油气水三相弹状流的单位长度压降，即（1-6）式中 压力，； 液弹长度，m； 液膜区长度，m； 圆周率； 管径，； 切应力，； 液膜的壁面切应力，； 液膜与壁面的接触周长，m； 气相的壁面切应力，； 气相与壁面的接触周长，。他们认为，对应于相同的油、气、水三相体积通量，油气水三相流可由流动引起多种复杂的液-液相态，致使管道内壁流体附面层物性不同，三相流体阻力损失存在多值性。对不同的液-液相态建立了与之相适应的阻力损失计算模型，取得了较好的效果。 杨莜蘅与张国忠编写的输油管道设计与管理介绍了输油管道的概况。油气混输管路的内容在冯叔初，郭揆常，王学敏编的有石油工程出版社的油气集输一书中有所介绍。宫敬在油气储运中也介绍了混输技术与输送的知识。混输工艺中最重要的两个参数就是持液率和压降。随着持液率的增大可用均相流模型进行两相流分析。对于两相流压降模型迄今未见有较为系统的研究成果。对于混输管路的研究还是在探索阶段，压降计算的准确率还只是停留在25%左右。 1.3本文研究的内容和成果本文依据李氏算法，根据两相介质分布的外形据贝克分流法将其液两相流分成7种形态：泡状流、气团流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流。在前人工作的基础上，李德选等人据贝克的这种分流法，判断出流型取相应的和值,自己总结了压降的计算公式。这里则借助C语言程序来计算大庆油田70口井的压降，并与实测生产数据进行比较、检验、评价、修正了气液两相管流的压差。经过对贝克分流法中的修正结果表明，应用李氏算法对大庆地区的常温输送压降进行计算精确度提高了很多。第2章 计算过程2.1沿程压降根据实际情况，综合考虑了生产参数，管道几何尺寸，液相粘度，溶解油气比的影响推演出下述压降经验公式 式中 管线起点绝对压力，； 气液相平均温度，；管线气液流起、止点温度，；液相流量，；液相工况下的粘度（当输送温度大于凝固点时，直接查粘温曲线得到；当输送温度低于凝固点时，由剪切速率Dr决定），; 管线内径，； 管线长度，；摩阻系数、流态指数，由贝克分流法决定。贝克分流图像及不同流态的和值分别见图2-1及表2-1。 图2-1 贝克流型图在管道中液体流量不变，气体流量从小到大的条件下，七种流态发生的顺序是：泡状流、气团流、层状流、波状流、冲击流（断塞流）、环状流、雾状流。表2-1 m与值流态系数气泡流气团流层状流波状流冲击流环状流雾状流m0.4-0.72.20.11.470.0890.90.080.90.0630.0090.050.002500.00052.2流态判别公式贝克分流法 （2-2） （2-3）式中 液滴表面张力，； 、气相、液相重度，kN/m3； 其余符号同前。2.3液相为非牛顿流体时剪切速率的确定 对于任何流体，下式均成立（2-4）式中 剪切速率，。根据本文对影响压降因素的分析，假定集输管路中液相（1） 为非牛顿流体时，呈假塑性，n1，取n=0.93; （2） 液相平均流速相当于混合流速的2/5；（3） 考虑溶解气的影响，可使剪切速率增大1/6。将假设的数值代入式（2-4）得 (2-5) 式中 两相流混合流速，。混合流速由下式决定 (2-6)式中 (2-7)其余符号同前。 由实践可知，运用式（2-5）计算常温输送工况下的剪切速率，在冲击流和环状流、气泡流、气团流都可以得到满意的结果；而对于层状流则偏小，这是因为层状流时液相的过流断面直径小于D的原因。2.4计算步骤（1）当给定管路工况参数后，利用输送温度来判别液相属于牛顿流体或非牛流体。（2）当液相属于牛顿流体时，由温度t查出此温度下的液相粘度，利用式（2-2）判别流态，在表中查出、值，代入式（2-1）即可得出所要求的压降值。（3）当液相属于非牛流时，利用式（2-5）、式（2-6）计算液相剪切速率，再由温度和查粘温曲线找出此工况下的粘度，继而利用式（2-2）、式（2-3）、式（2-1）判别流态，计算压降。第3章故障树分析研究3.1故障树分析法简介故障树分析(FTA)是适合用于大型复杂系统的可靠性和安全分析的一种技术。它是一种图形演绎法，是故障事件在一定条件下的逻辑推理方法。它把系统不希望出现的事件作为故障树图的顶事件，通过对可能造成系统故障的各种因素(包括硬件、软件、环境、人为因素)进行分析，用规定的逻辑符号自上而下的由总体至部分，按树枝状结构逐层细化，分析导致各事件发生的所有可能的直接因素，及其相互间的逻辑关系，并由此逐步深人分析，直到找出事故的基本原因，即故障树图的底事件为止。从而确定系统故障原因的各种组合方式和发生概率，并采取相应的改进措施，提高系统的可靠性。故障树图是一种逻辑因果关系图，它根据元部件状态(基本事件)来显示系统的状态(顶事件)。一个故障树图是从上到下逐级建树并且根据事件而联系，它用图形化“模型”路径的方法，使一个系统能导致一个可预知的，不可预知的故障事件(失效)，路径的交叉处的事件和状态，用标准的逻辑符号(与，或等等)表示。在故障树图中最基础的构造单元为门和事件。由于故障树分析法是一种图形演绎法，因而需要一些专门的表示逻辑关系的门符号、事件符号以及基本术语，籍以表示事件之间的逻辑关系和因果关系。在建树时要用到许多符号，在建树之前简要介绍一下有关术语和本文所用的符号。顶事件:所谓顶事件就是系统不希望发生的事件，也就是要研究的事件。通常选择系统最不希望出现的故障为顶事件，它位于故障树的顶端把它形象地理解为“树根”。中间事件:又称故障事件，它位于项事件和底事件之间，并紧跟一个逻辑门表示，可形象地理解为“树枝”。底事件:位于树的底部。底事件可理解为“树叶”。故障树分析图中的标准符号，具体见表3.1 FTA技术实用于:系统的可靠性分析，可靠性特征量的定量计算;系统的安全分析和事故分析，寻找薄弱环节、制定预防措施;系统的风险评价;系统部件的重要度分析;故障诊断和检修表的制定。应用及其研究现状1961年美国贝尔实验室的Watson博士首创了FTA技术，并成功的运用于民兵式导弹发射控制系统的设计之中，60年代初，FTA在航空业中得到应用，推动了它的发展。从60年代初期到70年代，利用FIA定量分析有了迅速的发展，并且成为原子反应堆，化学工厂等一些单位对可靠性、安全性有特别要求的系统不可缺少的分析方法之一。1974年由美国麻省理工学院的Rasmussen领导的科研小组发表了著名的WASH-14Q0关于压水堆事故风险评价报告的核心方法便是故障树和事件树分析方法的报告，在工业界产生极大的震动。Vessely认为，这是FTA逐步走向成熟的里程碑。目前，FTA己从宇航、核能，进入一般电子、电力、化工、机械、交通乃至土木建筑等领域，科学工作者和工程技术人员愈来愈倾向于采用FTA作为评价系统可靠性和安全性的手段，用FTA来预测和诊断故障，分析系统薄弱环节，指导运行和维修，实现系统设计的最优化。我国的FTA技术引进较晚。1980年首次介绍了FTA技术，FTA作为系统可靠性分析的有力工具，在航天、航空、核能、电子、化工等领域被相继引用，大批学者和研究人员对其的开发，应用作了广泛的研究。如清华大学核能技术研究所研制的MFFTAAP多功能故障树，航空航天部SO:研究所将R.R.Will。的FTAP程序消化移植到IBM微机上，便于推广应用。天津大学的陈金水教授于1989年提出了用矩阵进行故障树分析的新方法闭，从而为故障树的发展开辟了一条新的途径。这一切都标志着我国故障树技术的不断发展和进步。经过近四十年的发展，FTA技术己经有相对成熟的理论，并在许多领域内得到广泛应用。利用FTA，可以对系统的可靠性进行定性分析和定量计算，求出系统的所有失效模式组合，确定系统中的关键部件和重要度，反过来又可以帮助设计人员进行系统的可靠度分配等设计工作。结合国内外对故障树的研究现状，其应用研究趋势主要体现在如下几方面:故障分析方法的集成化，计算机辅助故障树分析，模糊故障树分析方法，基于FTA的故障分析专家系统等方法及应用的研究。本文将故障树分析法应用于长输管线系统，进行可靠性分析，首先需要建立长输管线故障树。3.2长输管线故障树的建立根据故障树顶端事件的确定原则:根据可能发生事故的危险程度，把对系统影响大的灾害或事故作为分析对象，即顶事件。顶事件是故障树分析的起点和主体。确定顶事件应针对分析对象的特点，抓住主要的危险(事故状态)，按照一种事故编制一个树的原则进行具体分析。根据此原则，选择“管道失效”作为顶端事件。而引起管道失效最直接原因就是管线断裂和穿透，这两个原因中任何一个出现均会导致管线失效。然后再以这两个原因为次顶事件，采用类似方法继续深入分析，直到找到代表各种故障事件的基本事件为止。图3-2为油气长输管线的故障树示意图，表3-2为该故障树对应的基本事件列表，该故障树共考虑了84个基本事件。当然，在进行具体管线分析时可以根据管段实际情况增加或删除事件。需要说明的是，由于篇幅和个人能力所限，这部分所做的研究主要是针对管道的主管本身。3.3长输管线故障树定性分析基本认识从编制的故障树中，可以得出如下基本认识:(1)从故障树结构上看，从顶端事件向下有许多层次，层次距离顶端事件越近，则在那一层上的事件只要一发生，就可能导致事故的发生，其危险性越大;而距离顶端事件越远的层次，其危险性相对较小。(2)由于“与门”下面所连接的事件必须同时发生才能有输出，因此能起到控制的作用。而“或门”下面所连接的任何事件只要一发生，都能有输出，因此，“或门”只是一个通道，下面所连接的事件只要一个发生，上一层的事件就会发生，不能起到控制作用，危险性大。事故树中“或门”越多，危险性就越大。 (4)顶端事件以“或门”和几个中间事件相连时，任何一个中间事件发生，顶端事件都会发生，因此要特别注意频率高的中间事件。最小割集 故障树定性分析的主要任务就是找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，即求出故障树的所有最小割集。割集(Cut sets)是指系统的一些底事件集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生。最小割集(Finimum cut set:若C= (X1, X2, X3,. Xn)是一个割集，而从C中任意移去一个元素就不再是割集，则称C为一个最小割集。即指系统中没有其他割集发生的条件下，只有割集中所有基本事件同时发生，顶端事件才发生;害集中任何基本事件不发生，则顶端事件都不发生。一个最小割集代表系统的一种故障模式。最小割集在一定程度上代表系统的危险性大小，一般来说，割集阶数(包含基本事件个数)越少，其发生的可能性就越大，在不同最小割集中重复出现的次数越多的底事件越重要。在分析系统的安全性与可靠性时，应当抓住重点，首先考虑那些发生概率相对较大或危害性大的小阶数最小割集以及出现次数较多的底事件。本文采用下行法(Fussell)法求解最小割集。其基本原理是从顶事件开始，由顶向下进行，依次把“门”的输出事件用输入事件替换，经过“或门”时输入事件竖向写出经过“与门”输入事件横向列出，直到全部“门”事件均置换为基本事件为止，所得到的全部竖向排列的项就是故障树的割集。再利用集合运算规则(布尔代数定型)加以简化、吸收，则得到全部最小割集。表3.3是根据图3.4分析得到的全部最小割集。由表3.4可知，该故障树由16个一阶最小割集、30个二阶最小割集、8个三阶最小割集以及41个六阶最小割集组成。由于一般情况下，割集阶数越小，其发生的可能J胜越大。因此，16个一阶最小割集直接影响着系统的可靠性，为系统中的薄弱环节。管线失效的主要影响因素 根据对油气管道故障树以及最小割集的分析，可以看出引起管道失效的主要因素有:(1)第三方破坏。第三方破坏表示非管道职工所作的对管道系统的任何损坏或活动，是外部干扰的主要形式。根据第二章所述，事实证明在1964-1995年中，西方众多的管道事故中，外部干扰(主要指第三方破坏)占很大部分。我国情况类似，并且由于现在自由开发以及由于开挖导致的管道事故风险有所增加。尤其近几年来，在油气管道上打孔偷油偷气的事件屡有发生，有些造成重大事故。究其原因，与法律的健全和实施力度、人们对管道法规和管道安全的了解、周边经济水平、以及政府的干预等因素都有很大关系。如2003年中央电视台披露了中原油田采油厂周围农民打孔偷油、偷气屡禁不止的事情。通过对此事的了解，笔者发现其原因有:当地的地方保护政策、农民的法律和公共财产意识低、法律实施不得力、报警系统不灵敏、经济落后等。 在一些偏远地区，由于线路标志和巡线等因素，发生农耕破坏管道的事故。在管道上方的违章构筑物，在管道上方进行违章施工，以及水流对管沟、管道的长期冲刷，管道附近土层的运移等都可能直接导致管线失效。管道上方车辆活动过频，或大型的地面设施使得管道负载过重造成失效。另外在一些政治时局动荡不安的国家，恶意破坏也是管道第三方破坏的重要方式。但由于我国时局稳定、人民安居乐业，因此，虽然故障树里提到此因素了，但实际上这方面的破坏是可以忽略的。(2)腐蚀，腐蚀包括外腐蚀和内腐蚀两个方面。外腐蚀主要影响因素是土壤腐蚀、防腐绝缘涂层失效、阴极保护失效、管材抗蚀性差等。内腐蚀主要由天然气中的硫化物酸性介质引起。严重腐蚀将导致防腐绝缘涂层失效、管壁减薄、管线穿孔、甚至发生管线开裂。(3)管材缺陷，包括管材初始缺陷和安装缺陷。初始缺陷主要是由于管材制造加工、运输不当造成的，如管道薄厚不均、椭圆度差等。而安装缺陷是在管段的安装施工过程中形成，如防腐绝缘涂层质量差、特别是焊接水平和焊接质量差。管材缺陷的存在将直接导致管线整体强度的降低、为管线腐蚀的发生提供条件，直接影响着管线运行的可靠性。应加强对管材质量检查、提高制造工艺水平。建立严格的施工质量检测制度，选择合适的焊接工艺。(4)自然灾害，自然灾害的发生均直接对管道的破坏基本上都是毁坏性的。一旦自然灾害发生，都可能导致油气管道断裂，引发火灾、喷射物引起破坏等大型事故，不但造成巨大的经济损失，而且会严重污染环境。因此要加强对自然灾害的预测，并做好防备。很明显，第三方破坏和腐蚀破坏是在役油气管道的主要失效影响因素，但设计、误操作、自然灾害以及相关人员的责任心等不确定因素也不可忽视。另外，还可以看出管子的抗蚀能力、巡线、法律规则的制约、腐蚀检测、管子制造监督及施工监督等都对管道风险起到很大的控制作用，在我们制定风险降低策略时也应该考虑这些方面。第4章长输管线故障树定量分析及维护抢修故障树分析法作为一种系统可靠性分析方法，便于进行定性分析，也可以进行定量计算。但从本质上讲，它是一个可以容易进行定量计算的定性模型。定性分析主要任务是寻找故障树的全部最小割集(MCS )，即基本事件对顶事件产生影响的组合方式与传递途径，找出系统的薄弱环节。用最小割集形式的结构函数来描述故障树，清晰地表明了导致系统故障的所有组合清况。给基本事件赋予一个概率值来表征其发生故障的相对频繁程度，计算出项事件(及中间事件)发生的概率以及各基本事件的相对重要程度(底事件的发生对顶事件发生的贡献，称为底事件的重要度，就是定量分析的任务。在长输管道故障树分析中，如何找出最易发生的故障模式，不论是对于管道管理人员还是管道维修人员，都十分有意义。为了准确性和实际应用价值，本文在定量分析中，采用模糊技术和灰色理论技术分别进行分析，并将结果加以比较，扬长避短，以期得出可靠性强的结论。4.1模糊故障树定量分析及维护抢修简介随机性与模糊性客观世界中存在两类不确定性因素:随机不确定性和模糊不确定性。随机不确定性，即事物本身有明确的定义，只是由于发生的条件不充分，从而事件的出现与否表现出不确定性;模糊性不确定性即事物的概念本身是模糊的，一个对象是否符合某个概念难以确定。模糊性主要是人的主观理解上的不确定性，而随机性则主要是客观上的不确定性，或者是事件发生的偶然性。模糊性是客观事物差异的中间过渡的“不分明”性或“亦此亦彼”性，它存在于对事件的某些状态、现象、参数及它们相互关系的定义之中。对于存在主观影响因素较重、数据资料不完整等现象的不确定事件，适合于使用模糊方法来处理。在故障树分析中引入模糊理论后，还应充分考虑随机性与模糊性的相互渗透这一客观事实。关于模糊可靠性该从两个角