CN102105734B - 用于评估流体动力学的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于评估管道网络中腐蚀以及剪应力的流体动力学方面的方法和系统。管道网络的剪应力热点可以使用无量纲传递函数来识别，该无量纲传递函数已经被开发以用于根据管道网络的常用部件的几何参数、流量的流体特性以及管道网络的运行状况来识别这些局部最大值的大小以及位置。在识别到潜在的剪应力局部最大值时，管道网络操作员可监测这些位置的腐蚀或者其他损伤来防止管的完整性的损失。

Description

用于评估流体动力学的系统和方法

技术领域

本发明大体上涉及用于确定腐蚀监测器沿管道网络的安置的方法和系统，该腐蚀监测器用于检测和监测材料由于腐蚀而造成的损耗。

背景技术

油气管道网络随时间可易受腐蚀。例如，酸性和充满矿物质的原油对于金属是高腐蚀性的。在极端的情况下，管段可腐蚀到泄漏点。因为这样的泄漏可妨碍管道网络的有效运行，通常监测管线中的腐蚀。

腐蚀传感器和/或监测器在由于来自材料和与材料接触的环境之间的相互作用的腐蚀和/或侵蚀引起的材料(例如管线壁的内表面等)的损耗的检测和监测中使用。一些类型的腐蚀监测器使用电阻法检测管壁中材料厚度由于腐蚀而造成的损耗。其他类型的监测方法可涉及管壁厚度的X射线或超声评定。典型地，该监测在沿管道网络的多个、分离位置进行，因为大型的这样的网络阻碍了腐蚀的全局监测。

然而，不存在用于选择沿管道网络的个体监测地点的标准。对于手持型监测器，腐蚀在由该装置的操作员选择的位置监测。一般，这些位置由操作员直觉确定。某些类型的电阻腐蚀监测器永久地安装到管道上的个体位置。关于手持装置，不存在确定这样的监测器的最佳安置的指导。

发明内容

在某些实施例中，本文提供的是用于预测湍流状况下的流体在管道网络中的局部流体动力学参数的方法和系统。使用管道中的流体行为与剪应力热点的相关性来预测流体动力学参数可帮助精炼厂(refinery)或其他管线操作员识别局部最大剪应力点。例如，公开的实施例的实施例可应用于包括原油和它的分馏的管道网络的精炼厂。

在一个实施例中，公开的实施例提供方法，其包括：接收关于流体的管道网络的信息，其中该信息包括管道网络的几何参数、运行状况参数和流体性质；使用无量纲传递函数使管道网络的流体动力学与剪应力相关；以及基于该相关性确定一个或多个局部剪应力最大值的位置。

在另一个实施例中，公开的实施例提供方法，其包括：接收关于流体的管道网络的信息，其中该信息包括管道网络中的至少两个管道部件的几何参数、运行状况参数和流体性质；以及基于该信息确定该至少两个管道部件中的每个的局部剪应力最大值的位置。

在另一个实施例中，公开的实施例提供方法，其包括：接收至少两个管道部件的每个的局部剪应力最大值的位置，其中该位置通过使用一个或多个无量纲传递函数模拟该至少两个管道部件的局部流体动力学来确定；以及安置腐蚀监测器在该至少两个管道部件的局部剪应力最大值的位置。

在另一个实施例中，公开的实施例提供计算机可读介质，其包括代码以用于：接收关于流体的管道网络的信息，其中该信息包括管道网络中的至少两个管道部件的几何参数、运行状况参数和流体性质；以及基于该信息确定该至少两个管道部件中的每个的局部剪应力最大值的位置。

在另一个实施例中，公开的实施例提供腐蚀监测系统，其包括处理器，其中该处理器配置成接收关于流体的管道网络的信息，其中该信息包括管道网络中的至少两个管道部件的几何参数、运行状况参数和流体性质，并且其中该处理器配置成基于该信息确定该至少两个管道部件中的每个的局部剪应力最大值的位置。

附图说明

该专利的文件包括至少一个采用彩色实现的附图。当请求并且支付必需费用时该专利的具有彩色附图的副本将由专利和商标局提供。

当下列详细说明参照附图(其中相似的符号在整个附图中代表相似的部分)阅读时，本发明的这些和其他的特征、方面和优势将变得更好理解，其中：

图1图示与管道网络结合的腐蚀监测系统的实施例；

图2是根据示范性实施例识别在管道网络的模块化部件中的局部剪应力最大值的方法的流程图；

图3是根据示范性实施例识别在管道网络的模块化部件中的局部剪应力最大值的方法的流程图；

图4示出根据示范性实施例用于模拟90°圆形弯曲的示范性命名约定；

图5A示出根据示范性实施例通过90°圆形弯曲的示范性流体速度分布图；

图5B示出根据示范性实施例通过90°圆形弯曲的示范性压力分布图；

图5C示出根据示范性实施例通过90°圆形弯曲的示范性边界层分离分布图；

图6示出根据示范性实施例通过90°圆形弯曲的二次流；

图7是在示范性90°圆形弯曲的一个截面处的试验结果和图5A中预测的计算速度分布图的比较；

图8是在示范性90°圆形弯曲的备选截面处的试验结果和在图5A中预测的计算速度分布图的比较；

图9是根据示范性实施例的示范性90°圆形弯曲部件的局部剪应力最大值的流体动态模拟的表示；

图10示出根据示范性实施例在示范性90°圆形弯曲部件的一个剪应力最大值位置的无量纲剪应力随雷诺数和半径比的变化；

图11示出根据示范性实施例在示范性90°圆形弯曲部件的次剪应力最大值位置(secondary shear stress maxima location)的无量纲剪应力随雷诺数和半径比的变化；

图12示出根据示范性实施例用于模拟示范性U形弯曲的示范性命名约定；

图13A示出根据示范性实施例通过U形弯曲的示范性流体速度分布图；

图13B示出根据示范性实施例通过U形弯曲的示范性压力分布图；

图13C示出根据示范性实施例通过U形弯曲的示范性边界层分离分布图；

图14示出根据示范性实施例通过U形弯曲的二次流；

图15是在示范性U形弯曲的一个截面处的试验结果和在图13A中预测的计算速度分布图的比较；

图16是根据示范性实施例的示范性U形弯曲部件的局部剪应力最大值的流体动态模拟的表示；

图17示出根据示范性实施例在示范性U形弯曲部件的一个剪应力最大值位置的无量纲剪应力随雷诺数和半径比的变化；

图18示出根据示范性实施例在示范性U形弯曲部件的次剪应力最大值位置的无量纲剪应力随雷诺数和半径比的变化；

图19示出根据示范性实施例用于模拟示范性三通接头的示范性命名约定；

图20A示出根据示范性实施例通过三通接头的示范性流体速度分布图；

图20B示出根据示范性实施例通过三通接头的示范性压力分布图；

图20C示出根据示范性实施例通过三通接头的示范性边界层分离分布图；

图21示出根据示范性实施例通过三通接头的二次流；

图22是根据示范性实施例的示范性三通接头部件的局部剪应力最大值的流体动态模拟的表示；

图23示出根据示范性实施例在示范性三通接头部件的一个剪应力最大值位置的无量纲剪应力随雷诺数的变化；

图24示出根据示范性实施例的示范性闭塞的三通配置；

图25是根据示范性实施例的示范性闭塞的三通接头部件的局部剪应力最大值的流体动态模拟的表示；

图26示出根据示范性实施例在示范性闭塞的三通接头部件的一个剪应力最大值位置的无量纲剪应力随雷诺数的变化；

图27示出根据示范性实施例用于模拟渐缩管(reducer)的示范性命名约定；

图28示出根据示范性实施例通过渐缩管的示范性流体速度分布图；

图29是根据示范性实施例的示范性渐缩管部件的局部剪应力最大值的流体动态模拟的表示；

图30示出根据示范性实施例在示范性三通接头部件的剪应力最大值位置的无量纲剪应力随雷诺数和斜率的变化；

图31A示出根据示范性实施例可模拟的示范性组合圆形弯曲；

图31B示出根据示范性实施例可模拟的备选组合圆形弯曲；

图31C示出根据示范性实施例可模拟的备选组合圆形弯曲；

图32示出根据示范性实施例研究管道部件组合的截断方法的示意图；以及

图33示出根据示范性实施例如与个体部件相比的管道部件的相互作用长度与剪应力的影响。

具体实施方式

在某些实施例中，本文提供的是用于预测最高剪应力点在管道网络中的位置的方法和系统。知道局部剪应力最大值的位置可使管道网络的操作员能够监测高剪应力的位置以便防止在那些位置的泄漏或其他损伤。一般，遭受腐蚀的管道经历管壁中的材料损耗，从而导致管道变脆弱。这可以部分地是重复暴露于酸性原油或其他流体的结果。腐蚀的管道可更可能在也经历高剪应力的管道的区域处泄漏。另外，剪应力可加速该腐蚀过程。例如，在经历高剪应力的区域中，自然出现的包含硫化物的保护膜(其减少管道中的腐蚀)可能没有机会形成。相似地，在一些情况下，保护性添加剂可添加到管道中的流体。在经历高剪应力的区域中，这些添加剂(其可包括硫化物或磷酸盐)可能没有机会在管道上形成保护膜或覆盖层。因此，高剪应力的区域可代表管道失效的潜在的热点。在某些实施例中，公开的实施例还提供关于精炼厂管道系统中的局部剪应力最大值的大小和其他流体动力学参数的信息。这些局部剪切最大值然后可按大小顺序排列，并且关于监测哪些个体位置的决定可根据监测工具的可用性而做出。该公开的实施例可识别腐蚀监测工具可安置或位于的位置或一系列位置。这些位置可在某些实施例中规定在占个体管道部件的总跨度或表面积的小于大约10％或小于大约5％的位置内。

腐蚀监测器可安置在高剪应力的区域处以便更准确地预测和/或防止管道失效。公开的实施例可通过使腐蚀监测器能够安置在经历高剪应力的管道区域上或附近而使管道网络的操作员能够更有效地估计管道腐蚀。因此，预想某些实施例可与用于监测管道腐蚀的系统结合使用。在图1中图示的实施例中，示范性系统10可包括与安装在示范性管道网络14上的管道腐蚀监测器12通信的控制器16。该管道腐蚀监测器12可包括任何合适的腐蚀监测器，包括基于超声、X射线或电阻的监测器。在一个实施例中，适合的腐蚀监测器是

电阻腐蚀监测器(General Electric，Trevose，PA)。在这样的实施例中，腐蚀监测器12可永久安装到管道网络上的一个或多个位置。

计算机18可耦合于系统控制器16。由传感器12收集的数据可传送到该计算机18，其包括合适的存储装置和处理器。任何合适类型的存储装置并且为其实的计算机可以是适应的具体实施例，特别地是适应于处理并且存储由系统10产生的大量数据的处理器和存储装置。此外，计算机18配置成接收命令，例如存储在计算机可读介质(例如，磁或光盘)上或由其执行的命令等。计算机18还配置成通过操作员工作站20(典型地配备有键盘、鼠标或其他输入装置)从操作员接收命令和管道网络参数。操作员可通过这些装置控制系统。在某些实施例中，操作员可输入关于管道和管道网络的数据进入计算机18。在期望的情况，其他计算机或工作站可执行某些实施例的功能中的一些或所有。在图1的图解图示中，显示器22耦合于操作员工作站20用于查看关于管道网络中的剪应力位置的数据。另外，该数据还可通过打印机(没有示出)打印或另外采用硬拷贝形式输出。计算机18和操作员工作站20可耦合于其他输出装置，其可包括标准或专用计算机监视器、计算机和关联的处理电路。一个或多个操作员工作站20可进一步链接在系统中用于输出系统参数、请求检查、查看图像等。一般而言，在系统内供应的显示器、打印机、工作站和相似装置对于数据采集部件可以是本地的或远离这些部件，例如在机构内的别处或在完全不同的位置等，它们通过例如互联网、虚拟专用网络、局域网等任何合适的网络而链接到监测系统。在一个实施例中，系统10可部分或完全包含在手持装置(未示出)中。这样的装置可包括便携腐蚀监测器12。

图2是根据一个实施例的流程图24。流程图24的步骤可与包含用指令程序化以执行步骤的处理器的计算机18结合执行，例如如在本文中提供的系统10。在步骤26中，例如高温单或多相体系(regime)等给定管道网络可被模拟以便将复杂系统简化为一系列模块化部分。可识别任何合适系列的模块化部分。在具体实施例中，模块化部分可根据在管道几何结构中的分布来分开。例如，模块化部分可通过沿流体的流动路径出现的几何结构的变化来勾勒。直管可以是单个模块化部件(不管长度)并且可联接特征在于弯曲、转折、连接或弧形的另一个模块化部件。这些模块化部件为了模拟流体动力学的目的而被分开并且可以是或可以不是物理上可互相分开的部件。应该理解一系列模块化部件可形成无缝管道系统或子系统。

在单相体系实施例或多相体系实施例中，当模拟系统时可考虑的因素包括流体速度、流体粘度、流体密度、配置尺度和管道的表面粗糙度。速度、温度、粘度、密度和部件尺度的变化可对大范围的运行状况和例如原油等流体来考虑。在一些实施例中，管道部件的内表面可假定是平滑的。在这样的实施例中，剪应力预测可由于平滑而非粗糙表面的结果而导致与应力的大小关联的较低值。然而，位置预测可一般没有改变。在任何管道中，粗糙度是管道的年龄和它的材料的函数。在剪切较高的位置，管道表面可随时间变得更粗糙，从而导致在那些点甚至增加更多的剪应力。

一旦分成它的模块化部件，个体部件可在步骤28进一步特征化。一般，这样的进一步特征化可包括个体部件的特定的几何性质并且可进一步包括不同模块化部件之间的相对关系。在一个实施例中，一旦特定管道网络的特性已经确定，这些特性可用作相似网络的参考。一旦与流体和每个模块化部件关联的参数已经确定，参数可在步骤30进一步分析以确定在每个部件中的剪应力最大值的一个或多个位置。该分析可牵涉使流体动态参数与剪应力位置和大小相关。该相关性可牵涉流体动态模拟以确定描述系统的一个或多个无量纲传递函数。另外，该相关性可牵涉使用经验上得出的数据以描述流体动态性质和/或验证由模型确定的方程。当确定一个或多个剪应力最大值时，在模块化部件上的最大值的位置可在步骤32传送给操作员。操作员然后可监测管道的在剪应力最大值位置处的腐蚀。

图3是公开的实施例的具体实施例的流程图40。在步骤42，管道网络可简化为某些标准部分44，例如直管44a、弯曲44b(例如U形弯曲)、渐缩管44c和/或接头44d等。在步骤46，操作员可确定与管道网络中的管道和流体关联的多个参数的值或值的范围。例如，操作员可确定管道几何结构参数52，例如每个部件的长度、直径和形状。对于包括弯曲的部件，操作员可确定弯曲的程度，和弧形长度。对于渐缩管，操作员可确定管道中锥形化的程度或角度。另外，操作员可确定管道的组成，包括在管道的内壁上的表面粗糙度。操作员还可确定流体性质参数50，包括流体组成、相数(液体、固体或气体)、腐蚀性、酸性、密度和粘度。另外，可确定运行状况48的某些参数，例如流体温度和流动速度等。流动可以是湍流，其在某些实施例中可限定为雷诺数～10^e7。

在某些实施例中，在步骤54中，公开的实施例可使用流体动态模拟以确定可对不同部件中的每个求解的一个或多个无量纲传递函数，其考虑了所有可能范围的运行状况、几何参数和流体性质以及它们的相互作用效果。首先采用模块化方法并且网络简化为常用管道部件。然后对运行状况、几何参数和流体性质的范围识别感兴趣区域。在某些实施例中，在管道壁的剪应力可由τo＝τo(μ，ρ，V，D，e)代表，其中μ是动态或绝对粘度，ρ是流体密度，V是流动的平均速度，e(或ε)是管道的表面粗糙度，并且还可与几何结构相关。如注意到的，管道的表面可在某些实施例中假定是平滑的。复杂性可通过使用无量纲变量而缩减到两个变量。该无量纲剪应力可表达为：

$\frac{{\mathrm{\τ}}_o}{\frac{\mathrm{\ρ}{V}^2}{2}}=f(\frac{\mathrm{\ρVD}}{\mathrm{\μ}},\frac{e}{D})$

雷诺数(无量纲)，并且

e/D＝相对粗糙度。

剪应力也与几何参数相关。例如，对于90°圆形弯曲和U形弯曲，可考虑弯曲的曲率半径(R)和管道的半径(r)。对于三通接头，管道的半径(r)，以及对于渐缩管的渐缩管的入口半径，渐缩管的出口半径和渐缩管长度。使用个体部件的输入，期望的输出是局部最大剪切58(τ_max(local))和剪切最大值的位置56(θ₁&θ₂和x)。输入和输出参数可使用任何合适的技术、例如Buckingham Pi定理来转换为无量纲形式。对于圆形弯曲&U形弯曲获得的无量纲输入和输出是Re和半径比(输入)和

θ₁、θ₂、

(输出)；对于三通接头是Re(输入)和θ₁、θ₂、

(输出)；并且对于渐缩管是Re、斜率和直径比(输入)和

(输出)。在某些实施例中，

可表达为：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}_{\max \left(\mathrm{local}\right)}=\frac{{\mathrm{\τ}}_{\max \left(\mathrm{local}\right)}}{1/2{\mathrm{\ρu}}^2}$

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{x}{2r},$ 其中

并且

最终的函数形式可以是：

A.对于圆形和U形弯曲部件

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}=\max \left(\mathrm{local}\right):=f_1$ (Re，半径比)

θ₁＝f₂(Re，半径比)

θ₂＝f₃(Re，半径比)

$\stackrel{\‾}{x}=f_4$ (Re，半径比)

B.对于三通接头

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}_{\max \left(\mathrm{local}\right)}=g_1\left(\mathrm{Re}\right)$

θ₁＝g₂(Re)

θ₂＝g₃(Re)

C.对于渐缩管

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}\max \left(\mathrm{local}\right):=h_1$ (Re，斜率，直径比)

在某些实施例中，可针对运行状况、流体性质和几何参数的范围识别这些无量纲输入的范围。Re的范围的一个特定实施例在表格1中提供

	Re
		高	2.00E+07
低	2.70E+04

表格1：输入参数的范围

公开的实施例可使用修改的具有分解直到壁的网格的k-ε模型。可实现的k-ε模型对于有效粘度具有在分析上得出的微分公式，其考虑了低雷诺数效应。可在规定一致的速度分布图的情况使用速度入口边界条件。对于湍流参数，湍流强度和水力直径指定为输入；其根据雷诺数和管道直径来计算。对于水力直径，方程可表达为水力直径＝管道的直径，并且对于湍流强度，方程可表达为湍流强度＝0.16(Re)^-1/8。可使用流出边界条件，即速度的垂直梯度可假定为零。在某些实施例中，压力出口条件给出相同的结果。在某些实施例中，在壁处规定无滑移边界条件。

6.1(Fluent Inc.，Lebanon，NH)用于用适当的离散化方案和边界条件来求解支配方程。三维不可压缩湍流稳态情况可采用双倍精度求解。更高阶的方案可用于使动量和湍流方程离散；第一单元尺寸要求是大约10^-6，其对于关于壁效应的增加的准确度可以是适合的。已经观察到压力离散方案对于壁剪应力具有不显著的影响。

本技术涉及使流体动态参数与剪应力热点相关。如注意到的，相关性可采用流体动态模拟的形式以产生一个或多个无量纲传递方程，其可针对对于特定管道系统唯一的具体参数来求解。在一个实施例中，可生成一般的无量纲传递方程，其将管道系统作为整体描述，其中包括各种类型的具有不同几何结构的管道部件。在另一个实施例中，一系列无量纲传递方程可描述一系列不同的管道部件。在另一个实施例中，相关性可至少部分通过使用经验上得出的数据来生成。例如，这样的数据可包括与这样的系统的几何和运行参数结合的管道系统的壁厚测量(其随时间来进行)。在一个实施例中，数学上得出的相关性可使用经验数据验证使得在经验数据为可用时描述管道系统的任何方程可随时间来改进。

示例

下列示例提供本技术的具体实施例。

I.90°圆形弯曲的流动性质

公开的实施例用于检查示范性90°圆形弯曲的流动性质。用于模拟90°圆形弯曲的命名约定在图4中示出。90°圆形弯曲以三个不同的半径比3.833、4.67和5.5、在三个运行状况下并且以雷诺数2.7×10⁴、7.3×10⁵和2×10⁷模拟。图5A是90°圆形弯曲的速度分布。从在图5A中在对称平面示出的速度分布图，利用在轴64中的速度大小，观察到当流体沿弯曲移动时，最大速度从弯曲的内侧60转移到外侧62。该外部较高速度带(outer higher velocity zone)保持随甚至高达12或更大直径的流量一起移动。然而，即使当管道的出口长度减小/增加时，没有看到剪应力位置和大小的变化。图5B示出在弯曲壁的静态压力(大小在轴70中示出)，由此在内壁66的压力低于外壁68，这是离心力平衡的结果。存在离如图5C中示出的弯曲出口某距离处观察到的边界层分离。这是因为在区域72中速度在壁的附近是非常低的并且产生逆压梯度。图6示出在图5A中示出的横截面A、B、C和D的速度矢量。观察到该流量朝向更靠近对称平面的弯曲的外侧。这是因为在流体朝内部半径移动时离心力在该带(低曲率半径)中较高以及流体趋于覆盖最少距离。这形成Dean’s Vortices，其中当流体在弯曲中移动时再循环的区域朝弯曲的内部部分转移。这是当流体在弯曲中移动时由于内带中较少流体所引起的离心力减小的结果。

图7是在离弯曲入口30°的点74的90°圆形弯曲的对称平面线的速度分布图比较的图表。在x轴上绘制的最低的可能半径是0(内带)，2作为弯曲的最高半径外带。在该平面上，速度在内壁较高，因为大量流体将沿最小半径路径(即内部半径)行进，然后由于离心作用(因为弯曲曲率)向外转移。该效应在图8的图表中观察到，其示出在离弯曲出口一个直径的平面76处的比较。试验数据与计算结果比较并且反映模型找准流动物理学。试验和计算值之间的微小差别可归因于试验误差或例如粗糙表面等的某些参数，其在计算中被消除。

图9是对于模拟的90°圆形弯曲观察到的剪应力热点78、80和82的位置的示意图。观察到剪应力的最大值随半径比和雷诺数变化。在对三个半径比和三个雷诺数研究的情况中看到三个局部剪切最大值。一个最大值78注意到是紧挨弯曲入口之后，其是因为轴向速度-主流梯度(primary flow gradient)的变化。第二两个最大值80和82是二次流的变化的结果并且是彼此的镜像。这些位于弯曲的出口和弯曲的中心之间。已经观察到产生于二次流和主流的最大值之间的比从0.77变化到1.05。

图10是示出因为主流造成的局部最大无量纲剪应力(局部最大值1)的大小随雷诺数和半径比的变化的图表。当雷诺数增加时(同时保持半径比恒定)，剪切减小。这是因为雷诺数的增加意味着减小粘力，其导致剪切的减小或对流部分的增加。这导致剪切增加但导致对流部分高得多的增加，这再次引起无量纲剪切减小。观察到当半径比增加时，这可导致对流项增加并且因此造成无量纲剪切减小。相似的结果在图11中示出的作为二次流梯度的结果的局部最大值2&3的趋势中看到。

对这些局部最大值拟合的传递函数采用函数形式：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{iLocalMax}}=a_i{b}_i^{r/r+R}{\mathrm{\ρ}}^{1+c_i}{u}^{2+c_i}{r}^{c_i}{u}^{-c_i}$

其中模拟的弯曲的a、b和c在表格2中示出。

	最大值1	最大值2&3
			a	0.023570077	0.024577822
b	118.89425	15.1204467
			c	-0.230485	-0.2068692

表格2：90°圆形弯曲的局部最大值剪应力传递函数的常数值

观察到在这些最大值的位置的变化在圆形弯曲的总跨度的10％内，如在表格3中示出的。

	最大值1	最大值2	最大值3
				θ1(按度数)	-45至-28.6	19.7至23.3	19.7至23.3
θ2(按度数)	180	138至148	-138至-148

表格3：90°圆形弯曲的局部最大值的位置

因此，具有90°圆形弯曲或相似形状的几何特性的模块化部件可用无量纲传递方程模拟。某些几何参数以及运行和流体参数可用作对该方程的输入以定位或预测该部件的局部剪应力最大值。

II.U形弯曲的流动性质

公开的实施例还用于检查示范性U形弯曲的流动性质。用于模拟90°圆形弯曲的命名约定在图12中示出。针对两个不同的半径比3.833和5.5、在三个运行流动状况下以雷诺数2.7×10⁴、7.3×10⁵和2×10⁷研究管道U形弯曲。图13A示出U形弯曲的流动物理学。从速度分布图可看到，当流体沿弯曲移动时，最大速度从弯曲的内侧84转移到外侧86(速度大小在轴88示出)。该外部较高速度带保持随甚至高达12的直径的流动一起移动。即使当管道的出口长度减小/增加时，没有观察到剪应力位置和大小的变化。图13B还示出在弯曲壁的静态压力。在内壁90的压力低于外壁92(压力大小在轴94中示出)，其是平衡离心力的流场(flow field)的结果。在区域95中的边界层分离在离弯曲出口某距离处观察到，并且被模型找准，如在图13C中描绘的。这是因为在该区域中，速度在壁的附近是相对低的，并且压力在增加，即形成逆压梯度。图14示出在标记A、B和C的横截面的速度矢量(参见图13A，在流动方向上增加)。观察到流动朝靠近对称平面的弯曲的外侧。这是在该带(低曲率半径)中较高的离心力以及流体覆盖最少距离的趋势的结果，因为流体将试图朝内部半径移动。这形成Dean’s Vortices。当流体在弯曲中移动时再循环区域朝弯曲的内部部分转移。这是因为当流体在弯曲中移动时由于内带中较少流体引起的离心力减小。

图15是在对称平面上的弯曲的出口的平均轴向速度的图表，其中0是最低半径(内带)并且2是在弯曲的外带中的最高半径。在外带中的速度可由于离心力将流体向外部半径转移的结果而是较高的。结果与试验观察进行比较。观察到预测值和试验结果之间的差别在10％内。在较低半径带(0)中，模型低估了值，而在中间带中它高估了值。

图16是对于U形弯曲管道部件的剪应力最大值100、102、104和106的位置的示意图。观察到剪应力的最大值随半径比和雷诺数变化。在对两个半径比和三个雷诺数研究的情况中看到四个局部剪切最大值。一个最大值100注意到是紧挨弯曲入口后，其是主流梯度的变化的结果。一个最大值106也在紧挨弯曲后出现并且也是主流的变化的结果。而剩余的两个最大值102和104源于二次流的变化并且是对称的，它们位于弯曲的出口和弯曲的中心之间。已经观察到产生于二次流和主流的最大值之间的比从0.78变化到1.12。因此，生成无量纲传递函数以预测这三个最大值的位置以及局部剪切最大值大小的变化。

图17是示出因为主流造成的局部最大无量纲剪应力(局部最大值1)的大小随雷诺数和半径比的变化的图表。当雷诺数增加时(同时保持半径比恒定)，无量纲剪切减小。这是雷诺数的增加意味着减小粘力或增加对流部分的效应的结果。观察到当通过增加曲率半径(其可导致离心力减小并且然后导致更低的剪切因此导致更低的无量纲剪切)、减小管道半径或增加速度以维持相同的雷诺数而增加半径比时，这可导致对流项增加并且因此导致无量纲剪切减小。甚至对于其他局部最大值也看到相似的趋势，图18示出的最大值2&3的变化。

如果传递函数对这些局部最大值拟合，函数形式将是：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{iLocalMax}}=a_i{b}_i^{r/r+R}{\mathrm{\ρ}}^{1+c_i}{u}^{2+c_i}{r}^{c_i}{u}^{-c_i}$

其中所有最大值的a、b和c在表格4中示出。

	最大值1	最大值2&3	最大值4
				a	0.0538145	0.046998	0.09765902
b	95.66126	29.5552	3.764016
				c	-0.2234252	-0.1938766	-0.2207915

表格4：不同最大值的常数值

观察到在周向上的最大值1的位置不随不同的参数输入而改变并且观察到是180°。而在流动方向上的变化遵循单调行为，该变化再次完全在总跨度的10％内。还观察到在周向上的最大值4的位置不改变并且观察到是0°。而在流动方向上的变化遵循单调行为，该变化再次完全在跨度的小百分比内。观察到在周向上的最大值2&3的位置不改变并且观察到是130°±10°。看到如果研究了由最大值至0.9最大值覆盖的跨度的交叉，跨度形成条纹。该条纹对于所有情况从7°变化到35°。对于选择监测点，可监测在条纹内的任意点。这些位置在表格5中列成表。

	最大值1	最大值2	最大值3	最大值4
					θ1(按度数)	-90至-74	7至35	7至35	不要求
θ2(按度数)	180	120至140	-120至-140	0
					x/d	不要求	不要求	不要求	0.23至0.27

表格5：U形弯曲的局部最大值的位置

因此，具有U形弯曲或相似形状的几何特性的模块化部件可用无量纲传递方程模拟。某些几何参数以及运行和流体参数可用于定位或预测该部件的局部剪应力最大值。

III.三通接头的流动性质

公开的实施例还用于检查示范性三通接头的流动性质。用于模拟三通接头的命名约定在图19中示出。针对三个运行状况、以雷诺数2.7×10⁴、7.3×10⁵和2×10⁷研究三通接头。图20A示出在对称平面上的速度分布图和矢量图，其找准了在接头处的边界层分离和压力分布。从速度分布图，观察到流动采用与U形弯曲和圆形弯曲相似方式转弯，但具有更尖锐的度数。由于相对高的离心力，该流动趋于向外突出。如在图20B中看到的，在内壁110的静态压力低于外壁112以平衡该离心力。图20C示出在位于紧挨三通接头的拐角之后的区域114中的边界层分离。在该拐角区域中，逆压梯度导致边界层分离。图21是示出在标记1至4的横截面上的速度矢量的图表。观察到在截面A和B，流动朝中心，其指示平滑边界层产生，而在截面C中，在紧挨拐角的上游，存在流体对于即将发生的分离自我调节的趋势。伴随环形运动的二次流动流在位于拐角处的分离泡的下游的截面D中发现。

图22是对于模拟的三通接头的两个局部剪应力最大值116和118的示意图。观察到剪应力的最大值强烈依赖于雷诺数。在对三个不同雷诺数所研究的所有情况中看到四个局部剪应力最大值。在图22中示出的两个局部最大值116和118观察到正好在拐角处，其由于速度方向的突然变化和二次流的组合效应而发生。其他两个最大值(没有示出)是二次流的变化的结果并且是对称的，位于紧挨拐角之后的顶面上。观察到产生于二次流和主流的最大值之间的比从1.66变化到3.55。二次最大值在大小上与主最大值相比是较低的，然而它的置信值是较高的。在拐角可能不是同样尖锐的实施例中，二次最大值可在大小上显著增加。

图23是示出局部最大值1和2的局部最大无量纲剪应力的大小的变化的图表。观察到，当雷诺数增加时，无量纲剪应力减小。这是由于雷诺数的增加表明减小粘力或对流部分增加(其导致剪切增加但对流具有高得多的增加)的事实所造成的。

对这些局部最大值生成传递函数，其由下列给出：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{iLocalMax}}=a_i{\mathrm{\ρ}}^{1+c_i}{u}^{2+c_i}{r}^{c_i}{u}^{-c_i}$

其中i指示最大值编号，并且对应于这些最大值的这些常数值在下面的表格6中示出。

	最大值1&3	最大值2&4
			a	12.32686025	0.732749809
c	-0.356734305	-0.2006663

表格6：三通接头的剪切最大值的常数值

观察到这些最大值的位置不随运行状况改变并且覆盖了下面的表格7中示出的跨度。

	最大值1	最大值2	最大值3	最大值4
					θ1(按度数)	0	3.5	0	3.5
θ2(按度数)	34至47	42	-34至-47	-42

表格7：三通接头的局部剪切最大值的位置

在精炼厂中其他最常发现的流动配置中的一个(闭塞的三通)在图24中示出。常常在安置控制阀以控制流动分布的位置处存在闭塞三通。除雷诺数外，闭塞管长可以是影响剪应力在三通接头的壁上的位置&大小的另一个参数。在精炼厂中观察到的最小“闭塞”长度可模拟为具有至少2d的长度。在闭塞三通中，剪应力的位置可在如在图25中示出的三通接头的下游拐角处。在该实施例中，仅观察到一个局部剪切最大值120。还观察到在闭塞三通中的剪应力是正常运行状况(即，畅流)下的三通接头中的剪应力的1/8。该闭塞三通随闭塞部分的长度变化而在剪应力大小方面具有不显著(＜10％)的变化，而对于不同堵塞长度没有观察到位置的变化。

图26示出无量纲剪应力随雷诺数的变化，该关系由下列给出：

τ＝aρ^1+cu^2+cr^cμ^-c

其中常数值a和c列在表格8中。

	局部最大值
		a	14.907
c	-0.4775572

表格8：闭塞三通的剪切最大值传递函数的常数值

因此，具有三通接头或相似形状的几何特性的模块化部件可用无量纲传递方程模拟。另外，还可模拟在入口或出口处闭塞的三通接头。某些几何参数以及运行和流体参数可用于定位或预测该部件的局部剪应力最大值。

IV.渐缩管的流动性质

公开的实施例还用于检查示范性渐缩管的流动性质。用于模拟渐缩管的命名约定在图27中示出。在雷诺数2.7×10⁴、7.3×10⁵和2×10⁷下并且对两个斜率0.023和0.089来研究渐缩管，其中该斜率由

给出。图28示出在对称平面的速度分布图。从速度分布图可观察到当流体进入渐缩管时，平均流体速度由于横截面面积减小而增加，其也引起局部速度增加。

最大剪应力观察到在渐缩管的出口处。这是在最低直径管道截面中速度较高而渐缩管流动的出口可以在流动的发展带中的结果。最大剪应力是渐缩管的雷诺数(在渐缩管的出口直径的基础上)和斜率的强函数。最大剪应力122观察到在弯曲的出口处，在图29的示意图中示出。

图30是示出局部最大值1和2的局部最大无量纲剪应力的大小随雷诺数的变化的图表。观察到，当雷诺数增加时，无量纲剪应力减小。还观察到较高的斜率与较高的剪应力相关。

对这些局部最大值生成传递函数，其由下列给出：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{LocalMax}}=a{b}^{100(r_1-r_2)/\mathrm{Length}}{\mathrm{\ρ}}^{1+c}{u}^{2+c}{{r_1}^2{r_2}^{c-2}u}^{-c}$

这些常数值在表格9中。

	最大值
		a	0.0318
b	1.0709
		c	-0.227

表格9：剪切最大值的常数值

观察到在研究的所有情况中的这些最大值的位置在渐缩管的出口处。

因此，具有渐缩管或相似形状的几何特性的模块化部件可用无量纲传递方程模拟。某些几何参数以及运行和流体参数可用于定位或预测该部件的局部剪应力最大值。

V.部件之间的相互作用

除模拟在个体部件中的剪应力外，公开的实施例还可考虑了部件之间的相互作用。例如，不同的90°圆形弯曲之间的相互作用在一系列运行状况下研究。圆形至圆形弯曲组合的三个常见配置在图31A-C中示出。在这样的配置中，通过这些部件的流动具有非常高的惯性力并且重力效应可以是不显著的。因此，相对取向比绝对取向更重要。

另外，剪应力差别可采用下游和上游方式研究。在查看下游效应中，针对示范性最高雷诺数和具有零相互作用长度的低曲率半径来分析弯曲中剪应力之间的差别。例如，具有在图31C中的交叉取向的组合示出部件之间剪应力大小的27％的差别。转到上游效应，如果观察到弯曲中剪应力方面的百分比变化，发现10％或更小的差别可认为是不显著的。一般观察到尽管上游效应是不显著的，下游效应相当高。表格10示出这些组合的百分比差别。

表格10：上游效应

由于具有两个弯曲以及入口长度和出口长度增加了计算域和计算量，可采用其中将来自单个弯曲研究(在离弯曲1D长度之后)的出口分布图纳为下一个弯曲的入口分布图的方法。为了解决相对取向，这些分布图以适当的角度旋转。在该方法中，进行验证以检查有效性的范围。这些组合以2d的相互作用长度来研究，并且与具有1D入口长度的情况比较，该情况中来自单个弯曲研究的入口分布图插入在距离弯曲出口的1D长度后。这些情况在图32中示出。

表格11：在具有截断情况的全部情况的剪应力的差别

表格11示出在组合中的三个弯曲的第二个处剪应力的百分比变化由于截断而造成的变化。发现大小和位置的变化是不显著的(＜10％)。因此，截断的方法引入不显著的误差并且可用作有效的模拟技术。由于部件之间的相互作用长度可能影响进入下一个部件的流动的速度分布图，研究它的影响的是有利的。图33示出相互作用长度对单个弯曲中的无量纲剪应力大小的影响。观察到当相互作用长度增加时，存在百分比变化衰退，但在大约30d出口长度后该变化饱和到大约10％的值，且具有27％的观察到的最大差别。

本发明的技术效果包括识别管道网络的局部剪应力最大值的位置和大小。这样的信息可使管道网络操作员能够更有效地安置腐蚀监测器。在长时期暴露于腐蚀性流体的情况下，呈现较高剪应力的管道网络的区域可比经历较低剪应力大小的区域更可能失效，或可更快地失效。因为腐蚀监测典型地在沿网络的点位置进行，公开的实施例可实现监测位置的更有效选择。

尽管仅本发明的某些特征已经在本文中图示和描述，许多修改和改变将被本领域内技术人员想到。因此，要理解附上的权利要求意在包含所有这样的修改和改变，它们落入本发明的真正精神内。

Claims (25)

1.一种用于确定腐蚀监测器沿管道网络的安置的方法，其包括：

使用处理器，其中所述处理器包括用于下列操作的指令：

接收关于流体的管道网络的信息，其中所述信息包括所述管道网络的管道部件的几何参数、所述管道网络的运行状况参数和所述管道网络的流体性质；

使用无量纲传递函数使所述管道网络的流体动力学与由所述管道网络内的流动引起的剪应力相关；

基于该相关性确定所述管道网络的管道部件的一个或多个局部剪应力最大值的位置；以及

基于所述一个或多个局部剪应力最大值的位置确定腐蚀监测工具在所述管道网络的管道部件上的工具位置上的安置。

2.如权利要求1所述的方法，包括确定所述管道网络的局部剪应力最大值的大小。

3.如权利要求1所述的方法，其中确定所述管道网络的一个或多个局部剪应力最大值的位置包括评级所述一个或多个局部剪应力最大值。

4.如权利要求1所述的方法，其中确定所述一个或多个局部剪应力最大值的位置包括识别包括小于管道部件的跨度的10％的区域。

5.如权利要求1所述的方法，其中接收关于流体的所述管道网络的信息包括接收关于至少两个管道部件的相对取向的信息。

6.如权利要求1所述的方法，其中使所述管道网络的流体动力学与剪应力相关包括模拟所述管道网络以提供无量纲传递函数。

7.一种用于确定腐蚀监测器沿管道网络的安置的方法，其包括：

使用处理器，其中所述处理器包括用于下列操作的指令：

接收关于流体的管道网络的信息，其中所述信息包括所述管道网络中的至少两个管道部件的运行状况参数和流体性质；其中所述至少两个管道部件的特征在于几何参数；

基于所述信息确定所述至少两个管道部件中的每个的由所述管道网络内的流动引起的局部剪应力最大值的位置；以及

基于相应的局部剪应力最大值的位置确定所述至少两个管道部件上的腐蚀监测装置的放置，其中每个管道部件与一个或多个局部剪应力最大值相关联。

8.如权利要求7所述的方法，包括确定所述至少两个管道部件中的每个的局部剪应力最大值的大小。

9.如权利要求7所述的方法，其中确定所述至少两个管道部件中的每个的局部剪应力最大值的位置包括识别包括小于每个相应管道部件的跨度的10％的区域。

10.如权利要求7所述的方法，其中接收关于流体的所述管道网络的信息包括接收关于所述至少两个管道部件的相对取向的信息。

11.一种用于确定腐蚀监测器沿管道网络的安置的方法，其包括：

接收至少两个管道部件中的每个的由管道网络内的流动引起的局部剪应力最大值的位置，其中所述位置通过使用一个或多个无量纲传递函数模拟所述至少两个管道部件的局部流体动力学来确定；以及

安置腐蚀监测器在所述至少两个管道部件的局部剪应力最大值的一个或多个位置。

12.如权利要求11所述的方法，包括接收所述至少两个管道部件中的每个的局部剪应力最大值的大小。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述至少两个管道部件中的每个的局部剪应力最大值的位置包括多个局部剪应力最大值的评级。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述至少两个管道部件中的每个的局部剪应力最大值的位置包括其中包括小于每个相应管道部件的跨度的10％的区域。

15.一种用于确定局部剪应力最大值的位置的设备，包括：

用于接收关于流体的管道网络的信息的装置，其中所述信息包括所述管道网络中的至少两个管道部件的几何参数、运行状况参数和流体性质，其中所述至少两个管道部件的特征在于几何参数；

用于基于所述信息确定所述至少两个管道部件中的每个的由所述管道网络内的流动引起的局部剪应力最大值的位置的装置；以及

用于基于相应的局部剪应力最大值的位置确定所述至少两个管道部件上的腐蚀监测装置的放置的装置，其中每个管道部件与一个或多个局部剪应力最大值相关联。

16.如权利要求15所述的设备，还包括用于确定所述至少两个管道部件中的每个的局部剪应力最大值的大小的装置。

17.如权利要求15所述的设备，还包括用于评级多个局部剪应力最大值的装置。

18.如权利要求15所述的设备，其中用于确定所述局部剪应力最大值的位置的装置包括用于识别包括小于每个相应管道部件的跨度的10％的区域的装置。

19.如权利要求15所述的设备，其中用于接收关于流体的所述管道网络的信息的装置包括用于接收关于所述至少两个管道部件的相对取向的信息的装置。

20.一种腐蚀监测系统，其包括：

处理器，其中所述处理器配置成接收关于流体的管道网络的信息，其中所述信息包括所述管道网络中的至少两个管道部件的几何参数、运行状况参数和流体性质，并且其中所述处理器配置成基于所述信息确定所述至少两个管道部件中的每个的由所述管道网络内的流动引起的局部剪应力最大值的位置，并且其中所述处理器配置成基于相应的局部剪应力最大值的位置确定所述至少两个管道部件上的腐蚀监测装置的放置，其中每个管道部件与一个或多个局部剪应力最大值相关联。

21.如权利要求20所述的腐蚀监测系统，其中所述处理器配置成确定所述至少两个管道部件中的每个的局部剪应力最大值的大小。

22.如权利要求20所述的腐蚀监测系统，其中所述处理器配置成评级多个局部剪应力最大值。

23.如权利要求20所述的腐蚀监测系统，其中所述处理器配置成识别包括小于每个相应管道部件的跨度的10％的局部剪应力最大值的位置。

24.如权利要求20所述的腐蚀监测系统，其中所述处理器配置成接收关于所述至少两个管道部件的相对取向的信息。

25.如权利要求20所述的腐蚀监测系统，包括腐蚀传感器。

Images