海底油气管道输送系统流动保障虚拟仿真实验

实验教学项目负责人情况

姓  名

梁永图

性别

男

出生年月

1971年9月

学  历

博士研究生

学位

博士

电    话

专业技

术职务

教授

行政

职务

处长

手    机

院  系

机械与储运工程学院

电子邮箱

地  址

北京市昌平区府学路18号

邮    编

102249

团队主要成员

序号

姓名

所在单位

专业技术职务

行政职务

承担任务

备注

1

梁永图

中国石油大学(北京)

教授

处长

实验运行管理组织

2

王艺

中国石油大学(北京)

副教授

实验

教师

海管维抢修模块设计

3

史博会

中国石油大学(北京)

副教授

实验

教师

水合物模块设计

4

刘啸奔

中国石油大学(北京)

讲师

实验

教师

管道设计模块设计

5

苏怀

中国石油大学(北京)

讲师

实验

教师

大数据段塞流模块

设计

2-1名称

海底油气管道输送系统流动保障虚拟仿真实验

2-2实验目的

海底油气管道是海洋油气资源开采集输的“生命线”，其由采油树、井口、水平输送管道、立管、阀组、数据采集系统、自动控制系统等组成，是一个庞大复杂的输送系统（见图1）。

图1 海底油气管道输送系统

海底油气管道输送系统所处的环境复杂恶劣，在交变压力、波浪、海流等随机交变载荷作用下易使管体产生径向压溃（见图2）、热胀屈曲（见图3）、涡激振动（见图4），从而造成海底管道的结构性失效；同时，采出的油气在从井口通过管道输送到平台或陆地终端的过程中，油气本身的复杂组分以及海底的低温、高压、大落差环境使得管内极易形成水合物堵塞（图5）和段塞流（图6），从而造成海底管道的功能性失效。

图2 海底管道径向压溃及其传播

图3 海底管道热胀屈曲             图4 海底管道涡激振动

图5 水合物堵管                     图6 段塞流

无论是结构性失效还是功能性失效，都会造成减产、停产、摧毁管线或设备、油气泄漏污染海洋等严重威胁海底油气安全生产和海洋生态环境的恶性事故（见图7）。因此，对于这样一个庞大复杂的海底油气管道输送系统进行流动保障极为重要，贯穿于海底管道的设计、运行和维抢修全生命周期。

图7 海洋油气生产重大事故与环境污染

然而在教学实践和工程实际中对于如此重要的流动保障问题却存在诸多现实的限制：

(1) 真实实验系统难以搭建。教学实践中，海底管道流动保障相关知识点的教学偏于理论化，往往局限于局部的流程图、原理图，缺乏对整体海底输送系统、系列工艺流程、主要设备操作等的全面深入理解。这些也无法通过实验教学完成，因为庞大的海底输送系统和宏大的海洋环境无法在实验室内搭建模型进行实验，复杂的海底环境因素和管道流动状态也决定了无法进行有效的缩小模型实验。

(2) 实际操作危险性高。工程实际中，要求经验丰富的设计人员多设置安全余量以保障海底管道建成投产后的流动安全，同样要求经验丰富的运行管理人员通过SCADA系统采集到的数据去推测可能存在的安全隐患以采取恰当的维抢修措施。另外，生产现场决不允许出现上述屈曲压溃、水合物堵管等事故，也决不允许无资质人员参与操作。这一系列约束条件使得即使是经验丰富的工程技术人员也往往“看不见”、“摸不着”海底管道输送系统的各种部件、设备和管内流动工况，在校学生就更难以形成全面系统的认知。

这些问题使得无论是教学实践还是生产实际都无法让学生和工程技术人员全面充分地了解系统、设备、工艺、操作等细节，造成了理解和认知上的不足。这种状况无法适应油气储运工程专业对学生在工程实践背景中具备较高的实际观察能力、动手能力、对突发异常情况的分析和应对能力的要求，也难以满足油气管道智能化发展对人才储备提出的更高要求。

虚拟仿真实验教学是解决上述困境的有效途径，可以演练在现场和实验室中不允许出现的事故工况，演示现场看不到的不稳定工况的变化过程。通过虚拟现实技术，实现管道内外流动保障全过程的虚拟“可视化”描述和操作体验。通过虚拟仿真项目培养学生对知识的融会贯通和解决问题的能力，为社会培养更多创新型复合型人才，具有一定的高阶性。

学生需要依靠 VR 三维虚拟技术进行有细腻现场沉浸感的自主式、交互式操作，完成现实工作中无法对管道进行“透视”、实验中不能到海洋平台现场操作实际设备的工作。调动学生进行实验的积极性和主动性，在掌握基础知识的同时，自主设计实验和操作，解决实际操作中的问题，了解行业前沿动态，增强学生创新创造能力，具有一定的挑战度。

综上所述，通过海底油气管道输送系统流动保障虚拟仿真实验，可提升学生应用基础理论解决复杂工程问题的实践能力，引领油气储运工程领域虚拟仿真教学实验与工程实训平台建设，实现资源共享与推广应用。

本虚拟仿真实验兼具课程内容的前沿性与时代性、教学形式的先进性和互动性、学习结果的探究性和个性化。1) 前沿性与时代性：根据中海油公司最新的解决方案，结合教学的内容，将行业企业生产操作规范转化为教学案例；2) 先进性和互动性：综合运用互联网、大数据、虚拟仿真、人工智能等先进技术服务教学，可实现课内课外、线上线下的多维互动；3) 探究性和个性化：不是简单告诉学生对错，而是培养学生运用专业知识去探究，能够发挥学生的个性特点。

通过本虚拟仿真实验教学项目要求学生具有文献查阅及调研能力、综合运用多学科知识创造性地解决复杂工程问题的素质和能力。具体包括：

a) 熟悉海底管道输送系统各种仪器设备和运行流程。

b) 能够通过运行参数的变化准确快速辨识海底管道的屈曲、共振、水合物冻堵、段塞流等事故工况。

c) 掌握管道防屈曲设计、防共振设计、水合物防控、段塞流消除、事故管段应急维抢修的原理和基本流程，能根据出现的状况及时采取相应措施。

d) 理解大数据在管道智能运行中发挥的作用。