由中国石油学会、中国仿真学会主办的第三届全国大学生油气储运工程数值仿真技能创新大赛赛题正式发布，欢迎报名参赛！
大赛基于自主可控的仿真软件、软件平台或自行编制的程序，针对我国油气储运行业领域实际需求，围绕结构、流体、热、电、磁单物理场或多物理场仿真，开展工艺流程仿真、操作单元仿真、事故场景仿真、工艺流程优化、经济性分析、完整性管理等分析，评比遴选一批具有高复用性、高应用价值、高扩展性的专业仿真软件或者案例。
总体要求：
1.参赛队任选一道赛题作答，须使用国产或自主开发的仿真软件完成相关工作。
2.方案须给出分析报告和分析案例说明，并提交操作演示视频和验证报告。（大赛组委会向参赛队伍提供仿真软件及相关培训与答疑。
时间安排：
赛题一：输气管网稳态仿真
图1 管网拓扑示意图
1．模型描述
图1所示为我国某长输干线管网，由4个气源（红色箭头标识）、14个分输点（绿色箭头）、15个管段（用PL_序号标识）、17个节点（用node_序号标识）、三座压气站（用压气站_序号标识）和一座联络阀室组成。各管段具体信息如表1所示，气源、日指定分输量如表2所示，天然气组分信息如表3、表4所示，压缩机特性曲线信息如表5所示。
表1 管段基础参数
2．建模要求
a) 原则：自由使用各种建模工具，准确建立该长输管网稳态计算模型。
b) 单位制：长度m，压力为绝对压力。
c) 每座压气站均有3台压缩机，特性曲线如表5所示。
3．工况条件
气源、分输流量如下表所示，气源温度均为20℃。
表2 管网气源、分输流量
表3 管网气源1、3组分
表4 管网气源2、4组分
表5 压缩机特性曲线表
4．说明
a)各压气站进站压力不得低于6MPa；
b)气源、分输、压气站控制方式不限；
c)分输8的压力须在9.0MPa~9.5MPa之间。
任务1：
1)根据注入与分输流量对以上管网开展稳态仿真，制定合理的输气管道运行方案；
2)获得给定边界条件下各节点压力、各管段流量、进出口流速（传热模式，组分跟踪模式）。
任务2：
1)计算稳态工况下的分输2的天然气组分占比；
2)计算稳态工况下的管存量。
赛题二：大落差成品油管道顺序输送过程仿真
1. 模型描述
某大落差成品油管道系统，沿线有6个分输站，站场信息如表1所示，各站间管段信息如表2所示，泵站信息和油品物性信息如表3、表4所示，管道初始时刻油品批次分布状态见表5。本周期的批次输送安排见表6，站场S1、S4、S7、S10、S12和S14需满足批次注入和分输总量要求，S17为末站（分输量不作要求）。
表1 管段沿线站场分布信息
表2 各站间管段信息
表3 油品主要物性信息
表4 输油泵机组主要参数
表5 初始时刻管道内存油
表6 批次输送安排
2. 建模要求
a）原则：自由使用各种建模工具，准确模拟该大落差管道顺序输送过程。
b）输送期间的平均温度设定为20℃。
任务1：
1）根据给定的批次输送安排制定详细的批次计划，包括首站注入计划（注入时间、流量及油品）和沿线各分输站下载计划（分输时间、流量及油品），对批次顺序输送过程进行仿真；
2）获得油品批次运移信息。
任务2：
在任务1基础上研究：
1）综合考虑节能和操作平稳性，在给定压力限制下制定合理的开泵方案。
2）获得批次输送全过程的压力信息。
赛题三：多相管道稳态仿真
1. 模型描述
图1所示为某油气集输管网，由15个井口(绿色圆)，27个管段(黑色线段)、12个节点(红色标号)、1个终点处理厂(红色菱形)组成。各管段具体信息如表1所示，各井口产量信息如表2所示，井口产物组分信息如表3所示，井口产量变化相关信息如表4所示。此集输管网仿真中不考虑阀门、泵等相关设备。
图1 管网拓扑示意图
表1 管段基础参数
2.建模要求
a)原则：自由使用各种建模工具，准确建立组分模型下该集输管网的多相流模型。
b)单位制：长度m，压力为绝对压力。
3.工况条件
终点处理厂入口压力为1.5MPa，各井口流出温度为40℃。
表2 管网中井口处质量流量
表3 管网各井口流体信息
表4 井口产量相关信息表（单位：kg/s）
4.说明
a)采用组分模型进行物性计算，可采用读物性表方式；
b)不考虑各井口流体组成不同带来的掺混情况；
c)油水乳状液黏度计算式自选。
任务1：
1）根据给出的条件自行选取相关多相流计算方法，进行井口回压计算。
2）获得给定边界条件下各节点压力、温度、管道流速、持液率及进入CPF处理厂标况下油气水的产量信息。
任务2：
1）基于井口处产量变化(如表5所示)，得出井口压力变化大致情况。
2）采用至少两种多相流压降计算式进行井口回压计算并得出结果。
赛题四：纯氢管道泄漏仿真
1.模型描述
纯氢管道输送被认为是未来实现氢能大规模输送、解决氢能供需错配问题的重要方向之一。然而，由于氢气自身的特点，在管道泄漏时可能会引发破坏性事故，故安全、经济的氢气运输对氢能产业的发展具有重要意义。研究埋地纯氢管道的泄漏扩散特性，将为埋地氢气管道的安全运营和维护提供支撑。仿真建模假设前提条件：土壤为各向同性的多孔介质，孔隙中全部充满空气，无水分；管输介质为标准的纯氢气体；泄漏气体与土壤只进行无化学反应的组分输运，泄漏为稳定连续泄漏，泄漏孔的压力等于管道的压力。如图1所示，假设纯氢管道为无限长直管段，管道输送压力为4MPa，运行温度300K，内径D=100mm，埋地深度1.5m，泄漏孔为标准圆孔，位于管顶中央位置，泄漏孔径分别为1mm、2mm、4mm，且泄漏方向竖直向上。
图1 纯氢管道泄漏示意图
2.建模要求
a)原则：自由使用各种建模工具，准确模拟纯氢管道泄漏过程。
b)单位制：长度mm。
任务1：
1）分析在该工况下纯氢管道不同孔径泄漏点的温度变化情况。要求绘制温度变化曲线并解释原因。
2）利用仿真软件分别对距离泄漏点上方5mm、10mm、100mm、200mm、500mm温度场变化进行仿真模拟。
任务2：
1）分析泄漏点位置、管道埋深、土壤渗透特性等参数对纯氢管道泄漏过程的影响规律；
2）进行泄漏可燃区计算，开展埋地纯氢管道泄漏燃爆风险评价。
赛题五：管道腐蚀防护仿真
1. 模型描述
某油气站场布局如图1所示（蓝色线为埋地钢质管道，红色线为站场裸露接地线），站场内管道与接地长度、管径、埋深及布置见附件1及图层。管道总表面积约为3300m2，接地的总表面积约为240m2。
图1 某站场埋地管道及接地示意图
2.建模要求
a)原则：自由使用各种建模工具，准确模拟油气站场管道及接地。
b)单位制：长度m。
3.工况条件
表1 土壤条件（均匀土壤）
表2 裸露管材极化边界条件
表3 接地极化边界条件
任务1：
在该条件下分别考虑初期（防腐层破损率为0.1%）、中期（防腐层破损率为0.5%）、末期（防腐层破损率为2%）下管道电偶腐蚀状况并展示电流与电位分布云图。
任务2：
对该区域性阴极保护系统进行设计优化，并进行优化思路说明及结果对比。
1)优化目标：在现有模型基础上对油气站场进行区域性阴极保护优化设计，使得管道电位在[-850mV~1200mV]范围内。
2)优化变量：阳极数量、位置及埋深。
3)优化约束：管道及接地位置、管径。
4)评估依据：电位是否达标、电位均匀程度。
赛题六：管道穿越河流结构安全仿真
1.模型描述
某输气管道隧道穿越河流，设计压力10MPa，管道钢级为X70，管道规格Φ1016×26.2mm，管道转向采用Φ1016×30.2mm 的热煨弯头。在隧道内，管道置于间距20m的钢筋混凝土支墩上，每个支墩设置2个不锈钢管卡，限制管道侧向位移，在东西斜巷1/3处设置锚固墩，内置锚固法兰截断隧道内外管道。如图1所示，隧道进口高程为853.28m，出口高程为807.91m，隧道进口以倾角-28°、折算坡度为53.2%、长度465m的斜巷进入河床基岩，河床下平巷长度为644m，以倾角25°、折算坡度为46.7%，长度409m的斜巷出洞，隧道轴线水平长度约为1452.45m，隧道长度为1518m，水平长度为1425m。
图1 管道隧道穿越示意图
2.建模要求
原则：自由使用各种建模工具，准确模拟隧道穿越管道力学响应。
单位制：长度m。
任务1：
1）计算水灌满隧道后管道的受力状态，校核管道安全性；
2）开展数值仿真计算，分析管道温压、隧道水位对管道应力应变的影响。
任务2：
1）求解可变载荷参数与全线管道应力应变的映射关系；
2）开展管道数字孪生建设，实时求解隧道管道应力应变分布。
赛题七：长输管道针孔及裂纹缺陷漏磁检测仿真
1.模型描述
大口径高钢级天然气管道漏磁检测如图所示，管道材质为X52，管道本体存在不同尺寸、不同类型缺陷。传感器位于磁化器中部距离试件表面提离距离为2mm，通过永磁体对管道进行磁化，利用漏磁原理对缺陷进行检测。
2.建模要求
a）原则：自由使用各种建模工具，准确模拟含缺陷管道漏磁检测模型。
b）饱和磁化条件。
任务1：
在壁厚8mm条件下研究：
1)传感器对内表面深度4mm，开口0.3mm、0.5mm、1mm裂纹的检测信号；
2)传感器对内表面深度1mm、2mm、4mm、8mm，开口0.5mm裂纹（宽度）的检测信号；
3) 传感器对直径3mm、5mm、7mm、10mm针孔（深度贯穿试件）缺陷的检测信号。
任务2：
在任务1基础上研究：
1)不同速度下（1, 3, 5, 7, 9m/s），对深度4mm、直径3mm针孔缺陷的检测信号；
2)5m/s下，漏磁动态检测极限：最小可检开口裂纹及针孔大小。
赛题八：外载荷作用下含缺陷管道适用性评价
1.模型描述
当含缺陷管道受到复杂外载荷作用时，会对会对管道服役状态安全性造成影响。含缺陷管道示意图如图1所示。管道的外径D为711mm，长度L为6m，管道壁厚t为8.8mm，设计系数fp取0.4，运行内压p为6.30MPa，管材屈服强度σy取450MPa，抗拉强度σt取535MPa，屈强比RY/T取0.84，泊松比ν取0.3，弹性模量E1取205GPa，塑性模量
均取6150MPa，管道安装与运行温差∆T取20℃。
图1 管道缺陷示意图
2.建模要求
a) 原则：自由使用各种建模工具，模拟外载荷作用下含缺陷管道极限载荷状态。
b) 单位制：长度m。
3.工况条件
表1 不同缺陷尺寸工况
表2 参数分布及取值
任务1：
建立参数化模型，考虑管径、壁厚、运行压力：
1）计算含不同类型缺陷管道受0.125%与0.3%弯曲应变作用下含腐蚀缺陷管道剩余强度，并分析计算外载荷一定时，径厚比（管径/壁厚）对管道剩余强度影响规律；
2）计算每种缺陷尺寸工况下管道极限弯曲应变，并分析含缺陷管道极限弯曲应变随缺陷深度、长度、宽度变化规律。
任务2：
在任务1基础上：
1）参照表1参数分布及取值，使用蒙特卡罗方法计算弯曲载荷作用下含缺陷管道的失效概率；
2）分析缺陷不同尺寸参数（长、宽、深）参数对管道失效概率的影响，计算管道受0.125%与0.3%弯曲应变作用下给定任意两种缺陷参数时缺陷的临界尺寸。