海洋平臺(tái)管線振動(dòng)控制研究

房樹(shù)鋒， 李福春， 肖峻峰

（海洋石油工程股份有限公司，天津300450）

0 引 言

石油化工企業(yè)普遍使用管道來(lái)輸送流體，管道通過(guò)法蘭、閥門(mén)等管件相連接成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。當(dāng)管道系統(tǒng)受到外界的振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。這些振動(dòng)是有害的，對(duì)安全生產(chǎn)造成很大威脅。振動(dòng)會(huì)使螺栓連接松動(dòng)，加劇振動(dòng)，導(dǎo)致管道上的閥門(mén)、壓力表等被破壞，強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)使管道及與之相連的構(gòu)件產(chǎn)生疲勞損傷，積累到一定程度會(huì)形成疲勞裂紋，造成管道泄漏、斷裂等破壞，從而引發(fā)安全事故。因此對(duì)管系的動(dòng)力學(xué)分析是十分必要的。

這些外界的振動(dòng)激勵(lì)，可以分為機(jī)械設(shè)備振動(dòng)和流體脈動(dòng)[1]。機(jī)械振動(dòng)指動(dòng)力機(jī)械引起的振動(dòng)，如機(jī)械的轉(zhuǎn)子不平衡、軸系連接不對(duì)中等。流體的壓力、速度脈動(dòng)，也會(huì)引起管道的振動(dòng)，在流體通過(guò)彎頭、變徑、法蘭盲板等處產(chǎn)生激振力導(dǎo)致管道振動(dòng)。當(dāng)機(jī)械或流體的激振頻率與管道系統(tǒng)的特征頻率相接近時(shí)，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象。本文以渤海某油田海上鉆井平臺(tái)注水管系一段分支管焊縫開(kāi)裂為實(shí)例，詳細(xì)分析該管系振動(dòng)的原因，從而采取相應(yīng)的減振措施。

1 原因分析與建模

該海洋油田位于渤海中西部海域。油田注水管系注入水為水源井水，即同一口井既做取水井又做注水井，在不同的層系實(shí)現(xiàn)取水與注水。注水量最大為1300 m3/d，配備兩臺(tái)離心式注水泵，排出壓力為10 MPa。每臺(tái)泵的電動(dòng)機(jī)軸功率為170 kW，泵葉輪為17級(jí)。注水泵葉輪的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 注水泵葉輪結(jié)構(gòu)圖

項(xiàng)目投產(chǎn)后，注水管系中注水泵相連的放空管線（A8通多路閥管線）的一段分支管根部插焊口處出現(xiàn)裂紋。現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)該注水泵的振動(dòng)很大，該段管線的支管呈強(qiáng)烈的左右擺動(dòng)。高強(qiáng)度的往復(fù)振動(dòng)使得焊接在該管段上的分支管在插焊口處出現(xiàn)疲勞裂紋，焊縫開(kāi)裂，如圖2所示。

管線振動(dòng)通常采取架設(shè)支架進(jìn)行固定的辦法。該放空管線的分支管處于懸空狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)操作者嘗試過(guò)，無(wú)法通過(guò)架設(shè)支架進(jìn)行固定。

圖2 分支管根部焊縫開(kāi)裂

該段管道結(jié)構(gòu)由2片法蘭、1段直管、1個(gè)管座、1段支管、1個(gè)閥門(mén)和1片支管法蘭盲板構(gòu)成（如圖3），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有限元分析是解決該問(wèn)題的有效可行的方法。構(gòu)成該單管的主要管件的參數(shù)如表1所示。

圖3 開(kāi)裂管段的結(jié)構(gòu)圖

由于整個(gè)管系比較復(fù)雜，在結(jié)果數(shù)據(jù)精度足夠的情況下，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。在本文，主管（3"SCH160） 與 法 蘭（3"900LB）構(gòu)成的單管由于采用螺栓墊片固定在注水泵管系上，隨管系振動(dòng)而振動(dòng)，振幅較小，而且與管系同步，不存在振動(dòng)劇烈振幅過(guò)大而導(dǎo)致螺栓墊片連接處漏水的情況，所以本文不分析該管系主干管的共振問(wèn)題。由于分支管（3/4"XXS）振動(dòng)振幅很大，導(dǎo)致分支管根部開(kāi)裂，因此分支管的固有頻率很可能在管道系統(tǒng)受迫振動(dòng)的頻率范圍內(nèi)。因此，本文對(duì)分支管進(jìn)行模態(tài)分析，利用ANSYS軟件建模求解。

2 計(jì)算模型的建立

在不影響管道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的前提下，建立模型時(shí)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化。由于支管的兩端分別通過(guò)焊接連接主管和閥門(mén)，而焊接材料較少，相對(duì)支管本體而言，不會(huì)對(duì)其固有頻率產(chǎn)生較大影響，因此在對(duì)支管進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，將在支管與主管焊接連接部位，簡(jiǎn)化為固支，全自由度約束。分支管末端的閥門(mén)和端法蘭等結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為支管端部的質(zhì)點(diǎn)，如圖4所示。

表1 管件明細(xì)表

圖4 分支管簡(jiǎn)化建模

3 有限元分析求解

該單管的材質(zhì)為ASTM A106 Gr.B。管段通常較低的若干階固有頻率和振型對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大，系統(tǒng)的能量主要集中在前幾階較低的頻率。故在研究系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)，只需了解少數(shù)的固有頻率和振型。在這里僅提取前6階頻率響應(yīng)，如表2所示。

注水泵管系泵內(nèi)壓力脈動(dòng)的成分可以分為3類(lèi)：1）頻率接近白噪聲的隨機(jī)脈動(dòng)，這種脈動(dòng)可以認(rèn)為是隨機(jī)因素引起的；2）頻譜為葉頻倍頻的規(guī)律性脈動(dòng)；3）頻譜為軸頻倍頻的規(guī)律性脈動(dòng)，稱(chēng)為軸頻倍頻脈動(dòng)。

該注水泵系多級(jí)離心泵，首級(jí)葉輪為10個(gè)葉片，次級(jí)葉輪為7個(gè)葉片，工作轉(zhuǎn)速為2900 r/min。因此，軸頻為48.33 Hz，葉頻分別為483.3 Hz和338.3 Hz。對(duì)于多級(jí)離心泵的流場(chǎng)壓力脈動(dòng)，Wang H等[2]試驗(yàn)驗(yàn)證了主要頻率的壓力脈動(dòng)出現(xiàn)在非設(shè)計(jì)點(diǎn)及葉頻倍頻處。率志君[3]模擬顯示流道內(nèi)首級(jí)葉輪葉頻（483.3 Hz）脈動(dòng)在次級(jí)葉輪處衰減掉。振動(dòng)發(fā)生后，由于已經(jīng)使用激光對(duì)中器對(duì)電動(dòng)機(jī)和離心泵進(jìn)行了精確的對(duì)中，因此軸頻（48.33 Hz）倍頻和次級(jí)葉輪葉頻2倍頻（676.6 Hz）處壓力脈動(dòng)較小。支管1階模態(tài)頻率345.46 Hz在次級(jí)葉輪1倍葉頻壓力脈動(dòng)頻率338.3 Hz附近，考慮到該支管兩端有焊接材料，其模態(tài)頻率會(huì)稍有降低，因此可以判斷，是支管的固有頻率過(guò)低且接近離心泵葉頻壓力脈動(dòng)頻率而導(dǎo)致的共振，支管振動(dòng)劇烈，振幅過(guò)大，支管根部焊縫疲勞破壞，如圖5所示。

為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，筆者利用現(xiàn)場(chǎng)的一臺(tái)安捷倫便攜式頻譜儀對(duì)水泵出口處進(jìn)行頻譜響應(yīng)測(cè)量，振動(dòng)測(cè)量探頭布置在水泵的出口垂直方向上，采樣頻率為1000 Hz。對(duì)測(cè)得的水泵出口處振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的FFT運(yùn)算，可以發(fā)現(xiàn)，水泵在340 Hz頻率處的確存在一個(gè)振動(dòng)峰值，如圖6所示。

表2 前6階模態(tài)頻率 Hz

圖5 第1階模態(tài)振型

圖6 注水泵出口振動(dòng)頻譜

4 采取的減振措施

注水管系支管疲勞破壞后，首先對(duì)注水泵和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了精確調(diào)平和調(diào)軸對(duì)中。在注水泵出口管段加固定支架、支撐限位以降低振動(dòng)振幅，皆未明顯改善分支管的劇烈振動(dòng)問(wèn)題。

由于該單管的支管固有頻率落在離心式注水泵的葉頻共振范圍內(nèi)，所以將該支管切去50 mm，提高其固有頻率，遠(yuǎn)離泵的葉頻共振范圍。表3是切除后該單管前6階模態(tài)頻率。顯然，切除50 mm后，該支管第1 階模態(tài)頻率為546.11 Hz，遠(yuǎn)離葉輪葉頻338.3 Hz。而且切短支管，擺動(dòng)時(shí)其力矩較小，大大改善了支管根部受力狀況。支管端部封堵的盲法蘭在強(qiáng)度許可的情況下可采用玻璃鋼材料法蘭代替，大大減輕了分支管端部的質(zhì)量，減小末端擺動(dòng)的力矩，可改善支管根部受力狀況。

表3 管切短后前6階模態(tài)頻率 Hz

5 結(jié) 論

本文對(duì)海上采油平臺(tái)投產(chǎn)時(shí)遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出解決問(wèn)題的方法。由于現(xiàn)場(chǎng)缺少測(cè)量固有頻率的力錘等儀器工具，僅僅進(jìn)行了計(jì)算機(jī)建模和對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)精確度有一定的影響。分析結(jié)論如下：1）設(shè)備投入使用前，必須嚴(yán)格調(diào)平，必要時(shí)使用激光對(duì)中儀調(diào)軸對(duì)中，減少設(shè)備的振動(dòng)；2）與設(shè)備相連接管系，必要時(shí)要進(jìn)行相應(yīng)振動(dòng)分析，防止設(shè)備振動(dòng)或者流體脈動(dòng)激勵(lì)造成的疲勞破壞。