海底管道內部流動引起的流致振動問題研究進展*

李 焱 李清平 喻西崇 陳海宏

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

管道受到內部不穩定流體流動的影響，會產生激振力，當激振力頻率與管道固有頻率相近時可能會發生流固耦合共振現象，稱之為“流致振動”(flow-induced vibration，FIV)。Blevins于1977年首次用FIV定義流致振動，并在1990年通過結構動力學和水動力學將其分為兩大類[1-2]，即穩定流動引發的不規則性流動和渦激振動，以及不穩定流動引發的隨機性、正弦波動和間歇性流動。與單相流動相比，兩相流的FIV機制存在著非常大的差異。Shigehiko[3]將兩相流FIV分為管道外部軸向流、橫向流和管道內流。其中，外部軸向流動兩相FIV研究主要集中在核工業、熱力、水力安全等領域[1,4]；橫向交錯流兩相FIV集中于管殼式換熱器內部以及蒸汽發生器U型管等結構[5-8]。相比換熱器管束、海洋立管等領域外流導致的流致振動問題，目前對管道內部兩相流FIV研究較少，尤其是海底管道內流引起的振動問題，對其脈動頻率和幅值的預測研究均處于發展階段，相關研究仍有待完善。

在海底管道中，內部不穩定流動尤其是段塞流是一種非線性、不穩定、周期性的瞬態行為，可能引起管道在周期性疲勞載荷下的疲勞損壞，甚至疲勞破壞問題。近年來，隨著深海油氣開發進度的加快，管內壓力和流速逐漸增加，由管道內流引起的流致振動問題越來越受到海洋工程界的重視。針對斜管[9]、垂直立管[10-11]、混合立管[12]等管道的段塞流研究也已逐漸豐富起來。由于海底管道所處位置特殊，環境條件復雜，管道的流致振動是海洋石油工業在水下管道設計中的重要因素，如忽視該因素，可能造成嚴重的后果[1-4]，其中預測流致振動問題引起的管道疲勞失效是研究的難點[1,5]。

本文圍繞海底管道內流激振力引起的流致振動問題，從海底管道內流流致振動的類別、理論模型、數值模擬和實驗研究等方面對兩相流管道系統中的流致振動研究進展進行綜述，分析研究中存在的問題及不足，并給出下一步研究建議。

1 理論模型

在兩相流作用下管道的流致振動模型研究方面，國內外學者從FIV的成因和適用管道對象方面開展工作并提出了多個模型。由于管道內流流致振動多是由于內部段塞流誘發，部分學者基于流致振動的成因，提出了一系列段塞流模型，預測不同段塞流下管道流致振動的特征。李明 等[13]對立管系統嚴重段塞流的形成周期進行分析(圖1)，發展了幾種典型的嚴重段塞流預測模型，建立了描述混輸立管系統內部周期性流動的瞬態流動模型。Tay等[14-16]研究了兩相段塞流中液體黏度、表面張力等物性參數對管彎水動力學參數的影響，提出活塞流模型(PFM)，預測了段塞流作用于水平管彎的應力情況。王琳[17]基于改進的嚴重段塞流瞬態數學模型和平面剛架理論，建立了嚴重段塞流海洋立管耦合振動數學模型。Wang等[18]發展了一種新的三維非線性模型，研究了輸送內部流體的撓性管的渦激振動。與此同時，部分學者從流致振動的作用對象角度，研究不同種類管道在兩相流激振力作用下的動態響應特征并建立了相關模型，以預測管道的受力、損傷、傳熱等一系列特征。Cabrera-Miranda等[19]在斜管立管、垂直立管和混合立管系統段塞流特性研究的基礎上，開展了鋼質懶波型立管在段塞流激勵下的平面非線性振動研究，建立了有效張力、曲率、使用系數和疲勞損傷的頻率響應曲線。

圖1 立管系統嚴重段塞流形成周期示意圖[13]Fig .1 Schematic diagram of formation period of severe slug flow in riser system[13]

綜上可知，目前對FIV的成因和適用不同管道對象的模型研究仍十分有限，給出的模型多是針對小雷諾數、彈性管道的段塞流FIV的模型，對大氣液比、高流速的長柔性立管段塞流特性研究不足，段塞流誘導振動的基本物理規律有待進一步研究。此外，現有模型多是針對平面內的流致振動，而海洋立管在內流和外流共同作用下的振動存在三維效應，需要進一步研究。

2 數值模擬

管內多相流引發的流致振動過程較為復雜，采用數值模擬方法可以對不同流致振動過程進行分析，研究不同段塞流引發的管道受力情況或者不同激振力作用不同海底管道的響應情況；同時可以進一步考慮實際情況影響，研究管道受內外流動共同作用下的流致振動情況。

準確模擬管內段塞流特性是進行內流FIV分析的基礎，一些學者采用不同的軟件工具分析了不同工況下的段塞流動特性。程兵 等[20]采用OLGA軟件模擬了管道流動狀況，對段塞流最嚴重年份采用節流法、氣舉法以及節流和氣舉結合法等進行了模擬，研究了管徑與段塞流的關系。Candelier等[21]采用多相流模擬軟件(OGLA、LedaFlow)，研究了西非深海油田的段塞流、壓力、溫度等參數，并與實測數據進行了對比，結果表明兩者在非混合生產工況下吻合較好。Ortega等[22-23]利用一套彈塞流動力學計算程序和一套結構動力響應計算程序，研究了內部段塞流和波載荷對柔性立管動力學特性的影響。Chica等[24-25]使用有限元求解器(Abaqus)和計算流體力學求解器(Star CCM+)，通過雙向耦合模擬，研究了跨接管結構的兩相流動態壓力響應。劉昶[26]模擬研究了立管幾何尺寸對嚴重段塞流參數的影響，分析了立管系統在不同支撐方式下的固有頻率，得到了嚴重段塞流下立管的動力響應特性。

流體的流動特性，尤其是段塞流動特性在一定情況下會轉化為作用在管道本體上激振力，部分學者進一步研究了激振力作用下的管道受力響應情況。Mohmmed等[27]給出了一種基于文檔耦合技術的求解流體-固體相互作用的模擬方法(圖2)，其中計算流體力學軟件Star-CCM+負責內部流場的求解，有限元分析軟件Abaqus負責求解固體結構響應。楊凡[28]利用雙向流固耦合方法，建立了較大雷諾數條件下流體橫掠的單管和3管的有限元模型，研究了不同來流速度下管道系統的響應特性。梁超[29]采用Comsol軟件對處于海洋流域中輸送氣液兩相流的S型管道進行模擬，分析了流動參數與管道失穩振動特性之間的響應關系。Jiang等[30]采用數值方法研究了浸沒在剪切交叉流中的壓緊輸液立管的非平面振動和多模態響應，在雙流固耦合系統中發現了鎖存狀態、八字形軌跡，同時當橫流剪切參數較大時，立管出現準周期振蕩現象。李非凡、韓冰[31-32]在浸入邊界法基礎上開發了并行計算程序Cgles IBM，分別對空管、僅考慮恒定內流、通有恒定內流并疊加振蕩內流等3種情況下的低質量比柔性立管進行了兩自由度渦激振動數值模擬研究。

圖2 基于文檔的耦合技術原理圖[27]Fig .2 Schematic of file-based coupling technique[27]

考慮貼近實際工況，部分學者將管道內部段塞流和外部剪切流對管道的影響耦合考慮。Lu等[33]提出了一種多物理場的研究方法，考慮水下跨接管(圖3)在渦激和流致振動共同作用下的耦合振動響應，并進行了全尺度雙向流固耦合分析，發現段塞流會引發較大的壓力波動，其在海底跨接管的振動響應和潛在的疲勞破壞中起主導作用。Duan等[34]采用數值方法研究了亞臨界狀態下，外流作用下立管的內流情況，發現立管平面流和橫掠立管流的主導模態隨內流速的增大而顯著增大。此外，Duan等[35]還進一步研究了亞臨界和超臨界2種內流條件下，輸液管在渦激振動作用下的三維動力學行為，發現在亞臨界區內流速不變的情況下，隨著外流速的增大，峰值振幅先增大后減小，并伴隨振幅的跳躍。

圖3 水下跨接管的整體結構[33]Fig .3 Overall configuration of subsea jumper[33]

可見，采用流固耦合方法模擬海底管道的流致振動過程能夠更加接近實際情況，研究結論對工程應用具有一定指導意義。但海底管道通常受內部氣液段塞流和外部剪切流的共同作用，其流體質量的不均勻分布、內段塞流沿長度的壓力波動、剪切流型與結構幾何的非線性疊加等因素非常復雜，導致海底管道內外流共同作用下的耦合響應研究仍處于起步階段，到目前為止針對此問題的研究較少。同時，管道流致振動具有局部不均勻性，因此建議模擬時可關注局部的振動響應特征，采用海底管道系統與管道局部仿真相結合的方法，實現對管道內部兩相流激振力作用的流場模擬，從而增強模擬結果的系統性，并提高局部結構流場模擬的準確性。此外，基于CFD的大尺度氣液兩相流三維數值模擬的計算效率很低，其模型和方法還需優化。

3 實驗研究

目前對管內多相流的流致振動實驗研究主要集中在兩方面，一是研究多相流流動特性及其對管道和管道局部構件的沖擊影響，二是研究段塞流作用下的管道振動響應特性。

在管內多相流流動特性及其對管道沖擊振動的研究方面，王琳[17]、劉昶[26]搭建了海洋立管兩相流實驗裝置(圖4)，研究了立管系統中流體的流動特性，分析了流體壓力波動特征及其對立管的振動特性的影響。

圖4 海洋立管兩相流實驗裝置[26]Fig .4 Experimental device for two phase flow in offshore riser[26]

Gama等[36]實驗測量了氣液兩相流的體積分數及表面速度對U型管和L型管彎折處振動加速度的影響，發現管道振動加速度隨流速的增大而增大，且隨氣相體積分數的增加，其在彎折處的加速度峰值更加明顯，并提出一種通過測量管道振動的固有頻率來確定管道氣液相體積分數的方法。AL-Hashimy等[37]實驗發現段塞流速度是影響管道振動位移的關鍵參數，隨著速度的增加管道振動位移增大。Wang等[38]實驗研究了段塞流作用下水平管道的動力學行為，發現其振動位移受段塞流速度的影響，并分析了流固相互作用和段塞特性對系統動力學的累積效應。彭明 等[39]在混合立管系統的模擬裝置上利用幾何相似原理，根據某深水混合立管結構尺寸設計了混合立管系統嚴重段塞流試驗裝置(圖5)，研究了混合立管系統嚴重段塞流的流動特性。王琳 等[40]基于氣液兩相流立管系統的模態分析和氣液兩相流流動特性試驗，發現氣液兩相流和彈性基礎對立管系統的固有頻率和振型有顯著影響。Carvalho等[41]提出了一種基于流動誘導振動的液氣流型分類算法，利用垂直輸送液氣兩相流的振動信號來確定流型，并研制了實驗裝置和實驗程序。

圖5 混合立管系統嚴重段塞流試驗裝置[39]Fig .5 Severe slug flow test apparatus for mixed riser system[39]

相較于對海洋立管系統的整體研究，部分學者研究了多相內流對管道局部構件的沖擊和振動的影響。Tay等[14-16]實驗研究了段塞流對水平環道中彎頭的作用力，分析了流體黏度對彎頭沖擊力的影響。李乃良 等[42]實驗研究了采取節流操作時，管道內流型由嚴重段塞流向彈狀流和泡狀流轉變的現象及其轉變特性。Joyce等[43]研究了氣液兩相流對三通的作用力，認為兩相流脈動沖擊力頻率比管道結構固有頻率低很多，引起的激發作用在實際工程中危害不大。Bamidele等[44]對含孔板水平管道結構的兩相流激振進行了實驗研究(圖6)，詳細評價了兩相流流型、兩相流空隙率、孔板面積比等對振動響應的影響。發現在間歇流型下，結構的動態振動響應隨液質流量和上游空隙率的增大而增大，并在此基礎上建立了水平和垂直動力響應的流型圖，用于評估有流量限制管道結構的動力響應。

圖6 含孔板水平管道結構的兩相流激振實驗裝置[44]Fig .6 Experimental device for two-phase flow induced vibration of horizontal pipe with orifice plate[44]

段塞流作用會對管道本體造成沖擊，但管道是否出現振動損傷還取決管道本體或局部構件的響應特性。由此，部分學者研究了流體段塞特性和管道振動響應特性關系。Seyed-Aghazadeh等[45-48]分別研究了長徑比為73、95.7、350和1 750的柔性立管的振動響應特征，發現柔性立管的響應具有多模態特征，相鄰模態與行波之間的頻率間隔較小。Hara等[49]研究了水平直管中氣、水兩相FIV的激發機理，發現當管道固有頻率與彈塞頻率之比為1/2、1和3/2時，振動響應較為強烈，且密度、壓力波動和速度等兩相流特性參數對管道振動有很大影響。Zhu等[50-54]搭建了長徑比為158的自由懸掛柔性立管實驗系統(圖7)，研究了立管內部段塞流單獨作用及其與外部剪切流同時作用下的FIV現象，認為振動響應主要發生在柔性立管的曲率面上，且平面內2個方向上的響應相互依賴，最大響應幅值發生在最長的液體段塞通過立管時，而內部和外部渦激振動的貢獻取決于相位差和水深。

圖7 長徑比為158的自由懸掛柔性立管實驗系統[51]Fig .7 Experimental system of free hanging flexible riser with length diameter ratio of 158[51]

綜上所述，針對不同管道類型、管道結構、內流流速等，國內外學者已經開展了一定的實驗研究工作。但現有研究中，關于管道內流流體的表面張力及黏度對流型及流致振動影響的實驗還很少。同時在實際生產中，流致振動作用于管道一定時間后，會對管道產生一定的疲勞損害，但現有的實驗通常只是研究短時間內的振動響應特點。因此管道內流流致振動引發的管道疲勞破壞演化過程及規律還有待研究。而為了更好地研究兩相流動力學引起的激振力，需要將回路中的結構振動影響降到最低。目前，通過實驗結果發現，段塞流或者流向轉變，即局部彎頭、三通等位置的流場對管道的沖擊作用更為顯著，需要進一步通過建立數據庫系統分析并驗證經驗公式、半經驗公式以及數值模型的準確性，進而優化數學模型，提高數值模擬計算精度。

4 下一步研究建議

1) 理論模型方面，目前對FIV的成因和適用不同管道對象的模型研究仍十分有限，后續建議對大氣液比、高流速的長柔性立管段塞流特性開展研究，明確段塞流誘導振動的機理，適當考慮立管振動的三維效應。

2) 數值模擬方面，采用內外流耦合的模擬能夠更好地考慮實際情況，但模擬中非線性因素疊加導致計算復雜，可以考慮模擬時采用海底管道系統與管道局部仿真相結合的方法實現管道內部兩相流激振力作用的流場模擬，提高模擬的準確性，同時進一步發展快速高效的三維計算方法，提高模擬效率。

3) 實驗研究方面，流體物性對流致振動影響的研究還很少，管道內流流致振動引發的管道疲勞破壞演化過程及規律還有待進一步研究。此外，為了更好地研究兩相流流動引起的激振力，需要將回路中的結構振動影響盡可能降低。