两相流引起的管道疲劳敏感性研究

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01、研究背景
气体和液体在管道中一起流动时，两相交界面会出现各种不同的形式，段塞流很可能是其中最复杂的一种。段塞流的主要特征是其固有的间歇性。观察者沿着管道轴线，观察某一固定位置时，会看到一串含有分散气泡的液体段塞通过，每个段塞看起来有点像一段气泡状的管道流与带有长气泡的分离流交替出现。

管道中段塞产生的疲劳取决于管道结构、段塞密度、速度和长度。

该研究项目，评估了上述主要参数对管道振动水平的影响，预测了管道疲劳与管道结构、段塞密度、速度和长度的相关性。

02、海底管线系统
此研究项目基于已投产使用的10”海底管道结构，该管道系统长约80m，为三维结构，并与立管塔相连。采用梁单元对管道系统进行建模，系统两端认为是完全夹紧的。

首先，对管道系统进行模态分析。由于结构无支撑长度和质量，一阶固有频率非常低 (<1Hz)，第一个振动周期为7秒。

图1 海底管线系统

工艺数据基于测量数据库，空腔长度可以在3m到91m之间变化（比管道系统更长）。

经初步计算，确定了不同情况下的最大位移和应力值。这些最大值始终出现在相同的位置。因此，仅针对这些位置进行应力和位移曲线后处理。

图2 两种不同情况的最大值位置

然后将最大值区域中的应力用于疲劳分析。疲劳数据取自DNV RP C20。目的是对不同工况进行定性评估，而不是精确的定量评估。损伤表示为D=1/N，N 为预期失效之前的循环次数。

03、结果分析
根据选定的工艺条件进行计算， 对最高速度和不同段塞尺寸下的位移和应力进行后处理。

图3 不同空腔尺寸的最大位移随时间的变化

图4 不同空腔的最大应力

这些结果表明，最长的段塞不会产生最坏的情况，这句话在三个方向都适用。73m段塞产生的位移水平最高。根据应力图，很难估计哪种结构最差，需要进行更详细的分析，以评估段塞流对管线造成的损坏。

应力图表明，当段塞长度足够长时，会发生静力平衡。该静态位置对应于充满气体的管道系统。然后，在每个不同的工艺条件下计算损伤。

图5 总损伤结果矩阵（针对不同速度和大小）

气泡长度、速度和管道几何形状之间存在耦合。为了进一步理解这种现象，有必要对这些曲线进行更详细的分析。

图6 损伤演变与段塞长度 (V=6.76m/s)

段塞长度为73m时，计算得出的损伤值最高，需要分析为什么这一长度会在管线上产生最大损伤值。

左边的数字表示气泡长度为73米时的破坏情况，右边的图展示了同样情况下的应力结果。它们显示了每种振荡对总损伤计算的影响。

图7 损伤-计算的损伤为73m

对应力结果进行分析，以确定应力振荡的原因，主要振荡（绿色）是由于充满液体的管道和内部有段塞的管道之间的重量差造成的，对应82%的损伤贡献。相比之下，对于67m的段塞长度，管线的静态特性对损伤的贡献率为88%，而对于79m的段塞长度，静态特性对损伤的贡献率为87%。

其他振荡（蓝色）是由于段塞动力产生的结构模态响应引起的。振动周期等于7.2s，对应于0.14hz处的一阶管道模态。

Y方向的位移对管线的最高应力水平有很大的影响。因此，对D点计算的最大位移进行了分析。

图8 D点的位移

振动周期 (T ) 为7.2 s，对应管道系统的一阶固有频率。由于段塞产生的动态力，管道系统在一阶模态振动。Ts 为弯头处段塞进入到离开的时间，它可以根据段塞特性来估计。Ts 等于10.8 s，大约是振动周期的1.5倍。

在这种情况下，段塞的进出会引起动态力的变化，这种变化的相位角是最不利的。因此，气泡的进入和离开处会加剧振动。

最高振动和应力水平，是由于结构的振动响应与施加于结构的动态激励之间的不利相位角引起的。

04、结论
上述研究结果表明：

  · 在最小的段塞长度以上，可以达到静态平衡。对于超过此最小长度的段塞，管道会在新的平衡点附近振动，直到液体充满管道为止。

  · 损伤计算表明，在新的平衡点附近的振动对结构的损伤比充满液体的管道振动要小。

  · 最重要的新发现表明，最大疲劳强度随段塞速度、长度和管道结构（弯头位置、无支撑管道的长度、3D布线）而非线性变化。这主要是由于段塞通过后，液体产生的力，与段塞入口处产生的管道振动同相。这一点很重要，因为到目前为止，段塞疲劳计算是基于平均段塞参数进行的，现在认为这些参数并不可靠。

  · 本文中展现的新的计算方法的新颖之处，在于它能够准确预测海底管线的疲劳程度。表明了平均段塞的现有计算方法并不一定会产生最坏情况，以及必须考虑整个管道系统寿命期内预计存在的所有段塞。

来源：管道振动技术微信公众号，作者：懿朵科技。