[發明專利]內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段振動特性分析方法

有效

• 申請號: 201710127529.3
• 申請日: 2017-03-06
• 公開（公告）號: CN106934138B
• 公開（公告）日: 2019-12-13
• 發明（設計）人: 安晨;厲曈曈;李方遒;段夢蘭;蘇健
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(北京)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 11245 北京紀凱知識產權代理有限公司
• 代理人: 徐寧;關暢

本發明涉及一種內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段振動特性分析方法，包括步驟：1)建立內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段橫流向振動分析模型：2)判斷海底管道懸跨段的邊界條件；如果海底管道懸跨段模型兩端視為簡支，進行步驟3)；如果海底管道懸跨段視為位于彈性地基上且具有軸向速度的非均勻物體，進行步驟4)；3)基于內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段橫流向振動分析模型，計算內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段的振動響應，進行步驟5)；4)改寫內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段橫流向振動分析模型控制方程，計算內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段的振動響應；5)分析內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段的振動響應。

技術領域

本發明涉及一種海底管道懸跨段的振動研究方法，尤其涉及一種內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段振動特性分析方法。

背景技術

隨著科學技術的不斷發展與進步，人類對海洋油氣資源認知水平的不斷提高，海洋油氣勘探開發范圍已由淺海延伸到深海甚至超深海。在海洋石油、天然氣勘探開發中，油氣集輸問題一直是世界石油工業與海上油氣田開發研究的熱點與重要課題之一，而海底油氣輸送管道是海洋石油與天然氣工業中比較重要的組成部分。海底油氣輸送管道連接海底油氣田與海洋平臺以及輸送系統，由于海底油氣輸送管道的存在，使海洋油氣集輸系統與油氣儲運系統緊密連接，也使得整個海上油氣田能夠與陸上石油工業緊密結合。

為了使海底管線在安裝和運營期間有更高的可靠度，必須盡量減少可能引起破壞的危害因素。但由于海底管道所處的位置特殊，長期受到海流的沖刷、淘蝕作用，另外因海底表面地形不平整，不可避免地造成了海底管道懸跨段的存在。而懸跨段的出現改變了管線所承受的荷載形式和應力狀態，海底管道的很多破壞是由懸跨段引起的。尤其是海水在海流運動作用下流經懸跨段時，常伴隨著周期性的漩渦脫落，引發懸跨管段的周期性振動，這種由漩渦脫落激發的周期性振動稱為渦激振動。研究表明，海底管道懸跨段產生的渦激振動是管道失效破壞的最重要原因；同時，在管內介質流經撓曲的管道時，也會引起管道的附加振動。事實上，當有內流存在時，管道的固有頻率將會降低，這使得管道對更低頻率的振動將產生響應，對管道的疲勞壽命也有較大的影響。

當前，單相流體管道的振動問題已得到廣泛研究，多相混輸管道的研究則較少，主要是由于相對于單相輸流管道，多相介質的存在使得各相的流動特性難以預測，且相與相之間存在分界面，多相流的流動不穩定。多相流動的不穩定性與管道振動之間的相互作用在很大程度上改變了管道系統的動力學特性。由于流體介質各相的流速和持液率在時間和空間上分布不均勻，流動狀態與各參數時刻改變，致使多相流動引起的振動問題極其復雜。其中，當管道內的多相流為氣液兩相流時，氣相和液相的密度、速度等參數也存在較大差異。對于氣液兩相流誘發振動的問題，現有理論多集中于換熱器中氣液兩相流橫掠管束的振動研究，而針對內流內輸氣液兩相流海底管道的振動研究相對甚少。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段振動特性分析方法，結合海底輸液管道懸跨段振動方程和尾流振子模型，考慮管內介質以及海流共同影響，分析海底管道懸跨段的振動響應，彌補現有研究的不足，可以作為海底管道結構設計及疲勞分析等的基礎。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段振動特性分析方法，包括以下步驟：

1)建立內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段橫流向振動分析模型：

其中，m_e＝C_Mρ_eD²/4；Ω_f＝2πStU/D；q＝2C_L(x,t)/C_L0