水下跨接管的外部绕流及振动分析
胡飚1, 朱宏武1, 丁矿2, 吕慧琴1, 张悠江1, 徐芳玲1    
1. 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院;
2. 中国石油物资公司
摘要: 以垂直式M形刚性跨接管为研究对象,通过Solidworks软件建立了跨接管的三维模型,并将模型导入ABAQUS中进行模态分析,得到了跨接管各阶模态的固有频率,然后通过Fluent软件分析了不同海水来流速度下跨接管表面的涡脱频率。分析结果表明,当海水流速在0.1~0.4 m/s范围内时,跨接管尾流区的涡脱频率与海水流速呈线性关系,其固有频率超出了涡脱频率的范围,不会因涡脱而产生共振现象。研究结果可为水下油气安全生产及输送提供指导。
关键词: 水下跨接管    模态分析    涡脱频率    共振分析    外部绕流    Fluent    
Analysis on Exterior Circumferential Flow and Vibration of Subsea Jumper
Hu Biao1, Zhu Hongwu1, Ding Kuang2, Lü Huiqin1, Zhang Youjiang1, Xu Fangling1    
1. College of Mechanical and Transportation Engineering,China University of Petroleum (Beijing);
2. CNPC Materials Company
Abstract: By taking vertical M-type rigid jumper as the research object,a 3D model of the jumper is built by using Solidworks software,and it is imported into ABAQUS finite element software to conduct modal analysis in order to obtain inherent frequency of the jumper in various modes.Then,vortex shedding frequency of the jumper surface is analyzed under different seawater flow rates by using Fluent software.Analysis results show that,the vortex shedding frequency of jumper in wake zone is subject to linear relationship with seawater flow rate of 0.1 to 0.4 m/s,the inherent frequency exceeds the range of vortex shedding frequency and no resonance vibration is caused by the vortex shedding.
Key words: subsea jumper    modal analysis    vortex shedding frequency    resonance vibration analysis    exterior circumferential flow    Fluent software    

0 引 言

跨接管是水下生产系统的重要组成部分之一,起着连接水下采油树、管汇及处理中心的作用[1]。根据刚柔性可以分为刚性跨接管和柔性跨接管[2],根据安装方式可以分为垂直式跨接管和水平式跨接管[3]。常见的垂直式刚性跨接管有U形和M形2种。

在水下油气生产过程中,海水流过跨接管表面时,会在尾流区产生周期性变化的脉动涡漩。若涡漩的脱落频率与跨接管的固有频率相同或相近,就可能产生共振现象,这就是涡激振动[4]。涡激振动可能会导致管道的疲劳损伤甚至失效。

近年来,国内外对海洋立管和隔水管等长跨度管线的涡激振动分析较多[5, 6, 7],但对跨接管的研究鲜有报道。笔者以垂直式M形跨接管为研究对象,基于ABAQUS和Fluent软件,对水下跨接管线发生涡激振动的可能性进行分析,以期为水下油气安全生产及输送提供指导。

1 几何模型及模态分布

M形跨接管几何模型见图1。管道内径125 mm,外径D=172 mm,特征长度11 m,高度3 m。

图1 跨接管几何模型 Fig.1 Geo metry of jumper

假设跨接管安装在水下1 000 m处,其对应参数为[8]:壁厚23.5 mm,弹性模量210 GPa,密度7 850 kg/m3,海水密度ρ1=1 025 kg/m3、动力黏度1.2 mPa·s、流速0.1~0.4 m/s。当海水流速为0.4 m/s时,雷诺数为:

Re小于3×105,处于典型的亚临界雷诺数区域。

用Solidworks软件建立跨接管的三维模型,并将模型导入ABAQUS软件,定义其材料属性。由于跨接管两端与接头相连,故在两端施加固定约束。选用C3D8R六面体缩减积分单元为模型划分网格,结果如图2所示。整个分析过程基于线性摄动分析步,选用Lanczos方法进行迭代[9]

图2 跨接管网格模型 Fig.2 Mesh model of jumper

基于ABAQUS软件的跨接管前4阶振型(变形放大1 000倍)如图3所示。

图3 跨接管的前4阶振型 Fig.3 The first four orders vibration mode diagram of jumper

提取跨接管前4阶固有频率,如表1所示。

表1 跨接管振动模态对应频率 Table 1 Frequency of jumper vibration mode
模态特征值固有频率/Hz
1366.143.045 4
21 676.56.516 5
32 013.17.140 9
43 665.79.636 0
2 绕流分析

为得到海水流过跨接管表面时产生的涡脱频率,使用Fluent软件对三维跨接管进行绕流分析,在计算过程中选用RNG κ-ε湍流模型,对近壁区域选用增强型壁面处理[10, 11]

2.1 计算域模型

流体域的计算模型见图4,模型长15 m、宽5 m、高7 m。该计算域的网格划分结果见图5。为获取边界层区域的流动特征,对近壁区域的网格进行加密,网格数约820万。计算使用的边界条件为速度入口和压力出口,计算域上、下、左、右4个面均设置为对称边界,跨接管与海水接触的外表面粗糙度设置为0的无滑移壁面。由图6可见,海流在跨接管迎流面出现驻点及低速区;在跨接管上、下两侧速度升高、压力减小;在跨接管背流面速度升高、压力增大,发生了明显的流动分离现象。在尾流区域,漩涡呈周期性的上、下交替脱落。在达到管段50倍直径距离的区域,漩涡才逐渐消失,符合亚临界雷诺数下圆柱绕流的流态变化规律[9]

图4 圆柱绕流分析计算域模型 Fig.4 Model of analytical calculation domain for flow around circular cylinder
图5 圆柱绕流分析计算域网格划分 Fig.5 Meshing of analytical calculation domain for flow around circular cylinder
2.2 计算结果

计算得到不同海水来流速度下跨接管中心截面对应的绕流速度场如图6所示。

图6 跨接管中心截面处绕流速度场云图 Fig.6 Flow velocity field nephogram of jumper center section

在计算过程中,监控跨接管表面的升力系数(Cl)和阻力系数(Cd)随时间的变化。以海流速度0.4 m/s工况为例,得到升力系数和阻力系数变化曲线,如图7图8所示。

图7 升力系数随时间变化曲线 Fig.7 Lift coefficient-time curve
图8 阻力系数随时间变化曲线 Fig.8 Resistance coefficient-time curve

对升力系数曲线做快速傅里叶变换,得到能量谱密度与频率的关系曲线,如图9所示。

图9可知,当频率为0.615 Hz时对应的能量谱密度值最大,即在海流速度0.4 m/s的情况下,涡脱频率为0.615 Hz。采用同样的方法,对其他流速下的绕流分析进行快速傅里叶变换,得到对应的涡脱频率,如表2所示。

图9 能量谱密度随频率变化曲线 Fig.9 Energy spectral density-frequency curve
表2 不同海水流速下的涡脱频率 Table 2 Vortex shedding frequency under different seawater flow rates
海水流速/(m·s-1)0.100.150.200.250.300.350.40
涡脱频率/Hz0.1440.2220.2970.3790.4550.5360.615

表2中数据进行处理,得到海水流速和涡脱频率关系曲线,见图10。从图可见,海水流速在0.1~0.4 m/s范围内,涡脱频率随着流速的升高而增大,最大频率达到0.615 Hz。结合ABAQUS软件计算出的跨接管固有频率,其1阶振型所对应的固有频率为3.045 4 Hz,其他振型对应的固有频率均高于此。显然,跨接管的固有频率超出了涡脱频率的范围,水下跨接管理论上不会因涡脱而产生共振现象。

图10 海水流速与涡脱频率关系曲线 Fig.10 Curve of relation between seawater flow rate and vortex shedding frequency
3 结 论

(1)通过ABAQUS有限元软件得到了水下跨接管前4阶模态下的振型及固有频率,其中1阶模态所对应的固有频率为3.045 4 Hz。

(2)当海水流速在0.1~0.4 m/s范围内时,跨接管尾流区的涡脱频率与海水流速呈线性关系,其固有频率超出了涡脱频率的范围,不会因涡脱而产生共振现象。

参考文献
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文章信息

胡飚, 朱宏武, 丁矿, 吕慧琴, 张悠江, 徐芳玲
Hu Biao, Zhu Hongwu, Ding Kuang, Lü Huiqin, Zhang Youjiang, Xu Fangling
水下跨接管的外部绕流及振动分析
Analysis on Exterior Circumferential Flow and Vibration of Subsea Jumper
石油机械, 2016, 44(04): 42-45
China Petroleum Machinery, 2016, 44(04): 42-45.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2016.04.009

文章历史

收稿日期: 2015-10-12

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