0 引 言

海洋立管是海洋石油开采中的关键设备，它负责连接海底井口或海底集输管道与海上平台，同时也是海上石油开采系统中最薄弱的环节，其外部承受洋流、波浪的冲刷载荷，内部输送高压气液。在如此复杂的外力作用下，考察立管的动态响应以保证立管的安全运行显得尤为重要。

学者们针对立管系统内比较容易产生的强烈段塞流进行了大量的试验研究^{[1, 2, 3, 4, 5]}，研究主要集中在强烈段塞流的归类、产生机理、压力波动、流动周期、出口含气率和出口速度等特性参数的变化规律，不同立管结构对强烈段塞流特性的影响以及强烈段塞流的消除方法上。这些试验中的气液折算速度大都小于1 m/s，在试验中观测到的流型主要分为3类：强烈段塞流、过渡流和稳定流。

针对管道中流型识别大多基于肉眼观察和压力压差信号的时域特征分析，缺乏更为客观的识别方法的状况，李乃良等^[6]研究了集输-S型柔性立管内压差信号的时域特征和频域特征后发现，单凭压差波动信号难以区分不同类别的强烈段塞流，而压差信号的PSD特征可以做到。周云龙等^[7]利用压差信号的时域特征结合频域特征也客观地判别了倾斜下降管内流型。肖荣鸽等^[8]对水平管道中段塞流压力信号和压差信号的PSD特征进行比较发现，段塞流的压差功率谱密度分布与压力功率谱密度分布相似，压力功率谱的幅值大于压差功率谱的幅值。

在以往对立管振动的研究中，学者们着重于对管外涡激影响的研究，内流的影响通常被忽略。随着研究的深入，内流对立管动力特性的影响引起了学者们的关注^[9]。S.Chucheepsakul等^[10]分析了内部流动流体和静位移对立管动力特性的影响，结果表明立管频率随着内流流速的增加和静位移的增加而降低。王法利^[11]通过试验方法、Li Xiaomin等^[12]通过建立求解顶张力立管系统的数学模型，同样得出了内流的存在会降低海洋立管的振动频率的结论。马粤^[13]通过Ansys的流固耦合模块求解分析海洋立管在内、外流共同作用下结构的振动特性发现，内部流动使立管中部的振幅逐渐减小并稳定，且激发出了更高阶模态的振动。

为了获取立管系统中可能出现的更多流型，分析各流型压力信号的时域和频域特征以及立管振动特性，建立了室内试验装置以模拟海洋立管系统。

试验装置见图1。测试段管道底部为固定支撑，顶部为简支支撑。位移传感器有效行程10~100 mm，独立线性精度0.10%，无限分辨解析度，设置在立管正下方。压力变送器测量范围0.0~0.5 MPa，精度0.1级，设置在立管底部。

图1 试验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram for testing apparatus 1—压缩机；2—水泵；3—缓冲罐；4—气体流量计；5—液体流量计；6—气液混合器；7—下倾段；8—位移传感器；9—压力传感器；10—立管段；11—水箱。

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试验时，调节缓冲罐后的节流阀使气量较小，调节水泵变频装置使水流量从0.48 m³/h递增到12.00 m³/h，记录出现的每种流型的气液流量并测量立管底部的压力和位移，增大气体流量进行下一组试验，气体流量范围0.15~31.86 m³/h。

试验中一共观察到7种流型：强烈段塞流Ⅰ(SSⅠ)、强烈段塞流Ⅱ(SSⅡ)、强烈段塞流Ⅲ(SSⅢ)、稳定气泡流、乳沫流、波动气泡流和水力段塞流。以气相折算速度为横坐标、液相折算速度为纵坐标绘制流型图，如图2所示。

图2 下倾管立管系统流型图 Fig.2 Flow pattern map of lower inclined pipe- riser system

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强烈段塞流Ⅰ发生时的气液流量都处于较低的水平，此时下倾管内一直保持分层流，液塞间歇性堵管，使气体在下倾管内累积，当气体压力超过立管内液体的静压力时气体进入立管与液体一起喷发，形成的气泡在上升过程中不断膨胀，推动液体加速喷出。喷发结束后，少量液体回落，造成堵管，流动进入下一周期。

强烈段塞流Ⅱ时，由于气体流速提高，气体空间压力的增长速度大于立管中液体静压的增长速度，气体连续不断地进入立管，形成含有大量气泡的液塞，此时立管内的流型为气泡流或块状流，管道出口处气相不再出现断流且依然发生气液喷发回落现象。

强烈段塞流Ⅲ时，液体对气体的携带作用增强，下倾管中的气体一直被带入立管，气体进入立管的流量有明显的周期性。

在强烈段塞流Ⅲ的基础上继续增大液体流量，立管中出现稳定气泡流，此时下倾管中含气率非常小，气液分层流动，少量的气体与液体一起进入立管并稳定地流出。

继续增大液体流量，下倾管中液体速度很高，导致气、液相间出现滑脱，气体在下倾段的累积量没有显著的规律，立管中大气泡与小气泡夹杂上升，整体呈现带有波动的气泡流。

乳沫流的液体流量大于强烈段塞流Ⅱ，下倾管中为波浪流，立管中流动为乳沫状。

当气液流量很高时，下倾段由分层流转变为段塞流，液塞速度很快，对立管的冲击强烈。

目前，对立管中的流型识别方法主要基于肉眼观察和压力或压力信号的时域分析，压力信号客观地反映了与流型有关的信息。而对于流动状态相近的流型，如稳定气泡流和乳沫流，两者压力时域信号比较相近，较难区分，需要对压力信号进行进一步的时域和频域统计分析。

选取典型的7种流型的气液流量如表1所示。

各流型压力波动时域信号如图3所示。

图3 各流型压力波动时域信号 Fig.3 Time domain signal of pressure fluctuation under different flow patterns

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各流型压力曲线特征如表2所示。

对比各流型的压力波动曲线可以发现，强烈段塞流Ⅰ、强烈段塞流Ⅲ和水力段塞流表现出很强的周期性，且强烈段塞流Ⅰ的周期远长于其他2种流型。在波动幅度上，强烈段塞流Ⅰ＞水力段塞流＞波动气泡流＞强烈段塞流Ⅲ＞强烈段塞流Ⅱ＞稳定气泡流和乳沫流。

强烈段塞流Ⅰ的压力曲线存在顶部水平段，下降段有压力的回升突变，分别由强烈段塞流4个阶段中的液塞出流和液体回落造成。

强烈段塞流Ⅲ和水力段塞流的压力曲线接近正弦状，强烈段塞流Ⅲ的波动幅度更加一致。水力段塞流的压力波动幅度不平稳，持续的大幅度波动后跟随一段时间的小幅度波动，2种波动周期接近。

强烈段塞流Ⅱ、稳定气泡流和乳沫流的压力波动均趋于一条直线，强烈段塞流Ⅱ的压力波动稍大于其他2种流型。

三者的波动平衡位置稳定气泡流＞乳沫流＞强烈段塞流Ⅱ，这是因为稳定气泡流时立管中的含气率最低，乳沫流次之，强烈段塞流Ⅱ最大，立管系统中液量越高产生的静压越大。

采用周期图法计算压力信号的功率谱密度。它是把随机序列x(n)的N个观测数据视为一能量有限的序列，直接计算x(n)的离散傅里叶变换，得出它在每一个频率上的谱值：

然后再取其幅值的平方，并除以N，作为序列x(n)真实功率谱的估计：

图4为各流型下压力波动信号的功率谱密度曲线。在强烈段塞流Ⅰ时 PSD信号幅值最大。这是因为该流型的周期较长，能量大部分集中在低于0.10 Hz的范围内，曲线呈3峰状。强烈段塞流Ⅲ的峰值频率延后出现，在0.13 Hz附近存在能量较大的单峰分布。段塞流在0.33和0.45 Hz附近存在一高一低双峰分布，且峰值相差较大。这种双峰分布说明流经测试段的流体存在2种有明显差异的流动结构，即液塞段和气弹段。

图4 各流型下压力波动信号PSD曲线 Fig.4 PSD curve of pressure fluctuation signal under different flow patterns

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与上述3种流型相比，波动气泡流能量分布范围更宽，在0 Hz后有持续的能量分布，并存在一个峰值，峰值也小于上述3种流型。

稳定气泡流、乳沫流和强烈段塞流Ⅱ的PSD曲线幅值极小，说明这3种流型的流动过程相对稳定。稳定气泡流能量集中在0.20 Hz以下。乳沫流比稳定气泡流扰动大，能量分布更宽，在0.05~0.30 Hz之间。强烈段塞流Ⅱ的波动稍大于前两者，有多个峰值相近的小峰出现。

表3为上述各流型的频谱统计特征。从表可见，各流型压力信号功率谱密度曲线之间存在较大差别，结合曲线形状和能量幅值能鉴别各个流型。

各流型下，设置在立管底部的位移传感器采集到的位移曲线如图5所示。图中，Y轴0处为立管中充满空气时的静止位置，负值表示位移方向向下。

图5 各流型下立管振动曲线 Fig.5 Riser vibration curve under different flow patterns

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从图5可以看出，强烈段塞流Ⅰ下，立管在垂向上的位移与流动的4个阶段有很好的对应关系：液塞生成阶段，立管的位置随着时间匀速下降，立管受到的作用力变化缓慢，可以视为准稳态过程；液塞出流阶段，立管基本静止，位移曲线接近1条直线；气液喷发阶段，位移曲线急剧下降；液体回落阶段，回落的液体在立管底部积聚成另一个小液塞，在气体压力的推动下再次喷发，对立管向下的作用力使得位移曲线产生向下的折返，随着回落液量的减小，喷发产生的反作用力也减小，立管位移小幅度的波动之后进入下一个周期。

稳定气泡流和乳沫流的流态更加平稳，立管的振动幅度也最小。

强烈段塞流Ⅲ和水力段塞流下的立管振动有一定的周期性，强烈段塞流Ⅲ的周期性更加明显。水力段塞流下的立管振动幅度更大，频率更高。

强烈段塞流Ⅱ和波动气泡流下，立管的振动曲线比较杂乱，立管振动的平衡位置分别为5.0和6.5 mm左右。

各流型下管道的振动幅度和振动频率见表4。

将表4与表3进行对比可知，强烈段塞流Ⅰ、强烈段塞流Ⅲ和水力段塞流下立管的振动频率特征与管内压力波动频率特征相同。波动气泡流和强烈段塞流Ⅱ的振动频率特征与管内压力波动频率特征相近。由此可知，立管在具有明显周期性的流动激励下，产生的振动频率特征与流动压力波动的频率特征相同；在周期性不明显的流动的激励下产生的振动频率特征与流动压力波动的频率特征相近。

为考察管内压力波动幅度对管道振动幅度的影响规律，将各流型压力波动幅度和对应立管振动幅度进行对比，结果见图6。

图6 各流型压力波动与管道振动对比图 Fig.6 Comparison of pressure fluctuation and riser vibration under different flow patterns

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由图可见，除去波动气泡流和强烈段塞流Ⅲ的其他5种流型，压力波动幅度与立管的振动幅度趋势相同，强烈段塞流Ⅲ比波动气泡流有明显的周期性，可确定压力波动幅度越大，立管的振动幅度越大；当压力波动幅度相近时，周期性明显的内部流动更容易激发大幅度的振动。

通过建立室内试验装置模拟海洋立管系统，对立管系统中可能出现的所有流型进行了识别，研究了各种流型压力波动信号的时域特征和频域特征及各流型下的立管振动信号特征，得出以下结论。

(1)可以通过立管底部压力信号结合压力信号的功率谱密度识别立管系统中的各个流型。

(2)当立管内流动呈现较强的周期性时，管道的振动频率与流动的压力波动频率特征相同。当流动周期性不明显时，管道的振动频率与流动的压力波动频率特征相近。

(3)立管的振动幅度受流动的压力波动幅度和流动的周期性影响，压力波动越大，管道振动幅度越大。当压力波动幅度相近时，周期性强的流动激发出的立管振动更强烈。在所有流型中，强烈段塞流Ⅰ、强烈段塞流Ⅲ和水力段塞流对立管的作用最显著，其中强烈段塞流Ⅰ下立管产生的位移最大，水力段塞流下立管的振动频率最高。