2. 西南石油大学机电工程学院
2. School of Mechanical Engineering, Southwest Petroleum University
0 引言
对天然气管道进行定期清理可以提高管输效率、降低管道压降、保障运输安全,清管是一项非常重要但也非常有风险的作业[1-2]。清管器收发球装置具有结构合理、工作性能可靠及安装简便等优点,因而被广泛应用于石油、化工等各类长输、集输管道的清管、除蜡和除垢等管线维护作业中[3-4]。但清管装置收、发球作业时振动剧烈,尤其是管道的连接部位、管道与配管的连接部位以及管道与支架的连接部位等处会发生损伤和松动等问题,对清管效率以及操作安全有严重影响。因此,对清管器发球装置振动特性的研究具有重要意义。
李熹等[5]通过对收、发球筒进行带压试验,对影响因素和内漏程度进行了试验分析,找出了清管系统快开盲板带压运行的主要原因,并提出了解决措施。石明俊等[6]自制了临时发球筒的快开结构、快关结构和密封结构,并对收球筒的整体结构进行了设计。庄晓芳[7]在西气东输和西南成品油等长输管道施工的基础上,探讨了山区大口径长输管道的清管和试压技术。韩传军等[8]利用Fluent软件对某输气站场收球装置内部流场进行研究,并分析了配管尺寸对流场特性的影响。杨喜良等[9]针对现有电子清管器厂家研制发射机-接收机方法的缺点,通过电磁发射理论计算和利用ANSYS软件仿真清管器发射机,得出清管器发射机发射频率和电压等工作参数。麻建军等[10]通过对清管工艺在天然气管道工程应用的分析,提出从管道和筒体上部连接,避免清管过程中携带的杂质和泥砂等堆积在收、发球筒体的两侧。倪姗姗等[11]基于各种外力作用下,对高压力、大口径天然气管道中间压气站的收、发球筒和进、出站截断阀在日常运行中容易出现位移的问题进行研究。陈雪静[12]对伊朗某油田外输管线发球筒进行了设计,确定了设计系数,考虑了酸性环境下材料的适用性,对筒体壁厚和开孔补强进行了计算。李永生等[13]对天然气输送管道清管作业的工艺流程、清管器的工作原理、清管器收发球筒的结构及功能等进行了研究。王世斌等[14]对清管器收、发球筒的设计进行研究,提出了无论采用压力容器还是压力管道工程设计规范设计清管器收发筒,均可减少人员成本和管理成本。但上述研究对收、发球装置在导流工况下和发球工况下引发的振动特性研究较少。
鉴于此,笔者采用有限元软件建立了清管器发球装置模型,对发球装置流固耦合(气固耦合和液固耦合)工况下的振动特性进行了研究,并分析了结构参数和流体参数对发球装置固有频率的影响规律,这对避免共振和管道强烈振动以及结构减振优化设计均具有重要意义。
1 计算模型 1.1 几何模型以某输气站场使用的P6.3 MPa DN800/DN700型清管器发球装置为例进行研究。该装置主要由发球筒、喉部(大小头)、快开盲板及快开盲板锁紧机构、密封件以及其他附属部件(旁通管、压力表、平衡管、放空管、阀门及连接法兰)等组成,如图 1所示。结构建模时,对法兰和阀门部件进行了简化处理,其流固耦合模型如图 2所示。小球筒外径718 mm、壁厚18 mm;主球筒外径840 mm、壁厚20 mm;小球筒长度1 500 mm,主球筒长度6 600 mm,大小头长度850 mm,旁通管公称直径400 mm,平衡管和放空管公称直径50 mm。
1.2 流固耦合数学模型
发球装置流固耦合振动仿真利用ANSYS Workbench-Fluent软件的多物理场求解器来完成。用Static Structure建立管道结构有限元模型,用CFD建立流体域的有限元模型,分别给管道结构和流体在流固交界面上添加相同的流固耦合标签,通过分别满足流体和固体耦合界面上的运动平衡方程和动力学平衡方程实现[15]。运动和动力平衡方程分别为:
(1) |
(2) |
式中:df、ds分别是流体和固体在耦合面上的位移,τf、τs分别是流体和固体在耦合面处的剪切应力。
根据动力学条件,在管道流固耦合界面上将流体的分布力积分为集中力并施加到结构节点上。该积分公式为:
(3) |
式中:hd为结构的节点位移;sf为液体应力;S为Lagrangian坐标系处理后的法向位移。
在流固耦合界面上都使用Lagrangian坐标系,且耦合界面上的位移、速度和加速度相同。流体方程和结构方程分别用
(4) |
(5) |
在大多数应用中,取α=1。t+Δt时刻的速度和加速度可分别采用位移未知量来表示,即有:
(6) |
(7) |
将这些方程应用到耦合系统中,最终得到时间积分格式为:
(8) |
(9) |
将流固耦合系统中的有限元方程表示为:
(10) |
式中:Xf、Xs分别表示定义在流体、结构节点上的解向量;Ff、Fs分别表示与Gf、Gs相应的有限元方程。
1.3 边界条件基于ANSYS Workbench-Fluent软件,对输送介质分别为天然气和液体时的发球装置进行流固耦合分析。分别在对应接触面设置耦合边界条件。当输送介质为天然气时,采用标况下密度为0.668 kg/m3、动力黏度为1.087×10-5 Pa·s的甲烷气体代替天然气;当输送介质为液体时,采用密度为890 kg/m3、动力黏度为9.8×10-3 Pa·s的原油。流体进口设为速度入口,入口速度为12 m/s,出口设为自由流动出口。入口端和出口端管道为零位移约束,旁通管支撑和球筒支撑为固定约束,放空管出口端通过地面与埋地管道连接,设置为固定约束。采用非结构化四面体单元自动划分各区域网格,发球装置有限元模型如图 3所示。管道材料为钢材,其材料属性和管内流体参数如表 1所示。
项目 | 密度/(kg·m-3) | 弹性模量/Pa | 泊松比 | 动力黏度/(Pa·s) |
管道 | 0.785×10-4 | 209 | 0.28 | |
天然气 | 0.668 | 1.087×10-5 | ||
石油 | 0.890×10-3 | 9.800×10-3 |
2 计算结果分析
为研究流体对发球装置固有频率的影响规律,分别对无耦合、气固耦合和液固耦合工况下固有频率进行计算。无耦合和气固耦合工况下发球装置前6阶模态振型如图 4所示。各种工况下发球装置的前15阶固有频率如表 2所示。由表 2可知:气固耦合时发球装置固有频率比液固耦合时要高,这主要是因为当输送介质为液体时,管道的附加质量比输送介质为气体时大;气固耦合时发球装置前3阶固有频率比空管时略小,液固耦合时发球装置前6阶固有频率比空管时小,其他阶固有频率则较大。这是因为当管内充满流体时,发球装置系统附加质量增加的同时管内流体也会对管道产生作用力,即对管道产生“拉直”效应,使管道的刚度增加,将对整个发球装置系统的固有频率产生影响。
阶数 | 固有频率/Hz | ||
无耦合 | 气固耦合 | 液固耦合 | |
1 | 20.301 | 20.258 | 19.284 |
2 | 24.030 | 23.482 | 22.311 |
3 | 26.591 | 26.262 | 24.952 |
4 | 41.398 | 42.496 | 40.380 |
5 | 48.438 | 48.777 | 46.345 |
6 | 48.935 | 49.955 | 47.475 |
7 | 60.676 | 65.348 | 62.093 |
8 | 70.217 | 70.377 | 66.868 |
9 | 74.462 | 74.718 | 70.992 |
10 | 77.460 | 81.784 | 77.708 |
11 | 86.681 | 93.367 | 88.715 |
12 | 92.257 | 103.460 | 98.301 |
13 | 95.890 | 105.890 | 100.190 |
14 | 101.380 | 108.890 | 103.460 |
15 | 104.500 | 119.380 | 113.430 |
由图 4可知:两种工况下,前4阶振型变化不大,第1、2阶模态振幅的最大值均出现在平衡管阀门及管段处;第3阶模态振幅的最大值均出现在放空管L弯管处;第4阶模态振幅的最大值均在放空管阀门上部管段及L弯管处以及旁通管U形管段;第5阶模态振幅的最大值均在放空管阀门及上部管段,但气固耦合工况下更大,其值约为6.10 mm;第6阶无耦合工况时模态振幅最大值在放空管阀门上部管段,其值约为5.20 mm,而气固耦合工况下模态振幅则在旁通U形管处,其值约为1.76 mm。表 3为各种工况下发球装置的前15阶总变形。由表 3可知,气固耦合工况下发球装置总变形量比液固耦合时大,但是与无耦合工况相比,流固耦合时各阶模态的总变形存在较大差异。
阶数 | 模态总变形/mm | ||
无耦合 | 气固耦合 | 液固耦合 | |
1 | 5.265 | 5.263 | 5.000 |
2 | 5.178 | 5.164 | 4.906 |
3 | 10.333 | 10.390 | 9.872 |
4 | 0.948 | 0.927 | 0.881 |
5 | 3.410 | 6.105 | 5.802 |
6 | 5.209 | 1.765 | 1.677 |
7 | 0.942 | 0.898 | 0.853 |
8 | 12.542 | 12.488 | 11.865 |
9 | 5.271 | 5.556 | 5.279 |
10 | 2.249 | 0.957 | 0.909 |
11 | 0.973 | 0.943 | 0.896 |
12 | 1.321 | 0.909 | 0.863 |
13 | 1.321 | 9.299 | 8.837 |
14 | 1.203 | 9.378 | 8.909 |
15 | 9.723 | 7.463 | 7.086 |
3 关键参数影响分析 3.1 球筒壁厚对发球装置固有频率的影响
在气固耦合和液固耦合工况下,当发球装置球筒壁厚分别为h1(15 mm,17 mm)、h2(18 mm,20 mm)、h3(21 mm,23 mm)、h4(24 mm,26 mm)和h5(27 mm,29 mm)时进行流固耦合分析。h(a,a′)中的a指小球筒壁厚,a′指相应的主球筒壁厚。两种耦合工况下发球装置前15阶固有频率随壁厚的变化曲线如图 5所示。由图 5可知:两种耦合工况下管道固有频率随壁厚的变化规律相似,均是随着模态阶数的增加,固有频率逐渐增大;随着壁厚的增加,固有频率增大,且气固耦合时的固有频率略大于液固耦合时的固有频率。
3.2 旁通管直径对发球装置固有频率的影响
两种耦合工况下发球装置前15阶固有频率随旁通管直径的变化曲线如图 6所示。由图 6可知:两种耦合工况下发球装置固有频率随旁通管直径d1的变化规律相似,即随着模态阶数增加,固有频率呈非线性增大;随着旁通管直径增大,前6阶固有频率几乎没有变化,6~9阶时,固有频率逐渐减小,但变化很小,9~15阶时,固有频率逐渐增大。
3.3 流速对发球装置固有频率的影响
两种耦合工况下发球装置前15阶固有频率随流速v的变化曲线如图 7所示。由图 7可知:两种耦合工况下的管道固有频率随流速的变化规律相似,即随着模态阶数的增加,固有频率增大;随着流速的增加,固有频率变化很小。
3.4 工作压力对发球装置固有频率的影响
两种耦合工况下发球装置前15阶固有频率随工作压力p的变化曲线如图 8所示。由图 8可知:工作压力对发球装置固有频率的影响与壁厚相似,发球装置的固有频率均是随着模态阶数的增大而逐渐增大;随着工作压力的增加,固有频率增大,但是前6阶固有频率的变化量很小,且气固耦合时的固有频率大于液固耦合。
4 结论
(1) 气固耦合工况时发球装置的固有频率比液固耦合时要高,且在流固耦合工况下,低阶模态对应的固有频率比无耦合工况时低,中高阶模态对应的固有频率比无耦合工况时高。
(2) 通过对前6阶振型分析,发现发球装置的平衡管法兰连接处、放空管法兰连接处与L弯管段以及旁通U形管位置振动剧烈,可为减振方案的研究提供依据。
(3) 壁厚、旁通管直径和工作压力对两种耦合工况下发球装置的固有频率影响较大,流速对其影响很小,且两种耦合工况下发球装置的固有频率变化规律相似。随着壁厚和工作压力的增加,固有频率增大;随着旁通管直径的增加,前6阶固有频率变化很小,但在6~15阶,固有频率先减小后增大。
[1] |
朱喜平. 天然气长输管道清管技术[J]. 石油工程建设, 2005, 31(3): 12-16. ZHU X P. Pigging technology of long distance natural gas pipeline[J]. Petroleum Engineering Construction, 2005, 31(3): 12-16. DOI:10.3969/j.issn.1001-2206.2005.03.004 |
[2] |
邱青原. 浅析天然气长输管道清管作业工艺[J]. 化工管理, 2013(9): 248. QIU Q Y. The analysis of pigging process of long distance natural gas pipeline[J]. Chemical Enterprise Management, 2013(9): 248. |
[3] |
陈建华, 张永兴, 李秀全, 等. 清管器发射和接收装置的设计及应用[J]. 石油矿场机械, 2009, 38(8): 82-84. CHEN J H, ZHANG Y X, LI X Q, et al. Design and application of pig-launcher and pig-receiver[J]. Oil Field Equipment, 2009, 38(8): 82-84. DOI:10.3969/j.issn.1001-3482.2009.08.022 |
[4] |
蒲明, 马建国. 2010年我国油气管道新进展[J]. 国际石油经济, 2011(3): 26-34. PU M, MA J G. Progress of China's oil and gas pipeline development in 2010[J]. International Petroleum Economy, 2011(3): 26-34. DOI:10.3969/j.issn.1004-7298.2011.03.006 |
[5] |
李熹, 张维臣, 米力田, 等. 清管系统上快开盲板带压原因分析[J]. 天然气与石油, 2004, 22(1): 60-63. LI X, ZHANG W C, MI L T. Analysis on reason of quick opening closure enduring pressure on pigging system[J]. Natural Gas and Oil, 2004, 22(1): 60-63. DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2004.01.016 |
[6] |
石明俊, 陈中安, 韩国华. 清管作业临时收发球筒的制作[J]. 石油工程建设, 2005, 31(1): 79-80. SHI M J, CHEN Z A, HAN G H. Fabrication of temporary launching chamber and receival chamber for pigging operation[J]. Petroleum Engineering Construction, 2005, 31(1): 79-80. DOI:10.3969/j.issn.1001-2206.2005.01.026 |
[7] |
庄晓芳. 大口径管道清管通球、试压技术[J]. 江汉石油职工大学学报, 2008, 21(6): 65-69. ZHUANG X F. Large-diameter pipe cleaning and pressure test techniques[J]. Journal of Jianghan Petroleum University of Staff and Workers, 2008, 21(6): 65-69. DOI:10.3969/j.issn.1009-301X.2008.06.019 |
[8] |
韩传军, 余成, 段行知, 等. 管道清管器收球装置流场分析[J]. 系统仿真学报, 2018, 30(4): 1407-1413. HAN C J, YU C, DUAN X Z, et al. Flow field analysis of pipeline pig receiving trap[J]. Journal of System Simulation, 2018, 30(4): 1407-1413. |
[9] |
杨喜良, 陈英杰, 谭哲, 等. 基于ANSYS磁场仿真的清管器发射机研制[J]. 石油工程建设, 2011, 37(4): 10-12. YANG X L, CHEN Y J, TAN Z, et al. Development of pig transmitter based on magnetic field simulation by ANSYS[J]. Petroleum Engineering Construction, 2011, 37(4): 10-12. DOI:10.3969/j.issn.1001-2206.2011.04.003 |
[10] |
麻建军, 谢焜, 许明飞, 等. 清管工艺在天然气管道工程中的应用[J]. 油气田地面工程, 2013, 32(12): 92-93. MA J J, XIE K, XU M F, et al. Application of pigging technology in natural gas pipeline engineering[J]. Oil-Gas Field Surface Engineering, 2013, 32(12): 92-93. DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2013.12.051 |
[11] |
倪姗姗, 黄冬, 胡开胜, 等. 西气东输二线站场收发球筒位移原因及解决方案[J]. 油气储运, 2015, 34(11): 1250-1254. NI S S, HUANG D, HU K S, et al. Causes and solution for displacements of pig launchers and receivers in stations along and West-to-East Gas Pipeline[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2015, 34(11): 1250-1254. |
[12] |
陈雪静. 伊朗某油田收发球筒设计[J]. 煤炭与化工, 2015, 38(5): 124-125. CHEN X J. Design of pig receiver and launcher of one oil field in Iran[J]. Coal and Chemical Industry, 2015, 38(5): 124-125. |
[13] |
李永生, 杨建东, 李欣欣, 等. 清管器收发球筒的优化设计与应用[J]. 石油化工设备, 2016, 45(6): 44-47. LI Y S, YANG J D, LI X X, et al. Optimization design and application of pig receiver and launcher[J]. Petro-Chemical Equipment, 2016, 45(6): 44-47. DOI:10.3969/j.issn.1006-8805.2016.06.014 |
[14] |
王世斌, 岳嵩, 林洋帆, 等. 清管器收发球筒的设计[J]. 现代化工, 2016, 36(7): 204-206. WANG S B, YUE S, LIN Y F, et al. Brief discussion on design of pig traps[J]. Modern Chemical Industry, 2016, 36(7): 204-206. |
[15] |
戈岳. ADINA流体与流固耦合功能的高级应用[M]. 北京: 人民交通出版社, 2010. GE Y. Advanced application of ADINA fluid and fluid-solid coupling function[M]. Beijing: China Communications Press, 2010. |