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管道清管器发球装置振动特性分析
余成1, 韩传军2, 李刚俊1, 张杰2     
1. 成都工业学院机械工程学院;
2. 西南石油大学机电工程学院
摘要: 为研究清管器发球装置在导流工况下的振动特性,以P6.3 MPa DN800/DN700型清管器发球装置为例,建立了流固耦合数学模型,并基于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了流固耦合分析,探究结构参数和流体参数对其影响规律。研究结果表明:在气固耦合工况下,发球装置的固有频率比液固耦合时要高,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;对低阶模态振型分析发现,在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;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,但流速对其影响很小,且两种耦合工况下固有频率的变化规律相似;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。研究结果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。
关键词: 清管器发球装置    流固耦合    模态分析    固有频率    工作压力    
Analysis of Vibration Characteristics of Pipe Pig Launcher
Yu Cheng1, Han Chuanjun2, Li Gangjun1, Zhang Jie2     
1. School of Mechanical Engineering, Chengdu Technological University;
2. School of Mechanical Engineering, Southwest Petroleum University
Abstract: To study the vibration characteristics of the pig launcher under diversion conditions, the P6.3 MPa DN800/DN700 pig launcher was taken as case study to establish a fluid-solid coupling mathematical model. Based on ANSYS Workbench-Fluent software, the fluid-solid coupling analysis is carried out on the pig launcher under the medium of natural gas and liquid respectively. The influences of structural parameters and fluid parameters on the pig launcher are investigated. The results show that compared with liquid-solid coupling, the natural frequency of the pig launcher is higher under the gas-solid coupling condition. Under the fluid-solid coupling condition, the natural frequency of the lower-order mode is lower than that under the non-coupling condition. Under the analysis of the low-order mode shape, it is found that the vibrations are severe at the balance pipe flange connection, the flange connection of the venting pipe, the L-bend pipe section and the bypass U-shaped pipe. The wall thickness, the bypass pipe diameter and the working pressure has a great influence on the natural frequency of the pig launcher under the two coupling conditions, but the flow velocity has little influence on it. The variation of the natural frequency is similar under the two coupling conditions. With the increase of wall thickness and working pressure, the natural frequency increases. As the bypass pipe diameter increases, the natural frequency of the first 6 orders changes little, but the natural frequency of the 6~15 orders decreases and then increases. The study could provide important guidance for avoiding resonance, eliminating severe pipeline vibration and optimized design of vibration reduction structure.
Keywords: pig launcher    fluid-solid coupling    modal analysis    natural frequency    working pressure    

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。

图 1 发球装置 Fig.1 The pig launcher

图 2 流固耦合模型 Fig.2 Fluid-solid coupling model

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:dfds分别是流体和固体在耦合面上的位移,τfτs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Gf=表示。其中:f为流体变量,f的一阶导数;s为结构变量,分别为s的一阶、二阶导数。流体的速度和加速度分别为:

(4)
(5)

在大多数应用中,取α=1。tt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:XfXs分别表示定义在流体、结构节点上的解向量;FfFs分别表示与GfGs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。

图 3 发球装置有限元模型 Fig.3 Finite element model of the pig launcher

表 1 管道和流体的材料属性 Table 1 Material properties of pipes and fluids
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。

图 4 无耦合与气固耦合时发球装置前6阶模态振型 Fig.4 The first 6-order mode shape of the pig launcher without coupling and gas-solid coupling

表 2 发球装置耦合固有频率 Table 2 The coupling natural frequency of the pig launcher
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

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。

表 3 发球装置前15阶总变形 Table 3 Total deformation of the first 15 orders of the pig launcher
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(aa′)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。

图 5 各阶固有频率随壁厚的变化曲线 Fig.5 Effect of wall thickness on natural frequency of each order

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。

图 6 各阶固有频率随旁通管直径的变化曲线 Fig.6 Effect of diameter of bypass tube on natural frequency of each order

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。

图 7 各阶固有频率随流速的变化曲线 Fig.7 Effect of flow rate on natural frequency of each order

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。

图 8 各阶固有频率随工作压力的变化曲线 Fig.8 Effect of working pressure on natural frequency of each order

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。

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余成, 韩传军, 李刚俊, 张杰
Yu Cheng, Han Chuanjun, Li Gangjun, Zhang Jie
管道清管器发球装置振动特性分析
Analysis of Vibration Characteristics of Pipe Pig Launcher
石油机械, 2019, 47(11): 126-132
China Petroleum Machinery, 2019, 47(11): 126-132.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2019.11.020

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收稿日期: 2019-05-17

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