泥漿立管系統(tǒng)振動仿真分析

付殿禹，王 進，王 剛，伍紹國

（1.天時海洋工程及石油裝備研究院（青島）有限公司，山東青島266061；2.中石油華北油田公司采油四廠，河北廊坊065000）①

泥漿立管系統(tǒng)振動仿真分析

付殿禹1，王 進1，王 剛1，伍紹國2

（1.天時海洋工程及石油裝備研究院（青島）有限公司，山東青島266061；2.中石油華北油田公司采油四廠，河北廊坊065000）①

泥漿立管在工作時會產(chǎn)生較大振動，分析了引起振動的主要原因。采用有限元方法計算了立管系統(tǒng)的固有頻率，并使用CFD方法分析了泥漿自身脈動激勵現(xiàn)象。通過對比計算，確定了大渦湍流模擬方法適用于流體脈動現(xiàn)象仿真。計算結(jié)果表明：泥漿自身脈動激勵不是立管振動的主要因素，同時提出了有效遏制立管振動的方法和建議。

泥漿立管；振動；CFD；大渦湍流模擬

泥漿立管在鉆井平臺中起到輸送泥漿的作用，在實際工作時，主要結(jié)構(gòu)部位振動幅度較大，如圖1所示。如果長時間振動較大，會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。故需要找到泥漿立管振動的根本原因，才能有效地遏制振動的發(fā)生。

1 泥漿立管振動原因分析

1.1 泥漿本身

泥漿立管中泥漿本身存在液體壓力脈動誘發(fā)的振動，并且流體隨方向變化時遇到有變徑和阻礙物會引發(fā)沖擊振動［1-4］。在這種工況中，主要是在彎管處會產(chǎn)生一定的激振力。如果泥漿產(chǎn)生激振力與管道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率相等或相近時，就會形成機械共振。

泥漿本身不是純粹的流體，是由微小固體、液體及各種添加劑組成的固液兩相流［5］，屬于塑性非牛頓流體，其剪切力和剪切速度之間的關(guān)系與時間基本無關(guān)。在較大流速時，泥漿中的微小固體對彎管處的周期性撞擊產(chǎn)生了激振，此激振力與管道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率相等或相近時，就會形成共振。

1.2 機械裝置的激勵

泥漿泵的動力端大多采用傳統(tǒng)機械式曲柄連桿機構(gòu)，這會導(dǎo)致泥漿泵排出泥漿的瞬時流量和壓力按正弦曲線波動，脈動量大［6］。如果壓力變化的頻率與管道系統(tǒng)的固有頻率相接近時，也可能會引發(fā)共振現(xiàn)象。

圖1 立管主要結(jié)構(gòu)

1.3 軟管帶動

輸流管道振動是一類特殊的機械運動，是由它們之間的耦合作用產(chǎn)生的，如果管道同時存在拉壓、彎曲及扭轉(zhuǎn)的載荷和運動，這時管道的耦合現(xiàn)象更為嚴(yán)重。如圖2所示，軟管本身對立管有20 k N的拉力，在工作時軟管會發(fā)生不規(guī)則抖動［7］，這也可能是立管振動較大的主要原因。

圖2 軟管

針對以上立管振動原因的分析，本文主要針對第1種情況，分析泥漿產(chǎn)生的激振力是否與立管系統(tǒng)的固有頻率相近，來判斷泥漿自身激勵是否是立管系統(tǒng)振動的主要因素。

2 立管固有頻率分析

2.1 網(wǎng)格劃分和邊界條件

對立管模型進行了一定程度的簡化，并劃分相應(yīng)的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約為110 000，如圖3所示。

立管的約束方式與實際情況相近，分析時考慮自身重力，立管上方管口有共2 k N的拉力（方向垂直向下），如圖4所示。材料為Q235鋼。

圖3 網(wǎng)格劃分

圖4 邊界條件和載荷施加

2.2 模態(tài)分析結(jié)果

計算了有預(yù)應(yīng)力條件下前10階模態(tài)（如表1），主要提取了前3階模態(tài)的振型（如圖5～8）。通過振型圖可以看到1階振型及頻率與結(jié)構(gòu)主要振動部位最為相關(guān)。

表1 立管固有頻率

圖5 預(yù)應(yīng)力下的立管位移

圖6 1階模態(tài)振型

圖7 2階模態(tài)振型

圖8 3階模態(tài)振型

3 泥漿流體激振頻率仿真

3.1 流體參數(shù)設(shè)定和網(wǎng)格劃分

泥漿流體分析只需要對流體域劃分網(wǎng)格，如圖9所示。網(wǎng)格數(shù)量約440 000（此數(shù)是采用k-ε湍流模型時計算的網(wǎng)格數(shù)），網(wǎng)格全部采用標(biāo)準(zhǔn)六面體網(wǎng)格。流體域下部為流體進口，上部為流體出口，周圍是立管的壁面。

圖9 網(wǎng)格劃分

泥漿密度2 500 kg／m3，黏度0.015 mPa·s（不考慮熱交換），泥漿進口速度5 m／s。

3.2 湍流模型的選擇

對于流體脈動壓力計算，最重要的是流體湍流的模擬。湍流模擬分為2大類：一類是直接數(shù)值模擬（DNS），一類是非直接數(shù)值模擬。直接數(shù)值模擬的好處是無需對湍流流動作任何簡化和近似，理論上可以得到準(zhǔn)確的計算結(jié)果，但對計算機性能要求極高。試驗表明：0.1 m×0.1 m的流動區(qū)域內(nèi)，需要網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約10億個。非直接模擬中主要有雷諾平均法（RANS）和大渦模擬方法（LES）。

雷諾平均法作為應(yīng)用最為廣泛的湍流方法，其實質(zhì)就是將湍流的脈動量進行時間時均化。本文首先采用雷諾平均法下標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計算，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型可以在節(jié)約計算量的前提下，很好地計算出壁面的壓力，但卻無法計算出湍流的脈動情況，如圖10所示。圖10上3點為在立管上部壁面取得3個位置點，作為監(jiān)測壓力脈動點。

圖10 壁面點的壓力監(jiān)測

通過實際計算，肯定了雷諾平均法的湍流模型無法計算泥漿的湍流脈動［8-9］，故本文采用大渦模擬湍流模型來模擬。大渦模擬實質(zhì)就是使用完整的瞬時Navier-Stokes方程計算比網(wǎng)格尺度大的湍流運動，放棄對全尺度范圍上渦的瞬時運動的模擬。

3.3 大渦模擬網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置

由于大渦模擬的精確度與網(wǎng)格數(shù)量有著密切的關(guān)系［10］，考慮到計算機性能和計算時間，本次大渦模擬中，劃分網(wǎng)格約2 400 000，全部是標(biāo)準(zhǔn)六面體網(wǎng)格，如圖11。

圖11 大渦模擬網(wǎng)格劃分

對于亞格子尺度模型（Subgrid-Scale Models）的選擇，采用了Algebraic Wall-Modeled LES Model（WMLES）模型，因為相比其他亞格子模型，WMLES模型可以更好地模擬近壁面邊界層渦流情況，更適用于管道內(nèi)流的計算。壓力監(jiān)測點增加到6個，如圖12所示。

圖12 6個壓力監(jiān)測點位置

3.4 流體激勵結(jié)果分析

流體計算按照瞬態(tài)計算，考慮到進口流速為5 m／s，管道長度約24 m，總共模擬了流體8 s的流動，計算耗時約36 h。6個監(jiān)測點中，其中部分壓力曲線相近，故取有代表性的3個點的壓力曲線，結(jié)果如圖13。

圖13 監(jiān)測點壓力變化

通過6個監(jiān)測點的壓力變化，可以看出流體本身的湍流脈動的振幅是隨機的，并且不同位置點脈動的頻率也不相同。故泥漿本身的湍流脈動不是立管上部結(jié)構(gòu)振動的主要原因。

4 結(jié)論

通過仿真計算，確定了立管上部的較大振動不是由泥漿本身湍流脈動產(chǎn)生的。振動可能是由泥漿泵本身流量的周期性變化和軟管對立管上部的拉扯作用而共同作用的。對于軟管帶動的振動，可通過提高支架的強度和剛度，在一定程度上遏制振動；對于泥漿泵本身流量的周期性變化因素，根據(jù)計算出的立管系統(tǒng)的固有頻率，可選擇與之頻率相差較大的泥漿泵，以避免共振現(xiàn)象。同時，本文通過湍流模型的對比計算，確定了所有雷諾平均法的湍流模型均無法模擬流體自身脈動現(xiàn)象，可使用大渦模擬的湍流模型來計算流體自身脈動問題。

［1］ 楊超，范士娟.輸液管道流固耦合振動的數(shù)值分析［J］.振動與沖擊，2009，28（6）：56-59.

［2］ 陳貴清，郝婷玥.輸流管道振動問題的研究［J］.水利科技與經(jīng)濟，2008（7）：256-264.

［3］ 滕振超，孫偉.泵站輸油管道振動原因及減振方法研究［J］.油氣田地面工程，2009，28（4）：23-24.

［4］ 李琳，喻立凡.管道及管路系統(tǒng)流固耦合振動問題的研究動態(tài)［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，1997，14（3）：40-46.

［5］ 楊國安，黃聰，于麗.基于FLUENT的鉆井泵閥隙流場仿真計算［J］.石油礦場機械，2008，37（3）：41-44.

［6］ 惠記莊，羅聯(lián)社.新型泥漿泵液壓系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2009，28（10）：1271-1274.

［7］ 周知進，盧浩.垂直提升管道輸送過程流固耦合分析［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2012，29（3）：310-314.

［8］ 呂志華，陸森林.高速列車表面脈動壓力的數(shù)值模擬及分析［J］.中國制造業(yè)信息化，2010，39（3）：65-68.

［9］ 錢忠東，楊建東.湍流模型對水輪機壓力脈動數(shù)值預(yù)測的比較［J］.水利發(fā)電學(xué)報，2007，26（6）：111-115.

［10］ 曾文，解茂昭.網(wǎng)格密度對內(nèi)燃機冷態(tài)流場大渦模擬的影響［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2010，16（2）：181-185.

Simulation of Vibration of the Mud Standpipe System

The standpipe in work will cause vibration.The main causes of vibration were analyzed.Natural frequency of the riser system was calculated using finite element method.The CFD method was used to analyze the phenomenon of mud pulse excitation.By comparing the calculated results，the large eddy simulation of turbulent flow method was applied to the fluid pulsation simulation.The calculation results show that the main factor of vibration of the standpipe is not the mud pulse excitation.At the same time，the methods and suggestions are put forward to effectively curb vibration of standpipe.

standpipe；vibration；CFD；LES

TE926

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.010

1001-3482（2014）11-0040-05

2014-07-09

付殿禹（1978-），男，滿族，遼寧撫順人，工程師，碩士，主要從事鉆井設(shè)備及BOP吊運設(shè)備的研發(fā)及管理工作，E-mail：dianyu.fu＠t-s-c.com。