天然氣處理工程聲致振動(dòng)管線的初步篩選方法

王 毅 高建林 代長(zhǎng)林 郭 禮 宋光紅

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司， 四川 成都 610041

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天然氣處理工程聲致振動(dòng)管線的初步篩選方法

王 毅 高建林 代長(zhǎng)林 郭 禮 宋光紅

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司， 四川 成都 610041

在天然氣生產(chǎn)中，氣相管道上的降壓元件在壓降和流體流量較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，較大的噪聲會(huì)引發(fā)管道振動(dòng)，強(qiáng)烈的聲致振動(dòng)可能導(dǎo)致管道疲勞失效或斷裂破壞。在工程設(shè)計(jì)階段對(duì)管道進(jìn)行聲致振動(dòng)分析能有效地減少聲致振動(dòng)失效帶來(lái)的損失。在國(guó)外，管道聲致振動(dòng)分析研究開(kāi)展較早，大型項(xiàng)目要求在工程設(shè)計(jì)階段對(duì)管道進(jìn)行聲致振動(dòng)分析，而國(guó)內(nèi)則鮮有輸氣管道聲致振動(dòng)分析的研究報(bào)道，大型項(xiàng)目也極少要求對(duì)管道進(jìn)行聲致振動(dòng)分析。在研究文獻(xiàn)和工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合天然氣處理工程實(shí)例，提出了在工程設(shè)計(jì)階段聲致振動(dòng)管線的初步篩選方法和步驟，旨在呼吁人們加強(qiáng)對(duì)聲致振動(dòng)管線分析的重視，同時(shí)也為工程人員提供一些工程經(jīng)驗(yàn)。更重要的是，聲致振動(dòng)管線的初步篩選為聲學(xué)振動(dòng)管線的詳細(xì)分析奠定了基礎(chǔ)。

輸氣管道；壓降；噪聲；振動(dòng)

0 前言

在天然氣生產(chǎn)中，管道受自身和外部條件等影響會(huì)發(fā)生振動(dòng)。若管線長(zhǎng)期處于振動(dòng)狀態(tài)，在應(yīng)力集中部位將會(huì)出現(xiàn)疲勞，可能導(dǎo)致管道破壞，引發(fā)安全事故，如圖1所示[1]。管道振動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)還可能造成斷裂破壞。2010年，英國(guó)健康與安全管理局曾發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，英國(guó)北海海上平臺(tái)油氣工業(yè)發(fā)生破壞造成的所有損失中有20 % 來(lái)自管道振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞失效；西歐陸上油氣工業(yè)發(fā)生破壞造成的損失也有10 %～15 % 來(lái)自由管道振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞失效[2]。因此應(yīng)提高對(duì)管道振動(dòng)的重視。

管道振動(dòng)分析屬于管道應(yīng)力分析范疇。一般而言，管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動(dòng)力分析：靜力分析是指在靜力荷載的作用下對(duì)管道進(jìn)行力學(xué)分析，并進(jìn)行相應(yīng)的安全評(píng)定；動(dòng)力分析則主要指往復(fù)式壓縮機(jī)和往復(fù)泵管道的振動(dòng)分析、管道的地震分析、水錘和沖擊荷載作用下管道的振動(dòng)分析[3]。除上述常見(jiàn)振動(dòng)分析類型外，還有流致振動(dòng)分析和聲致振動(dòng)分析。國(guó)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的流致振動(dòng)分析研究[4-7]，而且一般工程項(xiàng)目都要求對(duì)管道進(jìn)行流致振動(dòng)分析。對(duì)于聲致振動(dòng)分析，早在1985年比利時(shí)的歐洲石油公司環(huán)境健康安全組織(The Oil Companies’ European Organisation for Environment,Health and Safety，簡(jiǎn)稱CONCAWE)就提出了控制聲致振動(dòng)的設(shè)計(jì)導(dǎo)則，即CONCAWE 85/52報(bào)告。2000年，The Marine Technology Directive(MTD)發(fā)布了避免管道振動(dòng)的一系列設(shè)計(jì)導(dǎo)則[8]，并于2008年由Energy Institute改版后重新發(fā)布[9]。該系列設(shè)計(jì)導(dǎo)則被國(guó)外研究學(xué)者及工程師普遍認(rèn)可并用于管道聲致振動(dòng)分析。國(guó)外許多學(xué)者也結(jié)合具體案例進(jìn)行了管道聲致振動(dòng)分析，并提出了一些預(yù)防措施[1,10-12]。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者和工程師也進(jìn)行了管道流致振動(dòng)分析的研究[13-16]，一些大型項(xiàng)目也開(kāi)始要求對(duì)管道進(jìn)行流致振動(dòng)分析，而管道聲致振動(dòng)分析的研究則鮮有報(bào)道。

在輸氣管道中，安全閥、控制閥、限流孔板等存在壓力變化的管道元件在壓力發(fā)生較大變化或管道內(nèi)流體流速過(guò)大時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，已有不少學(xué)者對(duì)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究[17-19]。當(dāng)噪聲能量達(dá)到一定程度時(shí)沿管壁傳播就會(huì)引發(fā)管道振動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為聲致振動(dòng)(Acoustic Induced Vibration，簡(jiǎn)稱AIV)[9]。噪聲主要是由于高速流體撞擊管壁，流體湍動(dòng)混合或限流元件下游沖擊波等原因造成，產(chǎn)生噪聲的大小與降壓元件的壓降和流體流速等密切相關(guān)。高頻率的聲致振動(dòng)對(duì)管路十分不利，主要可能導(dǎo)致管道疲勞失效，由于振動(dòng)頻率較高，造成管道失效的時(shí)間非常短暫(通常僅為幾分鐘或幾小時(shí))[20]，因此，有必要在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中將管道聲致振動(dòng)情況加以考慮。

圖1 振動(dòng)導(dǎo)致管道失效

1 聲致振動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)位

聲致振動(dòng)雖然可能引起管道較大破壞，但并非在管道的任何位置都易發(fā)生破壞。管路發(fā)生聲致振動(dòng)時(shí)容易遭到破壞的位置稱為聲致振動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)位(AIV Critical Location)。Burullus Gas公司[1]認(rèn)為，直管一般不會(huì)發(fā)生聲致振動(dòng)失效，容易發(fā)生聲致振動(dòng)疲勞失效的管道主要為大口徑薄壁管，發(fā)生的位置主要是在管路中的不對(duì)稱焊接點(diǎn)。幾何不連續(xù)的對(duì)稱焊接點(diǎn)處由于存在應(yīng)力集中也易發(fā)生聲致振動(dòng)疲勞失效，如三通焊接點(diǎn)、小支管連接點(diǎn)和管道支架焊接點(diǎn)等。此外，壓降較大的管道元件，如安全閥、限流孔板等，其下游管道的上述關(guān)鍵點(diǎn)位也易發(fā)生聲致振動(dòng)疲勞失效。

2 聲功率計(jì)算

判斷管線發(fā)生聲致振動(dòng)時(shí)是否失效首先需要計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)位的聲功率(PWL)。Energy Institute導(dǎo)則[9]給出了聲致振動(dòng)管線聲功率的計(jì)算公式。根據(jù)Energy Institute導(dǎo)則，單個(gè)噪聲源(安全閥、限流孔板等)產(chǎn)生的聲功率可由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：PWL(source)為噪聲源聲功率，dB；p1為降壓元件上游壓力，Pa；p2為降壓元件下游壓力，Pa；W為質(zhì)量流量，kg/s；Te為降壓元件上游溫度，K；Mw為流體的相對(duì)分子質(zhì)量，g/mol；SFF為聲速流校正因子，當(dāng)聲速流存在時(shí)SFF=6，否則SFF=0。

噪聲沿管道傳播時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，至下一個(gè)焊接不連續(xù)點(diǎn)處衰減后的噪聲功率可由式(2)計(jì)算。由式(2)可見(jiàn)，噪聲從噪聲源起沿管道傳播50倍直徑長(zhǎng)的距離后其聲功率衰減值為3 dB。

(2)

式中：PWL(discontinuity)為焊接不連續(xù)點(diǎn)的噪聲聲功率，dB；Ldis為噪聲源與焊接不連續(xù)點(diǎn)之間的距離，m；Dint為管道內(nèi)徑，mm。

當(dāng)待評(píng)價(jià)處受多個(gè)噪聲源共同影響時(shí)，總的噪聲功率可由單個(gè)噪聲源的聲功率疊加計(jì)算，見(jiàn)式(3)：

(3)

式中：PWL(discontinuity,total)為焊接不連續(xù)處的總聲功率，dB；PWL1(discontinuity)為焊接不連續(xù)處由噪聲源1引起的聲功率，dB；PWL2(discontinuity)為焊接不連續(xù)處由噪聲源2引起的聲功率，dB。

3 聲致振動(dòng)判定準(zhǔn)則

本文中的聲致振動(dòng)管線的初步篩選主要依據(jù)Energy Institute導(dǎo)則[8]進(jìn)行，以管線聲功率是否超過(guò)155 dB為主要界定依據(jù)來(lái)進(jìn)行聲學(xué)管道的初步篩選。在進(jìn)行詳細(xì)的聲致振動(dòng)管線分析時(shí)，根據(jù)Energy Institute導(dǎo)則還需要考慮管道長(zhǎng)度、管徑、支管連接形式、管道材質(zhì)以及是否存在補(bǔ)強(qiáng)降噪設(shè)施等因素，計(jì)算出管道失效的可能性(Likelihood of Failure，簡(jiǎn)稱LOF)。

4 管線篩選

在工程設(shè)計(jì)階段，通常使用聲致振動(dòng)管線分析表(Screening List for Acoustically Induced Vibration Study)來(lái)給出管系的聲致振動(dòng)情況。其目的在于使業(yè)主或施工人員能夠清晰了解聲致振動(dòng)對(duì)整個(gè)管系的影響，并能夠快速找到聲致振動(dòng)影響的關(guān)鍵位置和關(guān)鍵管線，以便在施工或操作過(guò)程中進(jìn)行針對(duì)性處理。

制作聲致振動(dòng)管線分析表時(shí)，其關(guān)鍵在于確定聲致振動(dòng)管線的篩選方法和步驟。聲致振動(dòng)管線的初步篩選主要考慮兩個(gè)要點(diǎn)：一是噪聲源產(chǎn)生的噪聲大小以及沿管道傳播時(shí)噪聲的衰減情況；二是管壁焊接不連續(xù)點(diǎn)的連接形式。篩選過(guò)程可由以下七個(gè)步驟組成：

1)根據(jù)管道及儀表流程圖P & ID找出潛在的噪聲源，如一些常見(jiàn)的降壓元件安全閥、限流孔板、控制閥等。

2)制作聲致振動(dòng)管線篩選表。在完成模板制作后，根據(jù)工藝管線說(shuō)明表(Piping Line List)等信息完善相應(yīng)數(shù)據(jù)，并將噪聲源所在管線和其他管線進(jìn)行區(qū)分標(biāo)識(shí)。

3)根據(jù)P&ID圖紙找出與噪聲源所在管線存在焊接不連續(xù)點(diǎn)的下游分支管線，并在聲致振動(dòng)管線篩選表中與噪聲源所在管線做相同標(biāo)識(shí)。

4)根據(jù)式(1)計(jì)算噪聲源的聲功率。

5)對(duì)聲功率達(dá)到155 dB的噪聲源所在管線進(jìn)行再次標(biāo)識(shí)，初步列為聲致振動(dòng)關(guān)鍵管線。聲功率低于155 dB的噪聲源所在管線則為非聲致振動(dòng)關(guān)鍵管線。

6)根據(jù)式(2)計(jì)算焊接不連續(xù)點(diǎn)處的噪聲功率。若同一焊接不連續(xù)點(diǎn)受多個(gè)噪聲源共同影響，則按式(3)計(jì)算。

7)聲功率達(dá)到155 dB以上的焊接不連續(xù)點(diǎn)為聲致

振動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)，其所在管線列為聲致振動(dòng)關(guān)鍵管線。聲功率低于155 dB的焊接不連續(xù)點(diǎn)所在管線則為非聲致振動(dòng)關(guān)鍵管線。

5 工程實(shí)例

某海外煤層氣項(xiàng)目Feed設(shè)計(jì)階段部分管線的聲致振動(dòng)初步篩選見(jiàn)表1。該項(xiàng)目有壓縮機(jī)、火炬放空總管、段塞流捕集器等聲致振動(dòng)敏感裝置和管線。由表1可見(jiàn)，需填充的管線信息主要有：管線號(hào)、管內(nèi)徑、聲致振動(dòng)噪聲源、噪聲源上下游壓力、流量、溫度和摩爾質(zhì)量。聲功率根據(jù)上述式(1)～(3)計(jì)算所得。

表1 聲致振動(dòng)管線初步篩選表

管線號(hào)管內(nèi)徑/mm噪聲源Y/N噪聲源名稱p1/kPap2/kPa?Δp㊣/kPaW/(kg·h-1)Te/KMw/(g·mol-1)?PWL㊣/dB聲致振動(dòng)詳細(xì)分析Y/N*0001273.0YPV01113502970838077967303.616.46163Y0002333.5YPSV01477062470872188338.016.46167Y0003364.3YPSV02143001041419697839364.316.46171Y0004303.3YRO01269079261182070318.016.46168Y0005205.0YRO027008561527216318.016.46158Y0006303.3NN---96967316.816.46-N0007381.0YPV0233003000300145111316.016.46136N0008153.9YPSV0347702247489287318.016.46149N000949.3YRO0360021338724313.016.4689N0010590.6Y**---6848364.316.46156Y 注:*噪聲源聲功率大于155dB的管線需要進(jìn)行聲致振動(dòng)詳細(xì)分析。**噪聲源存在于上游管線。

圖2 聲致振動(dòng)關(guān)鍵管線分析3D示意圖

由表1可見(jiàn)，對(duì)于安全閥PSV 01，當(dāng)流量為72 188 kg/h，壓降為4 708 kPa時(shí)在噪聲源處產(chǎn)生的噪聲聲功率為167 dB，超過(guò)155 dB，所以PSV 01所在的管線0002被初步篩選為聲致振動(dòng)關(guān)鍵管線。管線0005上有噪聲源RO02(限流孔板)，當(dāng)流量為27 216 kg/h，壓降為615 kPa時(shí)，噪聲源噪聲聲功率為158 dB，超過(guò)了155 dB，所以管線0005被初步篩選為聲致振動(dòng)關(guān)鍵管線。管線0010為火炬放空總管，管線上沒(méi)有噪聲源存在，但其與聲致振動(dòng)關(guān)鍵管線0005相連接，連接點(diǎn)出的噪聲聲功率可由式(2)算出。從圖2可以看出，管線0005與管線0010連接處到噪聲源RO02的距離為8 850 mm，計(jì)算可得出連接處的噪聲功率為156 dB，因此，該連接點(diǎn)為聲致振動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)，管線0010為聲致振動(dòng)關(guān)鍵管線。管線0011和0012雖然也分別與管線0010相連接，但由于上游無(wú)噪聲源存在，所以其連接點(diǎn)非聲致振動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)。

6 結(jié)論

高頻率聲致振動(dòng)容易導(dǎo)致管道發(fā)生疲勞失效，因此在工程設(shè)計(jì)階段非常有必要對(duì)管道進(jìn)行聲致振動(dòng)分析，尤其對(duì)一些易發(fā)生聲致振動(dòng)破壞的管線，如火炬放空總管、壓縮機(jī)出口管線等。本文依據(jù)Energy Institute導(dǎo)則，結(jié)合工程實(shí)踐提出了在工程設(shè)計(jì)階段聲致振動(dòng)管線初步篩選的一般方法和步驟，并列舉相關(guān)工程實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明，旨在為工程設(shè)計(jì)提供一點(diǎn)微薄經(jīng)驗(yàn)。

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2015-11-25

中國(guó)石油集團(tuán)科技重大專項(xiàng)350×104t/a天然氣液化關(guān)鍵技術(shù)與裝備國(guó)產(chǎn)化研究(2009-1805 E)

王 毅(1987-)，男，四川南充人，助理工程師，碩士，主要從事管道應(yīng)力分析工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.011