油田注水管線放空斷裂分析

房樹(shù)鋒，姜來(lái)舉

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300450）

石油化工企業(yè)普遍使用管道輸送流體，管道用法蘭、閥門等管件相連接成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。當(dāng)這些管道系統(tǒng)受到外界的振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。這些振動(dòng)對(duì)安全生產(chǎn)將造成很大威脅。振動(dòng)使螺栓連接松動(dòng)，導(dǎo)致管道上的閥門、壓力表等被破壞，強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)使管道及與之相連的構(gòu)件產(chǎn)生疲勞損傷，積累到一定程度會(huì)形成疲勞裂紋，造成管道泄漏、斷裂等破壞，引發(fā)安全事故。因此對(duì)管系進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析是十分必要的。

外界的振動(dòng)激勵(lì)，可以分為機(jī)械設(shè)備振動(dòng)和流體脈動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)指動(dòng)力機(jī)械引起的振動(dòng)，如機(jī)械的轉(zhuǎn)子不平衡、軸系連接不對(duì)中等。流體的壓力、速度脈動(dòng)，也會(huì)引起管道振動(dòng)。在流體流經(jīng)彎管、異徑管、盲板和法蘭等處產(chǎn)生激振力導(dǎo)致管道振動(dòng)。當(dāng)機(jī)械或流體的激振頻率與管道系統(tǒng)的固有頻率相接近時(shí)，會(huì)引發(fā)共振。本文以海洋石油秦皇島33-1平臺(tái)的注水管系一段分支管焊縫開(kāi)裂為例，詳細(xì)分析該管系振動(dòng)的原因，從而采取相應(yīng)的減振措施。

1 原因分析與建模

秦皇島33-1油田項(xiàng)目位于渤海中西部海域。油田注水管系注入水為水源井水，即同一口井既做取水井又做注水井，在不同的層系實(shí)現(xiàn)取水與注水。注水量最大為1298m3/d，配備兩臺(tái)離心式注水泵，每臺(tái)流量30m3/h，排出壓力10MPa。每臺(tái)泵的電動(dòng)機(jī)軸功率170kW，泵葉輪為17級(jí)。葉輪的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

秦皇島33-1項(xiàng)目投產(chǎn)后，注水管系中多級(jí)離心式注水泵相連的放空管線的一段管段（A8通多路閥管線）的分支管根部插焊口處出現(xiàn)裂紋?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)該注水泵的振動(dòng)很大，該段管線的支管呈強(qiáng)烈的左右擺動(dòng)。高強(qiáng)度的往復(fù)振動(dòng)使得焊接在該管段上的分支管在插焊口處出現(xiàn)疲勞裂紋，見(jiàn)圖2。

圖1 葉輪結(jié)構(gòu)圖

圖2 分支管根部焊縫開(kāi)裂

管線振動(dòng)通常采取架設(shè)支架進(jìn)行固定的辦法。該放空管線的分支管處于懸空狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)操作者嘗試過(guò)，無(wú)法通過(guò)架設(shè)支架進(jìn)行固定。

圖3 開(kāi)裂管段的結(jié)構(gòu)圖

該段管道結(jié)構(gòu)由兩片法蘭、一段直管、一個(gè)管座、一段支管、一個(gè)閥門和一片支管法蘭盲板構(gòu)成，見(jiàn)圖3，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有限元分析是解決該問(wèn)題最有效可行的方法。構(gòu)成該單管的主要管件的參數(shù)如表1。

表1 管件明細(xì)表

由于整個(gè)管系比較復(fù)雜，在結(jié)果數(shù)據(jù)精度足夠的情況下，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。本文中，主管（3"SCH160）與法蘭（3"900LB）構(gòu)成的單管由于由螺栓墊片固定在注水泵管系上，隨管系振動(dòng)而振動(dòng)，振幅較小，而且與管系同步，不存在振動(dòng)劇烈振幅過(guò)大而導(dǎo)致螺栓墊片連接處漏水的情況，所以本文不分析該管系主干管的共振問(wèn)題。由于分支管（3/4"XXS）振動(dòng)振幅很大，導(dǎo)致分支管根部開(kāi)裂，因此分支管的固有頻率很可能在管道系統(tǒng)受到振動(dòng)的頻率范圍內(nèi)。因此，本文對(duì)分支管進(jìn)行模態(tài)分析，利用ANSYS軟件建模求解。

2 計(jì)算模型的建立

在不影響管道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的前提下，建立模型時(shí)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化。由于支管的兩端分別通過(guò)焊接連接主管和閥門，而焊接材料較少，相對(duì)支管本體而言，不會(huì)對(duì)其固有頻率產(chǎn)生較大影響，因此在對(duì)支管進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，將在支管與主管焊接連接部位，簡(jiǎn)化為固支全自由度約束。分支管末端的閥門和端法蘭等結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為支管端部的質(zhì)點(diǎn)。如圖4所示。

圖4 分支管簡(jiǎn)化建模

3 有限元分析求解

該單管的材質(zhì)為ASTM A106 Gr.B。管段通常較低的若干階固有頻率和振型對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大，系統(tǒng)的能量主要集中在前幾階較低的頻率。故在研究系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)，只需了解少數(shù)的固有頻率和振型。在這里僅提取前6階頻率響應(yīng)，見(jiàn)表2。

表2 前6階模態(tài)頻率 （Hz）

注水泵管系泵內(nèi)壓力脈動(dòng)的成分可以分為三種，一種是頻率接近白噪聲的隨機(jī)脈動(dòng)，這種脈動(dòng)可以認(rèn)為是隨機(jī)因素引起的；另一種是頻譜為葉頻倍頻的規(guī)律性脈動(dòng)；還有一種是頻譜為軸頻倍頻的規(guī)律性脈動(dòng)，稱為軸頻倍頻脈動(dòng)。

該注水泵為多級(jí)離心泵，首級(jí)葉輪10個(gè)葉片，次級(jí)葉輪7個(gè)葉片，工作轉(zhuǎn)速2900轉(zhuǎn)/分。因此，軸頻為48.33Hz，葉頻分別為483.3Hz和338.3Hz。對(duì)于多級(jí)離心泵的流場(chǎng)壓力脈動(dòng)，Wang H等試驗(yàn)驗(yàn)證了主要頻率的壓力脈動(dòng)出現(xiàn)在非設(shè)計(jì)點(diǎn)及葉頻倍頻處[1]。率志君在其《多級(jí)離心泵整機(jī)流場(chǎng)三維非穩(wěn)態(tài)湍流壓力脈動(dòng)特性分析》一文中，模擬顯示流道內(nèi)首級(jí)葉輪葉頻（483.3Hz）脈動(dòng)在次級(jí)葉輪處衰減掉[2]。振動(dòng)發(fā)生后，由于已經(jīng)使用激光對(duì)中器對(duì)電機(jī)和離心泵進(jìn)行了精確對(duì)中，因此軸頻（48.33Hz）倍頻和次級(jí)葉輪葉頻2倍頻（676.6Hz）處壓力脈動(dòng)較小。支管1階模態(tài)頻率345.46Hz在次級(jí)葉輪1倍葉頻壓力脈動(dòng)頻率338.3Hz附近，考慮到該支管兩端有焊接材料，其模態(tài)頻率會(huì)稍有降低，因此可以判斷，是支管的固有頻率過(guò)低，接近離心泵葉頻壓力脈動(dòng)頻率而導(dǎo)致的共振，支管振動(dòng)劇烈，振幅過(guò)大，支管根部焊縫疲勞破壞，見(jiàn)圖5。

圖5 第1階模態(tài)振型

4 采取的減振措施

注水管系支管疲勞破壞后，首先對(duì)注水泵和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了精確調(diào)平和調(diào)軸對(duì)中，以便消除軸頻倍頻的過(guò)大振動(dòng)。但未能消除支管劇烈擺動(dòng)的現(xiàn)象，說(shuō)明軸頻倍頻的振動(dòng)不是分支管振動(dòng)破壞的原因。之后在注水泵出口管段加固定支架，支撐限位以降低振動(dòng)振幅，同樣未能明顯改善分支管振動(dòng)劇烈的現(xiàn)象，泵出口管段固支反而使出口端法蘭受力過(guò)大易導(dǎo)致法蘭焊道疲勞破壞。

由于該單管的支管固有頻率落在離心式注水泵的葉頻共振范圍內(nèi)，所以將該支管切割掉50mm，提高其固有頻率，遠(yuǎn)離泵的葉頻共振范圍。表3是該支管被切割短后前6階模態(tài)頻率。顯然，切除50mm后，該支管第1階模態(tài)頻率為546.11Hz，離葉輪葉頻338.3Hz較遠(yuǎn)，不會(huì)發(fā)生共振做大振幅擺動(dòng)。而且切短支管，擺動(dòng)時(shí)其力矩較小，大大改善了支管根部受力狀況。

表3 支管切短后前6階模態(tài)頻率（Hz）

支管端部封堵的盲法蘭可采用玻璃鋼材料法蘭代替。玻璃鋼具有與鋼材相同的強(qiáng)度，在某些場(chǎng)合可以替代鋼材，但其質(zhì)量遠(yuǎn)小于鋼材。替代后既滿足設(shè)計(jì)要求，又大大減輕了分支管端部的質(zhì)量，減小了末端擺動(dòng)的力矩，可防止支管根部發(fā)生疲勞破壞。

5 結(jié)論

本文對(duì)海上采油平臺(tái)投產(chǎn)時(shí)遇到的問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了解決問(wèn)題的措施。由于現(xiàn)場(chǎng)缺少測(cè)量頻率的力錘等儀器工具，僅進(jìn)行了計(jì)算機(jī)建模和對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)精確度有一定的影響。分析結(jié)論如下：

（1）設(shè)備投入使用前，必須嚴(yán)格調(diào)平，必要時(shí)使用激光對(duì)中儀調(diào)軸對(duì)中，減少設(shè)備的振動(dòng)。

（2）與設(shè)備相連接管系，必要時(shí)要進(jìn)行相應(yīng)振動(dòng)分析，以防止設(shè)備振動(dòng)或流體脈動(dòng)激勵(lì)造成的疲勞破壞。

◆參考文獻(xiàn)

[1] Wang H, Tsukamoto H. Experimental and Numerical Study of Unsteady Flow in a Diffuser Pump at off-Design Conditions[J].ASME J.Fluids Eng.2003,125:767-778.

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