海底管道內(nèi)部流動引起的流致振動問題研究進(jìn)展*

李 焱 李清平 喻西崇 陳海宏

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

管道受到內(nèi)部不穩(wěn)定流體流動的影響，會產(chǎn)生激振力，當(dāng)激振力頻率與管道固有頻率相近時可能會發(fā)生流固耦合共振現(xiàn)象，稱之為“流致振動”(flow-induced vibration，F(xiàn)IV)。Blevins于1977年首次用FIV定義流致振動，并在1990年通過結(jié)構(gòu)動力學(xué)和水動力學(xué)將其分為兩大類[1-2]，即穩(wěn)定流動引發(fā)的不規(guī)則性流動和渦激振動，以及不穩(wěn)定流動引發(fā)的隨機性、正弦波動和間歇性流動。與單相流動相比，兩相流的FIV機制存在著非常大的差異。Shigehiko[3]將兩相流FIV分為管道外部軸向流、橫向流和管道內(nèi)流。其中，外部軸向流動兩相FIV研究主要集中在核工業(yè)、熱力、水力安全等領(lǐng)域[1,4]；橫向交錯流兩相FIV集中于管殼式換熱器內(nèi)部以及蒸汽發(fā)生器U型管等結(jié)構(gòu)[5-8]。相比換熱器管束、海洋立管等領(lǐng)域外流導(dǎo)致的流致振動問題，目前對管道內(nèi)部兩相流FIV研究較少，尤其是海底管道內(nèi)流引起的振動問題，對其脈動頻率和幅值的預(yù)測研究均處于發(fā)展階段，相關(guān)研究仍有待完善。

在海底管道中，內(nèi)部不穩(wěn)定流動尤其是段塞流是一種非線性、不穩(wěn)定、周期性的瞬態(tài)行為，可能引起管道在周期性疲勞載荷下的疲勞損壞，甚至疲勞破壞問題。近年來，隨著深海油氣開發(fā)進(jìn)度的加快，管內(nèi)壓力和流速逐漸增加，由管道內(nèi)流引起的流致振動問題越來越受到海洋工程界的重視。針對斜管[9]、垂直立管[10-11]、混合立管[12]等管道的段塞流研究也已逐漸豐富起來。由于海底管道所處位置特殊，環(huán)境條件復(fù)雜，管道的流致振動是海洋石油工業(yè)在水下管道設(shè)計中的重要因素，如忽視該因素，可能造成嚴(yán)重的后果[1-4]，其中預(yù)測流致振動問題引起的管道疲勞失效是研究的難點[1,5]。

本文圍繞海底管道內(nèi)流激振力引起的流致振動問題，從海底管道內(nèi)流流致振動的類別、理論模型、數(shù)值模擬和實驗研究等方面對兩相流管道系統(tǒng)中的流致振動研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，分析研究中存在的問題及不足，并給出下一步研究建議。

1 理論模型

在兩相流作用下管道的流致振動模型研究方面，國內(nèi)外學(xué)者從FIV的成因和適用管道對象方面開展工作并提出了多個模型。由于管道內(nèi)流流致振動多是由于內(nèi)部段塞流誘發(fā)，部分學(xué)者基于流致振動的成因，提出了一系列段塞流模型，預(yù)測不同段塞流下管道流致振動的特征。李明 等[13]對立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流的形成周期進(jìn)行分析(圖1)，發(fā)展了幾種典型的嚴(yán)重段塞流預(yù)測模型，建立了描述混輸立管系統(tǒng)內(nèi)部周期性流動的瞬態(tài)流動模型。Tay等[14-16]研究了兩相段塞流中液體黏度、表面張力等物性參數(shù)對管彎水動力學(xué)參數(shù)的影響，提出活塞流模型(PFM)，預(yù)測了段塞流作用于水平管彎的應(yīng)力情況。王琳[17]基于改進(jìn)的嚴(yán)重段塞流瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型和平面剛架理論，建立了嚴(yán)重段塞流海洋立管耦合振動數(shù)學(xué)模型。Wang等[18]發(fā)展了一種新的三維非線性模型，研究了輸送內(nèi)部流體的撓性管的渦激振動。與此同時，部分學(xué)者從流致振動的作用對象角度，研究不同種類管道在兩相流激振力作用下的動態(tài)響應(yīng)特征并建立了相關(guān)模型，以預(yù)測管道的受力、損傷、傳熱等一系列特征。Cabrera-Miranda等[19]在斜管立管、垂直立管和混合立管系統(tǒng)段塞流特性研究的基礎(chǔ)上，開展了鋼質(zhì)懶波型立管在段塞流激勵下的平面非線性振動研究，建立了有效張力、曲率、使用系數(shù)和疲勞損傷的頻率響應(yīng)曲線。

圖1 立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流形成周期示意圖[13]Fig .1 Schematic diagram of formation period of severe slug flow in riser system[13]

綜上可知，目前對FIV的成因和適用不同管道對象的模型研究仍十分有限，給出的模型多是針對小雷諾數(shù)、彈性管道的段塞流FIV的模型，對大氣液比、高流速的長柔性立管段塞流特性研究不足，段塞流誘導(dǎo)振動的基本物理規(guī)律有待進(jìn)一步研究。此外，現(xiàn)有模型多是針對平面內(nèi)的流致振動，而海洋立管在內(nèi)流和外流共同作用下的振動存在三維效應(yīng)，需要進(jìn)一步研究。

2 數(shù)值模擬

管內(nèi)多相流引發(fā)的流致振動過程較為復(fù)雜，采用數(shù)值模擬方法可以對不同流致振動過程進(jìn)行分析，研究不同段塞流引發(fā)的管道受力情況或者不同激振力作用不同海底管道的響應(yīng)情況；同時可以進(jìn)一步考慮實際情況影響，研究管道受內(nèi)外流動共同作用下的流致振動情況。

準(zhǔn)確模擬管內(nèi)段塞流特性是進(jìn)行內(nèi)流FIV分析的基礎(chǔ)，一些學(xué)者采用不同的軟件工具分析了不同工況下的段塞流動特性。程兵 等[20]采用OLGA軟件模擬了管道流動狀況，對段塞流最嚴(yán)重年份采用節(jié)流法、氣舉法以及節(jié)流和氣舉結(jié)合法等進(jìn)行了模擬，研究了管徑與段塞流的關(guān)系。Candelier等[21]采用多相流模擬軟件(OGLA、LedaFlow)，研究了西非深海油田的段塞流、壓力、溫度等參數(shù)，并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果表明兩者在非混合生產(chǎn)工況下吻合較好。Ortega等[22-23]利用一套彈塞流動力學(xué)計算程序和一套結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)計算程序，研究了內(nèi)部段塞流和波載荷對柔性立管動力學(xué)特性的影響。Chica等[24-25]使用有限元求解器(Abaqus)和計算流體力學(xué)求解器(Star CCM+)，通過雙向耦合模擬，研究了跨接管結(jié)構(gòu)的兩相流動態(tài)壓力響應(yīng)。劉昶[26]模擬研究了立管幾何尺寸對嚴(yán)重段塞流參數(shù)的影響，分析了立管系統(tǒng)在不同支撐方式下的固有頻率，得到了嚴(yán)重段塞流下立管的動力響應(yīng)特性。

流體的流動特性，尤其是段塞流動特性在一定情況下會轉(zhuǎn)化為作用在管道本體上激振力，部分學(xué)者進(jìn)一步研究了激振力作用下的管道受力響應(yīng)情況。Mohmmed等[27]給出了一種基于文檔耦合技術(shù)的求解流體-固體相互作用的模擬方法(圖2)，其中計算流體力學(xué)軟件Star-CCM+負(fù)責(zé)內(nèi)部流場的求解，有限元分析軟件Abaqus負(fù)責(zé)求解固體結(jié)構(gòu)響應(yīng)。楊凡[28]利用雙向流固耦合方法，建立了較大雷諾數(shù)條件下流體橫掠的單管和3管的有限元模型，研究了不同來流速度下管道系統(tǒng)的響應(yīng)特性。梁超[29]采用Comsol軟件對處于海洋流域中輸送氣液兩相流的S型管道進(jìn)行模擬，分析了流動參數(shù)與管道失穩(wěn)振動特性之間的響應(yīng)關(guān)系。Jiang等[30]采用數(shù)值方法研究了浸沒在剪切交叉流中的壓緊輸液立管的非平面振動和多模態(tài)響應(yīng)，在雙流固耦合系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了鎖存狀態(tài)、八字形軌跡，同時當(dāng)橫流剪切參數(shù)較大時，立管出現(xiàn)準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象。李非凡、韓冰[31-32]在浸入邊界法基礎(chǔ)上開發(fā)了并行計算程序Cgles IBM，分別對空管、僅考慮恒定內(nèi)流、通有恒定內(nèi)流并疊加振蕩內(nèi)流等3種情況下的低質(zhì)量比柔性立管進(jìn)行了兩自由度渦激振動數(shù)值模擬研究。

圖2 基于文檔的耦合技術(shù)原理圖[27]Fig .2 Schematic of file-based coupling technique[27]

考慮貼近實際工況，部分學(xué)者將管道內(nèi)部段塞流和外部剪切流對管道的影響耦合考慮。Lu等[33]提出了一種多物理場的研究方法，考慮水下跨接管(圖3)在渦激和流致振動共同作用下的耦合振動響應(yīng)，并進(jìn)行了全尺度雙向流固耦合分析，發(fā)現(xiàn)段塞流會引發(fā)較大的壓力波動，其在海底跨接管的振動響應(yīng)和潛在的疲勞破壞中起主導(dǎo)作用。Duan等[34]采用數(shù)值方法研究了亞臨界狀態(tài)下，外流作用下立管的內(nèi)流情況，發(fā)現(xiàn)立管平面流和橫掠立管流的主導(dǎo)模態(tài)隨內(nèi)流速的增大而顯著增大。此外，Duan等[35]還進(jìn)一步研究了亞臨界和超臨界2種內(nèi)流條件下，輸液管在渦激振動作用下的三維動力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)在亞臨界區(qū)內(nèi)流速不變的情況下，隨著外流速的增大，峰值振幅先增大后減小，并伴隨振幅的跳躍。

圖3 水下跨接管的整體結(jié)構(gòu)[33]Fig .3 Overall configuration of subsea jumper[33]

可見，采用流固耦合方法模擬海底管道的流致振動過程能夠更加接近實際情況，研究結(jié)論對工程應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。但海底管道通常受內(nèi)部氣液段塞流和外部剪切流的共同作用，其流體質(zhì)量的不均勻分布、內(nèi)段塞流沿長度的壓力波動、剪切流型與結(jié)構(gòu)幾何的非線性疊加等因素非常復(fù)雜，導(dǎo)致海底管道內(nèi)外流共同作用下的耦合響應(yīng)研究仍處于起步階段，到目前為止針對此問題的研究較少。同時，管道流致振動具有局部不均勻性，因此建議模擬時可關(guān)注局部的振動響應(yīng)特征，采用海底管道系統(tǒng)與管道局部仿真相結(jié)合的方法，實現(xiàn)對管道內(nèi)部兩相流激振力作用的流場模擬，從而增強模擬結(jié)果的系統(tǒng)性，并提高局部結(jié)構(gòu)流場模擬的準(zhǔn)確性。此外，基于CFD的大尺度氣液兩相流三維數(shù)值模擬的計算效率很低，其模型和方法還需優(yōu)化。

3 實驗研究

目前對管內(nèi)多相流的流致振動實驗研究主要集中在兩方面，一是研究多相流流動特性及其對管道和管道局部構(gòu)件的沖擊影響，二是研究段塞流作用下的管道振動響應(yīng)特性。

在管內(nèi)多相流流動特性及其對管道沖擊振動的研究方面，王琳[17]、劉昶[26]搭建了海洋立管兩相流實驗裝置(圖4)，研究了立管系統(tǒng)中流體的流動特性，分析了流體壓力波動特征及其對立管的振動特性的影響。

圖4 海洋立管兩相流實驗裝置[26]Fig .4 Experimental device for two phase flow in offshore riser[26]

Gama等[36]實驗測量了氣液兩相流的體積分?jǐn)?shù)及表面速度對U型管和L型管彎折處振動加速度的影響，發(fā)現(xiàn)管道振動加速度隨流速的增大而增大，且隨氣相體積分?jǐn)?shù)的增加，其在彎折處的加速度峰值更加明顯，并提出一種通過測量管道振動的固有頻率來確定管道氣液相體積分?jǐn)?shù)的方法。AL-Hashimy等[37]實驗發(fā)現(xiàn)段塞流速度是影響管道振動位移的關(guān)鍵參數(shù)，隨著速度的增加管道振動位移增大。Wang等[38]實驗研究了段塞流作用下水平管道的動力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)其振動位移受段塞流速度的影響，并分析了流固相互作用和段塞特性對系統(tǒng)動力學(xué)的累積效應(yīng)。彭明 等[39]在混合立管系統(tǒng)的模擬裝置上利用幾何相似原理，根據(jù)某深水混合立管結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計了混合立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流試驗裝置(圖5)，研究了混合立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流的流動特性。王琳 等[40]基于氣液兩相流立管系統(tǒng)的模態(tài)分析和氣液兩相流流動特性試驗，發(fā)現(xiàn)氣液兩相流和彈性基礎(chǔ)對立管系統(tǒng)的固有頻率和振型有顯著影響。Carvalho等[41]提出了一種基于流動誘導(dǎo)振動的液氣流型分類算法，利用垂直輸送液氣兩相流的振動信號來確定流型，并研制了實驗裝置和實驗程序。

圖5 混合立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流試驗裝置[39]Fig .5 Severe slug flow test apparatus for mixed riser system[39]

相較于對海洋立管系統(tǒng)的整體研究，部分學(xué)者研究了多相內(nèi)流對管道局部構(gòu)件的沖擊和振動的影響。Tay等[14-16]實驗研究了段塞流對水平環(huán)道中彎頭的作用力，分析了流體黏度對彎頭沖擊力的影響。李乃良 等[42]實驗研究了采取節(jié)流操作時，管道內(nèi)流型由嚴(yán)重段塞流向彈狀流和泡狀流轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象及其轉(zhuǎn)變特性。Joyce等[43]研究了氣液兩相流對三通的作用力，認(rèn)為兩相流脈動沖擊力頻率比管道結(jié)構(gòu)固有頻率低很多，引起的激發(fā)作用在實際工程中危害不大。Bamidele等[44]對含孔板水平管道結(jié)構(gòu)的兩相流激振進(jìn)行了實驗研究(圖6)，詳細(xì)評價了兩相流流型、兩相流空隙率、孔板面積比等對振動響應(yīng)的影響。發(fā)現(xiàn)在間歇流型下，結(jié)構(gòu)的動態(tài)振動響應(yīng)隨液質(zhì)流量和上游空隙率的增大而增大，并在此基礎(chǔ)上建立了水平和垂直動力響應(yīng)的流型圖，用于評估有流量限制管道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

圖6 含孔板水平管道結(jié)構(gòu)的兩相流激振實驗裝置[44]Fig .6 Experimental device for two-phase flow induced vibration of horizontal pipe with orifice plate[44]

段塞流作用會對管道本體造成沖擊，但管道是否出現(xiàn)振動損傷還取決管道本體或局部構(gòu)件的響應(yīng)特性。由此，部分學(xué)者研究了流體段塞特性和管道振動響應(yīng)特性關(guān)系。Seyed-Aghazadeh等[45-48]分別研究了長徑比為73、95.7、350和1 750的柔性立管的振動響應(yīng)特征，發(fā)現(xiàn)柔性立管的響應(yīng)具有多模態(tài)特征，相鄰模態(tài)與行波之間的頻率間隔較小。Hara等[49]研究了水平直管中氣、水兩相FIV的激發(fā)機理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)管道固有頻率與彈塞頻率之比為1/2、1和3/2時，振動響應(yīng)較為強烈，且密度、壓力波動和速度等兩相流特性參數(shù)對管道振動有很大影響。Zhu等[50-54]搭建了長徑比為158的自由懸掛柔性立管實驗系統(tǒng)(圖7)，研究了立管內(nèi)部段塞流單獨作用及其與外部剪切流同時作用下的FIV現(xiàn)象，認(rèn)為振動響應(yīng)主要發(fā)生在柔性立管的曲率面上，且平面內(nèi)2個方向上的響應(yīng)相互依賴，最大響應(yīng)幅值發(fā)生在最長的液體段塞通過立管時，而內(nèi)部和外部渦激振動的貢獻(xiàn)取決于相位差和水深。

圖7 長徑比為158的自由懸掛柔性立管實驗系統(tǒng)[51]Fig .7 Experimental system of free hanging flexible riser with length diameter ratio of 158[51]

綜上所述，針對不同管道類型、管道結(jié)構(gòu)、內(nèi)流流速等，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了一定的實驗研究工作。但現(xiàn)有研究中，關(guān)于管道內(nèi)流流體的表面張力及黏度對流型及流致振動影響的實驗還很少。同時在實際生產(chǎn)中，流致振動作用于管道一定時間后，會對管道產(chǎn)生一定的疲勞損害，但現(xiàn)有的實驗通常只是研究短時間內(nèi)的振動響應(yīng)特點。因此管道內(nèi)流流致振動引發(fā)的管道疲勞破壞演化過程及規(guī)律還有待研究。而為了更好地研究兩相流動力學(xué)引起的激振力，需要將回路中的結(jié)構(gòu)振動影響降到最低。目前，通過實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，段塞流或者流向轉(zhuǎn)變，即局部彎頭、三通等位置的流場對管道的沖擊作用更為顯著，需要進(jìn)一步通過建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分析并驗證經(jīng)驗公式、半經(jīng)驗公式以及數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)而優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，提高數(shù)值模擬計算精度。

4 下一步研究建議

1) 理論模型方面，目前對FIV的成因和適用不同管道對象的模型研究仍十分有限，后續(xù)建議對大氣液比、高流速的長柔性立管段塞流特性開展研究，明確段塞流誘導(dǎo)振動的機理，適當(dāng)考慮立管振動的三維效應(yīng)。

2) 數(shù)值模擬方面，采用內(nèi)外流耦合的模擬能夠更好地考慮實際情況，但模擬中非線性因素疊加導(dǎo)致計算復(fù)雜，可以考慮模擬時采用海底管道系統(tǒng)與管道局部仿真相結(jié)合的方法實現(xiàn)管道內(nèi)部兩相流激振力作用的流場模擬，提高模擬的準(zhǔn)確性，同時進(jìn)一步發(fā)展快速高效的三維計算方法，提高模擬效率。

3) 實驗研究方面，流體物性對流致振動影響的研究還很少，管道內(nèi)流流致振動引發(fā)的管道疲勞破壞演化過程及規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。此外，為了更好地研究兩相流流動引起的激振力，需要將回路中的結(jié)構(gòu)振動影響盡可能降低。