劉吉飛　雷俊杰　紀(jì)志遠(yuǎn)　陳巍　王冰　王嘵林　王勇

摘 要 以某油田群域開發(fā)項目海洋石油平臺的注水系統(tǒng)往復(fù)泵管道設(shè)計和支架布置為例，利用軟件計算和指南分析的方法，較全面地計算和分析了管道可能發(fā)生的振動，并使管道振動滿足規(guī)范要求。同時介紹了管道振動分析的思路和防止振動發(fā)生的措施。

關(guān)鍵詞 海洋石油平臺 往復(fù)泵 管道 支架 振動分析

中圖分類號 TE58? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? ?文章編號 0254?6094（2023）02?0256?05

海洋石油平臺的注水系統(tǒng)用于增加地層壓力以提高采油速度，是影響油田產(chǎn)能的重要系統(tǒng)之一［1］。往復(fù)泵是注水系統(tǒng)的重要設(shè)備，管道系統(tǒng)運行的可靠性是平臺采油的關(guān)鍵。根據(jù)以往的案例和研究［2，3］，管道振動不僅會使管道連接位置發(fā)生震顫而松動、管道結(jié)構(gòu)及其管件產(chǎn)生疲勞破壞、設(shè)備管嘴損毀而降低使用壽命和測量儀表的精度甚至被損毀等，還會導(dǎo)致噪聲污染，影響現(xiàn)場工作人員的身體健康。對于海洋石油平臺，注水系統(tǒng)往復(fù)泵管道振動會降低采油的可靠性，威脅了平臺的運行安全。因此，對設(shè)計的注水系統(tǒng)往復(fù)泵管道進(jìn)行振動分析十分必要。

海上作業(yè)環(huán)境惡劣［4］，并且采油對注水系統(tǒng)的安全提出了較高要求。為了避免發(fā)生管道振動，筆者以某油田群域開發(fā)項目海洋石油平臺的注水系統(tǒng)往復(fù)泵管道設(shè)計和支架布置為例，針對往復(fù)泵管道系統(tǒng)可能發(fā)生的振動，利用CAESAR Ⅱ和AFT Impulse軟件對管道模態(tài)和不平衡力響應(yīng)進(jìn)行計算，并且根據(jù)AVIFF指南［5］對流致振動和小支管振動進(jìn)行分析。同時，介紹往復(fù)泵管道振動分析的思路和防止振動發(fā)生的措施。

1 分析模型與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

某油田群域開發(fā)項目的海洋石油平臺注水系統(tǒng)擁有3臺往復(fù)式注水泵，兩用一備方案運行。注水系統(tǒng)往復(fù)泵管道的分析模型如圖1所示，主要由泵進(jìn)出口匯管、進(jìn)出口管道和安全閥管道組成。其中，DDP?P?4104A、DDP?P?4104B和DDP?P?4104C分別代表3臺注水泵的位號。建模時，往復(fù)泵簡化為無質(zhì)量桿件，并在底部施加固定約束；管道與往復(fù)泵的接口設(shè)置為管嘴節(jié)點；閥門和法蘭根據(jù)相應(yīng)的長度和重量設(shè)置為剛性件；對于承重支架，在垂直管道方向設(shè)置+y方向的約束；對管道系統(tǒng)中的管卡支架，約束其上下左右4個方向的自由度。

注水泵管道輸送的介質(zhì)是海水，管道所用材料是A790 S31803的雙相不銹鋼。進(jìn)口匯管和進(jìn)口管道的直徑是6 in（1 in=25.4 mm），出口匯管和出口管道直徑是4 in，安全閥管道的直徑是4 in，注水泵的設(shè)計參數(shù)如下：

進(jìn)口壓力 700 kPa

出口壓力 26 000 kPa

設(shè)計流量 80 m3/h

設(shè)計轉(zhuǎn)速 195 r/min

柱塞缸數(shù) 5

柱塞沖程 203 mm

柱塞直徑 86 mm

連桿長度 175 mm

利用CAESAR Ⅱ管道分析軟件計算管道的模態(tài)和不平衡力響應(yīng)，而管道由于流體壓力脈動承受的不平衡力則利用AFT Impulse軟件計算，計算模型如圖2所示。對于流致振動和小支管振動的分析，根據(jù)AVIFF指南的要求進(jìn)行。以DDP?P?4104A和DDP?P?4104C兩臺泵運行、DDP?P?4104B泵備用為例，對管道振動進(jìn)行分析，其余運行方案的分析方法相同。在分析過程中，需要嘗試使用各種措施使往復(fù)泵管道的各項振動指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

2 機(jī)械共振分析

由管道、閥門、法蘭及支架組成的管道系統(tǒng)是一個彈性體。根據(jù)管道設(shè)計、支架布置和邊界條件的不同，管道系統(tǒng)具有不同的固有頻率［6］。當(dāng)往復(fù)泵的激勵頻率與管道系統(tǒng)的固有頻率相等時，管道系統(tǒng)會發(fā)生共振現(xiàn)象，并引起較大的共振響應(yīng)。為了避免管道的機(jī)械共振，應(yīng)使管道的固有頻率避開0.8～1.2倍往復(fù)泵激勵頻率的共振區(qū)［7，8］。

往復(fù)泵作用于管道的激勵頻率f為［9］：

f=nNP/60? ? ? ? ?（1）

式中 n——柱塞缸的作用方式；

N——泵轉(zhuǎn)速，r/min；

P——柱塞缸數(shù)。

兩臺泵的激勵頻率fn為［10］：

f=3f? ? ? ? ? （2）

由于往復(fù)泵設(shè)計轉(zhuǎn)速是195 r/min，泵的作用方式是單作用，故n取1，往復(fù)泵的柱塞缸數(shù)是5，兩臺泵同時運行。因此，兩臺泵對管道的激勵頻率是32.5 Hz，則激勵共振區(qū)頻率范圍是26～39 Hz。

針對圖1的注水系統(tǒng)往復(fù)泵管道計算模型，利用CAESAR Ⅱ管道分析軟件基于操作工況計算管道模態(tài)，得到管道系統(tǒng)前6階固有頻率分別為8.483、8.503、11.397、11.559、11.611、11.921 Hz。根據(jù)往復(fù)泵激勵共振區(qū)頻率范圍可知，文中管道系統(tǒng)的固有頻率避開了共振區(qū)頻率，不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。若分析過程中遇到無法避開共振區(qū)頻率的情況，可以更改管道的支架布置，甚至改變管道的構(gòu)型，以改變管道系統(tǒng)的固有頻率，避開往復(fù)泵共振區(qū)的頻率。

3 不平衡力響應(yīng)分析

往復(fù)泵管道的不平衡力響應(yīng)是壓力脈動導(dǎo)致振動的結(jié)果，是一種流固耦合振動。針對圖1的注水系統(tǒng)往復(fù)泵管道計算模型，利用CAESAR Ⅱ管道分析軟件計算往復(fù)泵管道不平衡力響應(yīng)時，需要進(jìn)行以下過程：

a. 利用AFT Impulse軟件計算由于往復(fù)泵壓力脈動產(chǎn)生的時域管道不平衡力，并將數(shù)據(jù)處理成動載荷系數(shù)頻譜，同時，需要保證壓力脈動符合API 674標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定；

b. 進(jìn)行模態(tài)計算，獲得管道系統(tǒng)的固有頻率及其振型；

c. 將最大不平衡力作為集中載荷施加到對應(yīng)的彎頭，并定義力組、頻譜載荷工況和靜動態(tài)工況組合，基于操作工況計算管道在不平衡力作用下產(chǎn)生的振動響應(yīng)。

根據(jù)計算結(jié)果校核管道的應(yīng)力和振動位移。對于應(yīng)力結(jié)果，管道系統(tǒng)節(jié)點的最大應(yīng)力比為44.2%，說明管道應(yīng)力遠(yuǎn)小于應(yīng)力允許值。對于振動位移，項目規(guī)定振動位移不超過0.889 mm，而管道系統(tǒng)節(jié)點的最大振動位移為0.697 mm，符合項目規(guī)定。因此，文中管道不平衡力響應(yīng)的主要指標(biāo)均符合要求。當(dāng)計算結(jié)果不符合規(guī)定要求時，在不改變管道走向和設(shè)計參數(shù)的情況下，可以針對應(yīng)力和振動位移結(jié)果，在管道系統(tǒng)中有針對性地通過增加支架或調(diào)整支架的位置、約束的方式來調(diào)整管道的剛性，或者通過增大往復(fù)泵進(jìn)出口緩沖罐容積的方法來降低管道的壓力脈動，最終使管道振動響應(yīng)符合要求。

4 流致振動分析

流致振動指的是流體流動導(dǎo)致的管道振動。根據(jù)AVIFF指南，流致振動分析主要研究管道失效的可能性（LOF）。注水系統(tǒng)往復(fù)泵管道流致振動分析流程如圖3所示。

式中 F——流體流動導(dǎo)致振動的因子，由管道

的外徑、壁厚和支架布置確定；

v——流體的速度，m/s；

ρ——流體密度，kg/m。

具體計算過程可參考AVIFF指南。

此外，對于往復(fù)泵，影響管道失效可能性（LOF）的因素還有機(jī)械激勵與往復(fù)泵壓力脈動。對于機(jī)械激勵，評估往復(fù)泵激勵頻率與管道系統(tǒng)固有頻率是否避開，是否產(chǎn)生共振現(xiàn)象，以此評估LOF值。對于往復(fù)泵壓力脈動，評估往復(fù)泵管道系統(tǒng)的壓力脈動是否符合API 674標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，以此評估LOF值。根據(jù)管道共振分析和往復(fù)泵管道系統(tǒng)的壓力脈動計算，相關(guān)結(jié)果符合規(guī)定要求。經(jīng)過計算分析，將文中往復(fù)泵管道系統(tǒng)的失效可能性列于表2。

由表2的結(jié)果可知，存在0.3≤LOF<0.5。按照AVIFF指南，此往復(fù)泵管道系統(tǒng)不會出現(xiàn)主管線振動問題，但需要對管道上的小支管進(jìn)行評估。因此，若小支管振動符合要求則管道系統(tǒng)的設(shè)計是合理的。此外，LOF值一般不允許大于0.5，如果大于0.5則建議使用計算流體動力學(xué)方法和有限元法對管道進(jìn)行更精確地計算和分析［11］。如果LOF值超出要求，在設(shè)計時可以通過改變管道支架的跨距、管道壁厚等方法來減小管道失效的可能性。

5 小支管振動分析

小支管指的是直徑小于等于DN 50或分支管直徑與主管直徑的比值小于0.1的小管，這些小支管一般是取樣管、儀表管線等［12］。根據(jù)流致振動分析可知，注水系統(tǒng)往復(fù)泵管道的小支管需要進(jìn)行振動評估，避免小支管由于振動在根部發(fā)生疲勞破壞［13］。往復(fù)泵管道的小支管模型如圖4所示。

根據(jù)AVIFF指南，小支管振動分析也是在研究管道失效的可能性（LOF）。首先，根據(jù)小支管布置類型選擇分析方案，并以對應(yīng)的分析方案進(jìn)行振動評估；接著，評估管道尺寸的LOF值和管道位置的LOF值；最后，取兩種LOF值中的較小值進(jìn)行小支管振動評估。具體評估過程可參考AVIFF指南。

根據(jù)AVIFF指南的評估方案，文中小支管在沒有支架時，其LOF值為0.568。由于小支管的LOF值介于0.4～0.7，因此判斷存在較大的振動疲勞風(fēng)險。接著，選擇給小支管添加支架，并進(jìn)行分析。經(jīng)過AVIFF指南的方案分析，小支管的LOF值仍為0.568，表明小支管存在較大的振動疲勞風(fēng)險。因此，建議將主管道的支架進(jìn)行加固設(shè)計［14］，同時做斜拉筋加固小支管，將小支管和主管綁在一起，避免小支管振動。

6 結(jié)束語

為了某油田群域開發(fā)項目海洋石油平臺的注水系統(tǒng)能夠安全、可靠運行，建立了注水系統(tǒng)往復(fù)泵管道的計算分析模型，利用CAESAR Ⅱ和AFT Impulse軟件對管道模態(tài)和不平衡力響應(yīng)進(jìn)行了計算，并且根據(jù)AVIFF指南對流致振動和小支管振動進(jìn)行了分析。針對計算分析過程中存在的振動問題，提出了調(diào)整、改進(jìn)方案。分析結(jié)果表明，管道設(shè)計和支架布置符合振動要求，能夠保證注水系統(tǒng)運行的可靠性。此外，本課題為類似的管道振動分析提供了方案和思路。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2022-05-25，修回日期：2023-03-10）

作者簡介：劉吉飛（1974-），高級工程師，從事海洋石油開發(fā)工程總體布置、管道布置等工作。

通訊作者：王勇（1982-），研究員，從事泵及管道系統(tǒng)應(yīng)力分析工作，wylq@ujs.edu.cn。

引用本文：劉吉飛，雷俊杰，紀(jì)志遠(yuǎn)，等.海洋石油平臺注水系統(tǒng)往復(fù)泵管道振動分析［J］.化工機(jī)械，2023，50（2）：256-259；277.