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.