海洋立管两相流动及管道振动特性试验研究_刘昶
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
石 — 46 — 海洋石油装备
油
机
械 2016 年 第 44 卷 第4期
CHINA PETＲOLEUM MACHINEＲY
海洋立管两相流动及管道振动特性试验研究
刘 昶 李玉星 王 琳 胡其会 王 权
*
（ 中国石油大学 （ 华东） 储运与建筑工程学院； 山东省油气储运安全省级重点试验室 ）
摘要： 为了识别海洋立管系统中可能出现的各个流型及考察立管系统在各流型作用下的动态 响应，利用室内试验装置模拟海洋立管系统 ，对立管中两相流动压力波动及其引起的管道振动位 移进行测试。试验中共观测到 7 种流型，提取了不同流型下压力波动的时频域特征值和振动响应 的时频域特征值。对气液两相流流动特征及其引起的立管振动特性进行对比分析 。研究结果表明， 可通过时域信号结合功率谱密度特征对立管中流型进行判别 ； 在具有明显周期性的内部流动的激 励下，立管的振动频率与内部压力波动频率相等 ； 强烈段塞流 Ⅰ、 强烈段塞流 Ⅲ 和水力段塞流对 立管振动影响较大，强烈段塞流 Ⅰ 下立管产生的位移最大， 水力段塞流下立管的振动频率最高。 研究结果对保证海洋立管的安全运行具有一定的参考作用 。 关键词： 海洋立管； 气液混输； 压力波动； 功率谱密度； 立管振动 中图分类号： TE952 文献标识码： A doi： 10. 16082 / j. cnki. issn. 1001 － 4578. 2016. 04. 010
10 －3 m3 ·s －1 10 －3 m3 ·s －1
液体流量 0. 31 0. 77 1. 06 1. 47 2. 75 2. 34 3. 02
强烈段塞流Ⅰ 强烈段塞流Ⅱ 强烈段塞流Ⅲ 稳定气泡流 波动气泡流 乳沫流 水力段塞流
各流型压力波动时域信号如图 3 所示。
观察和压力或压力信号的时域分析 ，压力信号客观 地反映了与流型有关的信息。而对于流动状态相近 的流型，如稳定气泡流和乳沫流，两者压力时域信 号比较相近，较难区分，需要对压力信号进行进一
试验目的 为了获取立管系统中可能出现的更多流型 ，分
图2 Fig. 2 下倾管立管系统流型图 Flow pattern map of lower inclined pipe- riser system
析各流型压力信号的时域和频域特征以及立管振动 特性，建立了室内试验装置以模拟海洋立管系统 。 1. 2 试验装置及步骤 试验装 置 见 图 1。 测 试 段 管 道 底 部 为 固 定 支 撑，顶部为简支支撑。 位移传感器有效行程 10 ～
试验装置示意图
Schematic diagram for testing apparatus
试验时，调节缓冲罐后的节流阀使气量较小， 3 调节水泵变频装置使水流量从 0. 48 m / h 递增到 12. 00 m 3 / h，记录出现的每种流型的气液流量并测 量立管底部的压力和位移，增大气体流量进行下一 3 组试验，气体流量范围 0. 15 ～ 31. 86 m / h。
0引言ຫໍສະໝຸດ 海洋立管是海洋石油开采中的关键设备 ，它负
* 基金项目： 国家自然科学基金项目 “立管内气液两相流动与海洋环境共同诱发立管振动耦合研究” （ 51404290） 。
2016 年
第 44 卷
第4期
刘
昶等： 海洋立管两相流动及管道振动特性试验研究
— 47 —
证立管的安全运行显得尤为重要 。 学者们针对立管系统内比较容易产生的强烈段 ［1－5 ］ ， 研究主要集中在 塞流进行了大量的试验研究 强烈段塞流的归类、产生机理、压力波动、流动周 期、出口含气率和出口速度等特性参数的变化规 律，不同立管结构对强烈段塞流特性的影响以及强 烈段塞流的消除方法上。这些试验中的气液折算速 度大都小于 1 m / s，在试验中观测到的流型主要分 为 3 类： 强烈段塞流、过渡流和稳定流。 针对管道中流型识别大多基于肉眼观察和压力 压差信号的时域特征分析，缺乏更为客观的识别方 S 型柔性立管内 研究了集输压差信号的时域特征和频域特征后发现，单凭压差 波动信号难以区分不同类别的强烈段塞流，而压差 ［7 ］ 信号的 PSD 特征可以做到。周云龙等 利用压差信 号的时域特征结合频域特征也客观地判别了倾斜下 ［8 ］ 降管内流型。肖荣鸽等 对水平管道中段塞流压力 信号和压差信号的 PSD 特征进行比较发现，段塞流 的压差功率谱密度分布与压力功率谱密度分布相似， 压力功率谱的幅值大于压差功率谱的幅值。 在以往对立管振动的研究中，学者们着重于对 管外涡激影响的研究，内流的影响通常被忽略。随 着研究的深入，内流对立管动力特性的影响引起了 学者们的关注 。 S. Chucheepsakul 等［10］ 分析了内 部流动流体和静位移对立管动力特性的影响 ，结果
2
2. 1
试验结果及分析
立管两相流流型
表明立管频率随着内流流速的增加和静位移的增加 ［11 ］ 而降 低。 王 法 利 通 过 试 验 方 法、 Li Xiaomin 等
［12 ］
试验中一共观察到 7 种流型： 强烈段塞流 Ⅰ （ SS Ⅰ ） 、 强烈段塞流 Ⅱ （ SS Ⅱ ） 、 强烈段塞流 Ⅲ （ SSⅢ） 、稳定气泡流、 乳沫流、 波动气泡流和水 力段塞流。以气相折算速度为横坐标、液相折算速 度为纵坐标绘制流型图，如图 2 所示。
Abstract： In order to identify flow patterns that may occur in the marine riser system and study the dynamic response of the riser under different flow patterns， twophase flow pressure fluctuations in the riser and resulting riser vibration displacement were tested by using an indoor testing apparatus for simulating the marine riser. In the experiment，a total of seven flow patterns are observed ； timefrequency domain characteristic values of the pressure fluctuation and vibration response are extracted under different flow patterns. A comparative analysis is conducted on gasliquid flow characteristics and resulting riser vibration characteristics. The results show that the flow pattern in the riser can be distinguished based on time domain signal and power spectrum density characteristics； the vibration frequency of the riser is equal to that of the pressure fluctuation when the internal flow has an obvious cycle； severe slug flow Ⅰ，severe slug flow Ⅲ and hydraulic slug flow have more influences on the riser vibration ； the riser has the largest displacement under the severe slug flow Ⅰ，and it has the highest vibration frequency under the slug flow. Key words： marine riser； gasliquid transportation； pressure fluctuation； power spectral density ； riser vibration 责连接海底井口或海底集输管道与海上平台 ，同时 也是海上石油开采系统中最薄弱的环节 ，其外部承 受洋流、波浪的冲刷载荷，内部输送高压气液。在 如此复杂的外力作用下，考察立管的动态响应以保
强烈段塞流Ⅰ发生时的气液流量都处于较低的 水平，此时下倾管内一直保持分层流，液塞间歇性 堵管，使气体在下倾管内累积，当气体压力超过立 管内液体的静压力时气体进入立管与液体一起喷
100 mm，独立线性精度 0. 10% ，无限分辨解析度， 设置在立管正下方。压力变送器测量范围 0. 0 ～ 0. 5
— 48 —
Experimental Study on Twophase Flow and Vibration Characteristics of Marine Ｒiser
Liu Chang Li Yuxing Wang Lin Hu Qihui Wang Quan
（ College of Pipeline and Civil Engineering， China University of Petroleum （ Huadong ） ； Shandong Key Laboratory of Oil ＆ Gas Storage and Transportation Safety Engineering）
步的时域和频域统计分析。 2. 2. 1 时域统计分析 选取典型的 7 种流型的气液流量如表 1 所示。
表1 Table 1 各流型气液流量 Gasliquid flow under different flow patterns
流 型 气体流量 0. 32 2. 14 0. 87 0. 32 0. 59 1. 79 4. 75
通过建立求解顶张力立管系统的数学模型，
同样得出了内流的存在会降低海洋立管的振动频率 ［13 ］ 的结论。马粤 通过 Ansys 的流固耦合模块求解 分析海洋立管在内、外流共同作用下结构的振动特 性发现，内部流动使立管中部的振幅逐渐减小并稳 定，且激发出了更高阶模态的振动。
1
1. 1
管内流动与立管振动试验
［9 ］
MPa，精度 0. 1 级，设置在立管底部。
1—压缩机； 2—水泵； 3—缓冲罐； 4—气体流量计； 5— 液体流量计 ； 6 — 气液混合器 ； 7 — 下倾段 ； 8 — 位 移传感器 ； 9 — 压力传感器 ； 10 — 立管段 ； 11 — 水箱 。
法的状况，李乃良等
［6 ］
图1 Fig. 1
石
油
机
械
2016 年
第 44 卷
第4期
发，形成的气泡在上升过程中不断膨胀 ，推动液体 加速喷出。 喷发结束后， 少量液体回落， 造成堵 管，流动进入下一周期。 强烈段塞流Ⅱ时，由于气体流速提高，气体空 间压力的增长速度大于立管中液体静压的增长速度， 气体连续不断地进入立管，形成含有大量气泡的液 塞，此时立管内的流型为气泡流或块状流，管道出口 处气相不再出现断流且依然发生气液喷发回落现象。 强烈段塞流 Ⅲ 时， 液体对气体的携带作用增 强，下倾管中的气体一直被带入立管 ，气体进入立 管的流量有明显的周期性。 在强烈段塞流 Ⅲ 的基础上继续增大液体流量， 立管中出现稳定气泡流，此时下倾管中含气率非常 小，气液分层流动，少量的气体与液体一起进入立 管并稳定地流出。 继续增大液体流量， 下倾管中液体速度很高， 导致气、液相间出现滑脱，气体在下倾段的累积量 没有显著的规律， 立管中大气泡与小气泡夹杂上 升，整体呈现带有波动的气泡流。 乳沫流的液体流量大于强烈段塞流 Ⅱ，下倾管 中为波浪流，立管中流动为乳沫状。 当气液流量很高时，下倾段由分层流转变为段 塞流，液塞速度很快，对立管的冲击强烈。 2. 2 压力波动时频分析 目前，对立管中的流型识别方法主要基于肉眼
油
机
械 2016 年 第 44 卷 第4期
CHINA PETＲOLEUM MACHINEＲY
海洋立管两相流动及管道振动特性试验研究
刘 昶 李玉星 王 琳 胡其会 王 权
*
（ 中国石油大学 （ 华东） 储运与建筑工程学院； 山东省油气储运安全省级重点试验室 ）
摘要： 为了识别海洋立管系统中可能出现的各个流型及考察立管系统在各流型作用下的动态 响应，利用室内试验装置模拟海洋立管系统 ，对立管中两相流动压力波动及其引起的管道振动位 移进行测试。试验中共观测到 7 种流型，提取了不同流型下压力波动的时频域特征值和振动响应 的时频域特征值。对气液两相流流动特征及其引起的立管振动特性进行对比分析 。研究结果表明， 可通过时域信号结合功率谱密度特征对立管中流型进行判别 ； 在具有明显周期性的内部流动的激 励下，立管的振动频率与内部压力波动频率相等 ； 强烈段塞流 Ⅰ、 强烈段塞流 Ⅲ 和水力段塞流对 立管振动影响较大，强烈段塞流 Ⅰ 下立管产生的位移最大， 水力段塞流下立管的振动频率最高。 研究结果对保证海洋立管的安全运行具有一定的参考作用 。 关键词： 海洋立管； 气液混输； 压力波动； 功率谱密度； 立管振动 中图分类号： TE952 文献标识码： A doi： 10. 16082 / j. cnki. issn. 1001 － 4578. 2016. 04. 010
10 －3 m3 ·s －1 10 －3 m3 ·s －1
液体流量 0. 31 0. 77 1. 06 1. 47 2. 75 2. 34 3. 02
强烈段塞流Ⅰ 强烈段塞流Ⅱ 强烈段塞流Ⅲ 稳定气泡流 波动气泡流 乳沫流 水力段塞流
各流型压力波动时域信号如图 3 所示。
观察和压力或压力信号的时域分析 ，压力信号客观 地反映了与流型有关的信息。而对于流动状态相近 的流型，如稳定气泡流和乳沫流，两者压力时域信 号比较相近，较难区分，需要对压力信号进行进一
试验目的 为了获取立管系统中可能出现的更多流型 ，分
图2 Fig. 2 下倾管立管系统流型图 Flow pattern map of lower inclined pipe- riser system
析各流型压力信号的时域和频域特征以及立管振动 特性，建立了室内试验装置以模拟海洋立管系统 。 1. 2 试验装置及步骤 试验装 置 见 图 1。 测 试 段 管 道 底 部 为 固 定 支 撑，顶部为简支支撑。 位移传感器有效行程 10 ～
试验装置示意图
Schematic diagram for testing apparatus
试验时，调节缓冲罐后的节流阀使气量较小， 3 调节水泵变频装置使水流量从 0. 48 m / h 递增到 12. 00 m 3 / h，记录出现的每种流型的气液流量并测 量立管底部的压力和位移，增大气体流量进行下一 3 组试验，气体流量范围 0. 15 ～ 31. 86 m / h。
0引言ຫໍສະໝຸດ 海洋立管是海洋石油开采中的关键设备 ，它负
* 基金项目： 国家自然科学基金项目 “立管内气液两相流动与海洋环境共同诱发立管振动耦合研究” （ 51404290） 。
2016 年
第 44 卷
第4期
刘
昶等： 海洋立管两相流动及管道振动特性试验研究
— 47 —
证立管的安全运行显得尤为重要 。 学者们针对立管系统内比较容易产生的强烈段 ［1－5 ］ ， 研究主要集中在 塞流进行了大量的试验研究 强烈段塞流的归类、产生机理、压力波动、流动周 期、出口含气率和出口速度等特性参数的变化规 律，不同立管结构对强烈段塞流特性的影响以及强 烈段塞流的消除方法上。这些试验中的气液折算速 度大都小于 1 m / s，在试验中观测到的流型主要分 为 3 类： 强烈段塞流、过渡流和稳定流。 针对管道中流型识别大多基于肉眼观察和压力 压差信号的时域特征分析，缺乏更为客观的识别方 S 型柔性立管内 研究了集输压差信号的时域特征和频域特征后发现，单凭压差 波动信号难以区分不同类别的强烈段塞流，而压差 ［7 ］ 信号的 PSD 特征可以做到。周云龙等 利用压差信 号的时域特征结合频域特征也客观地判别了倾斜下 ［8 ］ 降管内流型。肖荣鸽等 对水平管道中段塞流压力 信号和压差信号的 PSD 特征进行比较发现，段塞流 的压差功率谱密度分布与压力功率谱密度分布相似， 压力功率谱的幅值大于压差功率谱的幅值。 在以往对立管振动的研究中，学者们着重于对 管外涡激影响的研究，内流的影响通常被忽略。随 着研究的深入，内流对立管动力特性的影响引起了 学者们的关注 。 S. Chucheepsakul 等［10］ 分析了内 部流动流体和静位移对立管动力特性的影响 ，结果
2
2. 1
试验结果及分析
立管两相流流型
表明立管频率随着内流流速的增加和静位移的增加 ［11 ］ 而降 低。 王 法 利 通 过 试 验 方 法、 Li Xiaomin 等
［12 ］
试验中一共观察到 7 种流型： 强烈段塞流 Ⅰ （ SS Ⅰ ） 、 强烈段塞流 Ⅱ （ SS Ⅱ ） 、 强烈段塞流 Ⅲ （ SSⅢ） 、稳定气泡流、 乳沫流、 波动气泡流和水 力段塞流。以气相折算速度为横坐标、液相折算速 度为纵坐标绘制流型图，如图 2 所示。
Abstract： In order to identify flow patterns that may occur in the marine riser system and study the dynamic response of the riser under different flow patterns， twophase flow pressure fluctuations in the riser and resulting riser vibration displacement were tested by using an indoor testing apparatus for simulating the marine riser. In the experiment，a total of seven flow patterns are observed ； timefrequency domain characteristic values of the pressure fluctuation and vibration response are extracted under different flow patterns. A comparative analysis is conducted on gasliquid flow characteristics and resulting riser vibration characteristics. The results show that the flow pattern in the riser can be distinguished based on time domain signal and power spectrum density characteristics； the vibration frequency of the riser is equal to that of the pressure fluctuation when the internal flow has an obvious cycle； severe slug flow Ⅰ，severe slug flow Ⅲ and hydraulic slug flow have more influences on the riser vibration ； the riser has the largest displacement under the severe slug flow Ⅰ，and it has the highest vibration frequency under the slug flow. Key words： marine riser； gasliquid transportation； pressure fluctuation； power spectral density ； riser vibration 责连接海底井口或海底集输管道与海上平台 ，同时 也是海上石油开采系统中最薄弱的环节 ，其外部承 受洋流、波浪的冲刷载荷，内部输送高压气液。在 如此复杂的外力作用下，考察立管的动态响应以保
强烈段塞流Ⅰ发生时的气液流量都处于较低的 水平，此时下倾管内一直保持分层流，液塞间歇性 堵管，使气体在下倾管内累积，当气体压力超过立 管内液体的静压力时气体进入立管与液体一起喷
100 mm，独立线性精度 0. 10% ，无限分辨解析度， 设置在立管正下方。压力变送器测量范围 0. 0 ～ 0. 5
— 48 —
Experimental Study on Twophase Flow and Vibration Characteristics of Marine Ｒiser
Liu Chang Li Yuxing Wang Lin Hu Qihui Wang Quan
（ College of Pipeline and Civil Engineering， China University of Petroleum （ Huadong ） ； Shandong Key Laboratory of Oil ＆ Gas Storage and Transportation Safety Engineering）
步的时域和频域统计分析。 2. 2. 1 时域统计分析 选取典型的 7 种流型的气液流量如表 1 所示。
表1 Table 1 各流型气液流量 Gasliquid flow under different flow patterns
流 型 气体流量 0. 32 2. 14 0. 87 0. 32 0. 59 1. 79 4. 75
通过建立求解顶张力立管系统的数学模型，
同样得出了内流的存在会降低海洋立管的振动频率 ［13 ］ 的结论。马粤 通过 Ansys 的流固耦合模块求解 分析海洋立管在内、外流共同作用下结构的振动特 性发现，内部流动使立管中部的振幅逐渐减小并稳 定，且激发出了更高阶模态的振动。
1
1. 1
管内流动与立管振动试验
［9 ］
MPa，精度 0. 1 级，设置在立管底部。
1—压缩机； 2—水泵； 3—缓冲罐； 4—气体流量计； 5— 液体流量计 ； 6 — 气液混合器 ； 7 — 下倾段 ； 8 — 位 移传感器 ； 9 — 压力传感器 ； 10 — 立管段 ； 11 — 水箱 。
法的状况，李乃良等
［6 ］
图1 Fig. 1
石
油
机
械
2016 年
第 44 卷
第4期
发，形成的气泡在上升过程中不断膨胀 ，推动液体 加速喷出。 喷发结束后， 少量液体回落， 造成堵 管，流动进入下一周期。 强烈段塞流Ⅱ时，由于气体流速提高，气体空 间压力的增长速度大于立管中液体静压的增长速度， 气体连续不断地进入立管，形成含有大量气泡的液 塞，此时立管内的流型为气泡流或块状流，管道出口 处气相不再出现断流且依然发生气液喷发回落现象。 强烈段塞流 Ⅲ 时， 液体对气体的携带作用增 强，下倾管中的气体一直被带入立管 ，气体进入立 管的流量有明显的周期性。 在强烈段塞流 Ⅲ 的基础上继续增大液体流量， 立管中出现稳定气泡流，此时下倾管中含气率非常 小，气液分层流动，少量的气体与液体一起进入立 管并稳定地流出。 继续增大液体流量， 下倾管中液体速度很高， 导致气、液相间出现滑脱，气体在下倾段的累积量 没有显著的规律， 立管中大气泡与小气泡夹杂上 升，整体呈现带有波动的气泡流。 乳沫流的液体流量大于强烈段塞流 Ⅱ，下倾管 中为波浪流，立管中流动为乳沫状。 当气液流量很高时，下倾段由分层流转变为段 塞流，液塞速度很快，对立管的冲击强烈。 2. 2 压力波动时频分析 目前，对立管中的流型识别方法主要基于肉眼