涂多運(yùn) 董勇 余洋 楊天雪 周裕鑫 肖芳

1中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司

2中國石油華北油田第四采油廠

天然氣管道振動(dòng)問題涉及多學(xué)科理論，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和偶然性，其分析和處理一直是復(fù)雜的技術(shù)難題。輸氣管道振動(dòng)的類型常分為流激振動(dòng)、聲激振動(dòng)、機(jī)械激勵(lì)、脈動(dòng)、渦旋脫落、閥門操作引起的喘振或動(dòng)量變化、氣蝕等[1-2]。近年來，有關(guān)天然氣管道振動(dòng)分析計(jì)算的相關(guān)研究不斷涌現(xiàn)，特別是壓縮機(jī)管線的振動(dòng)[3-8]；目前借助有限元軟件來計(jì)算分析已成為研究的趨勢[9-13]，同時(shí)，亦有學(xué)者對(duì)實(shí)際場站出現(xiàn)的管道振動(dòng)進(jìn)行定性分析并提出對(duì)應(yīng)解決措施[14-17]。

在管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常采用有限元技術(shù)對(duì)易出現(xiàn)振動(dòng)的工藝管道進(jìn)行建模分析，而支管盲端的振動(dòng)問題常被忽視，相關(guān)研究鮮見于文獻(xiàn)。本文結(jié)合海外工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)踐，針對(duì)國內(nèi)某輸氣站場出現(xiàn)的支管盲端振動(dòng)問題，采用英國能源研究所指南[18]提出的方法，分析計(jì)算該支管盲端失效概率，進(jìn)而提出解決措施，成功地消除了管線上出現(xiàn)的支管盲端振動(dòng)。

1 支管盲端振動(dòng)失效

英國能源研究所指南提供了一系列關(guān)于管道系統(tǒng)的失效概率(LOF)計(jì)算方法，通過賦予分支管各種特性不同權(quán)重來評(píng)估其對(duì)振動(dòng)和疲勞的敏感性，可作為大多數(shù)小口徑分支管振動(dòng)失效風(fēng)險(xiǎn)的篩選依據(jù)。該指南采用階段式方法對(duì)失效概率進(jìn)行評(píng)估：第一步定性評(píng)估，通過激振源初步評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；第二步定量評(píng)估，判斷故障可能發(fā)生的區(qū)域；第三步專業(yè)性地判定高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，并提供改造建議。

盲端振動(dòng)是氣流脈動(dòng)引起的，常發(fā)生在旁通管線和閥門關(guān)斷下的泄放管線處。在流速較高的氣體管道系統(tǒng)中，盲端的分、主管口處不穩(wěn)定流動(dòng)會(huì)表現(xiàn)出某種形式的聲激勵(lì)，類似于吹瓶子口產(chǎn)生的音調(diào)響應(yīng)。如果這種離散頻率的渦旋與分支管的聲學(xué)固有頻率一致，則會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)，這種脈動(dòng)的發(fā)生取決于氣體流量，且最大流量可能并不是盲端振動(dòng)最大的情況（圖1）。

圖1 支管盲端示意圖Fig.1 Schematic diagram of branch pipe blind end

針對(duì)支管盲端振動(dòng)問題，利用英國能源研究所指南提供的專門的失效概率計(jì)算方法，通過計(jì)算盲端激勵(lì)頻率和聲學(xué)固有頻率的比值來確定失效概率的數(shù)值。

2 失效概率計(jì)算公式

支管盲端振動(dòng)失效概率計(jì)算主要涉及到以下參數(shù)：支管臨界直徑、斯特魯哈爾數(shù)（StrouhalNumber）、激勵(lì)頻率、聲學(xué)固有頻率、主管平均流速、流體動(dòng)能(ρυ2)、雷諾數(shù)(Re)。

（1）支管臨界直徑。支管盲端振動(dòng)的發(fā)生與支管內(nèi)徑和主管流體動(dòng)能存在一定的關(guān)系，當(dāng)主管流體動(dòng)能一定時(shí)，就存在一個(gè)支管臨界直徑。當(dāng)支管內(nèi)徑大于或等于支管臨界直徑時(shí)，氣流脈沖可能引起的支管盲端振動(dòng)失效概率可判定為0.2，即可忽略氣流脈動(dòng)對(duì)支管盲端的影響；當(dāng)支管內(nèi)徑小于支管臨界直徑時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步計(jì)算盲端振動(dòng)失效概率。

式中：dcrit為支管臨界直徑，mm；v 為主管平均流速，m/s；ρ 為操作工況下流體密度，kg/m3。

（2）斯特魯哈爾數(shù)。當(dāng)雷諾數(shù)Re 大于1.6×107時(shí)

當(dāng)雷諾數(shù)Re 小于等于1.6×107時(shí)

式中：S 為斯特魯哈爾數(shù)，m/s；S1為計(jì)算變量；dint為支管內(nèi)徑，m；Dint為主管內(nèi)徑，m；c 為氣流中音速，m/s；Re 為雷諾數(shù)，無量綱。

（3）激勵(lì)頻率。激勵(lì)頻率的計(jì)算式為

式中：Fv為支管激勵(lì)頻率，Hz。

（4）聲學(xué)固有頻率。聲學(xué)固有頻率計(jì)算式為

式中：Fs為支管聲學(xué)固有頻率，Hz；Lbranch為支管盲端長度，m。

當(dāng)LOF=1 時(shí)，意味著支管盲端可能會(huì)出現(xiàn)失效，需調(diào)整管道系統(tǒng)布置或流動(dòng)參數(shù)；當(dāng)LOF=0.29 時(shí)，則意味著可忽略氣流脈動(dòng)對(duì)支管盲端的影響。

支管盲端振動(dòng)失效概率計(jì)算流程框圖見圖2。

圖2 計(jì)算流程框圖Fig.2 Flow diagram of calculation

3 工程實(shí)例計(jì)算

某輸氣站場改造設(shè)置臨時(shí)流程，從輸氣干線氣液聯(lián)動(dòng)閥上下游旁通下載凈化氣輸至用戶。臨時(shí)流程建成運(yùn)行后，在兩個(gè)三通處發(fā)現(xiàn)，垂直地面方向管道振動(dòng)較大，附近地面振感強(qiáng)，具體位置見圖3。已知臨時(shí)流程主管尺寸為Φ219.1 mm×7.1 mm，氣體標(biāo)況流量250×104～270×104m3/d，對(duì)應(yīng)的操作壓力4.8～5.3 MPa，操作溫度取20 ℃。振動(dòng)位置1 處支管尺寸為Φ114.3 mm×5.0 mm，振動(dòng)位置2處支管尺寸為Φ168.3 mm×6.3 mm。

圖3 管道振動(dòng)位置Fig.3 Position of pipe vibration

（1）問題分析。通過現(xiàn)場了解，在臨時(shí)流程運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)位置1 處和振動(dòng)位置2 處支管上閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)，管道系統(tǒng)就會(huì)在上述2處形成較長的支管盲端。采用本文提到的失效概率計(jì)算方法進(jìn)行分析，其中相應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表1。表1中：是比熱容比，Cp是定壓比熱容，Cv是定容比熱容，單位均為J/(kg·k)。

表1 失效概率計(jì)算Tab.1 Calculation of failure probability

工況1：主管尺寸DN200，支管尺寸DN150，氣體標(biāo)況流量270×104m3/d，操作壓力5.3 MPa，操作溫度20 ℃；工況2：主管尺寸DN200，支管尺寸DN100，氣體標(biāo)況流量270×104m3/d，操作壓力5.3 MPa，操作溫度20℃；工況3：主管尺寸DN200，支管尺寸DN150，氣體標(biāo)況流量250×104m3/d，操作壓力4.8 MPa，操作溫度20 ℃；工況4：主管尺寸DN200，支管尺寸DN100，氣體標(biāo)況流量250×104m3/d，操作壓力4.8 MPa，操作溫度20 ℃。

計(jì)算表明，在此工況下，支管盲段處可能會(huì)出現(xiàn)流激振動(dòng)，且振動(dòng)影響不可忽略，而現(xiàn)場反饋運(yùn)行中的管道確實(shí)發(fā)生了振動(dòng)。鑒于此，需采取相關(guān)措施緩解振動(dòng)。由于運(yùn)營單位對(duì)臨時(shí)流程輸氣量和輸氣壓力有指標(biāo)要求，無法直接降低輸量或者提高輸送壓力；而庫存管材和管件規(guī)格和數(shù)量有限，無法實(shí)施增大主管、支管尺寸和壁厚等方案；故只能調(diào)整管道系統(tǒng)布置，間接減低輸量和減少支管盲端長度。

（2）解決方案。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，將“一路供氣”改成“二路供氣”，即采用輸氣干線氣液聯(lián)動(dòng)閥上下游旁通同時(shí)向臨時(shí)流程供氣，間接將單路輸氣量降至原輸氣量的一半；同時(shí)打開氣液聯(lián)動(dòng)閥上下游旁通管線上閥門，形成通路，避免原“振動(dòng)位置1”處形成的盲端。整改前后工藝流程見圖4，整改后的管道布置如圖5。整改后盲端振動(dòng)失效概率計(jì)算見表2。

圖4 整改前后工藝流程Fig.4 Process flow before and after rectification

表2 整改后失效概率計(jì)算Tab.2 Calculation of failure probability after rectification

圖5 整改后管道布置Fig.5 Piping layout after rectification

計(jì)算表明，整改后，“振動(dòng)位置2”支管盲段處出現(xiàn)流激振動(dòng)概率小，且可忽略盲端振動(dòng)影響。根據(jù)現(xiàn)場反饋，整改后管道系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，無振動(dòng)，與理論計(jì)算相符。綜上可見，采用本文的失效概率計(jì)算方法可為支管盲端振動(dòng)問題提供有效可行的解決方案。

4 結(jié)論

管道系統(tǒng)的振動(dòng)原因復(fù)雜，常是多種因素疊加的結(jié)果，準(zhǔn)確地分析振動(dòng)需結(jié)合專業(yè)軟件來模擬計(jì)算。輸氣場站管道系統(tǒng)中存在支管盲端不一定會(huì)引發(fā)振動(dòng)，振動(dòng)也不一定會(huì)失效。采用本文失效概率計(jì)算方法，可簡單、快速地發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致支管盲端振動(dòng)的因素，進(jìn)而制定針對(duì)性的緩解措施。建議國內(nèi)工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段采用英國能源研究所指南中提供的程序和方法對(duì)整個(gè)工程管道系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)檢查，如發(fā)現(xiàn)不符合項(xiàng)，需進(jìn)行完善設(shè)計(jì)，從而規(guī)避運(yùn)行階段可能出現(xiàn)的管道振動(dòng)。