海底天然气悬空管道的动力学分析-.pdf

2 0 天 然 与 与 石 油 N AT UR AL GAS AND OI L 2 0 1 1年 1 2月 海底天然气悬空管道的动力学分析 成磊陈利琼李桂亮龙宪春 西南石油大学， 四川 成都 6 1 0 5 0 0 摘要 海底悬空管道在受到波浪或海流的涡激振 动作用 时易发 生共振 ， 严 重时会导致管道失效 ， 为 了 减少或避 免共振 的发生 ， 有必要弄清导致海底 管道发 生共振 的各 因素相关联系。以海底 天然气管道 为研究对象 ， 在 A N S Y S中建立 了管道模 型； 采 用 A N S Y S模 态分析方法 ， 对 海底天然 气管道 的固有 频率进行 了研究 ， 分析 了管道跨长 、 边 界条件和 管径 三个影响 因素对天然气管道 固有频率 的影响。 总体来说 ， 管道 跨度越 短， 固有频率越大 ； 管道两端约束条件越少 ， 固有频 率也越 小； 管 径越小 ， 固有 频率越小。 这样 可以通过 改变或优化管道跨长 、 约束条件和管道尺 寸来减少或避 免海底 悬跨管道发 生共振。 关键 词 海底天然气悬空管道 ； A N S Y S ； 模 态分析 ； 固有频率 文 献标识 码 B 文章 编号 1 0 0 6 5 5 3 9 2 0 1 1 0 6 0 0 2 0 0 4 0前 言 人类社会对能源 的需求 日益增加 ， 世界范 围的油 气 勘探 与开 发 已经从 陆 地转 向资源 丰 富 、 占地 球 表 面 7 1 ％的广 阔海洋 。勘探 表 明 ， 我 国南海 海域 、 渤海 海域 以及东海都储存着丰富的油气资源 ， 从 2 O世纪 6 0年 代起 ， 我国就开始 了自主开发海上油气资源⋯。 和陆地 管道不 同， 海底 管道所处的海洋环境异常复杂 ， 管道 直接受到波浪 、 海流的作用 。当海流经过管道时 ， 会伴 随着周期性 的漩涡脱落。这种 由于漩涡脱落引起的悬 空段周期性 的振动称为涡激振动。涡激振动频率一旦 与管道固有频率 同步 ， 将会增大管道振动幅度 ， 增加 管道失效 的概率。因此管道存在着许多不确定的安全 隐患 ， 一旦发生事故 ， 将会造成无法估量 的损失。 A r n o l d对 美 国 密 西 西 比河 三 角 洲 1 9 5 8 ～ 1 9 6 5年 间海底管道失效事故进行了统计 ， 发现造成海底管道 失效的主要原 因是海床运动和波流冲刷所形成 的管 道悬空。 2 0世纪 5 0年代以来 ， 世界上关于海底管道因 冲蚀悬 空 而造成 破坏 的报 道层 出不穷 。 此外 ， 由于各 种原 因 ， 在 海底 管道 铺 设 阶段 ， 不 可 避 免地 会有 悬空 管道 设计 ． 这也 需要 相 应 的参 考标 准 指导管道建设。国内也有很多人在海底管道动力分析 上做了大量工作 ， 如徐进 、 李玉成等人 [ 3 吲很好地分析 了悬跨管道由于振动引起疲劳破坏 ， 以及海底不 同因 素情况下对管道振动变化的影响 。 但是他们仅从理论 上分析 ，对于工程人员利用软件模拟指导意义不 大。 高文等人_ 6 利用 A N S Y S对海底管道进行建模 ， 对影响 海底管道 固有频率 的因素进行 了对比分析 ， 对实际管 道建设有极大的指导意义 ． 但是影响因素不够全面且 只是 针对 海 底石 油 管道 。本 文 运用 A N S Y S分 析 了天 然气 海底 的动力特 性 ， 并 加人 了管道 直 径对 动力 特 性 的影响分析。这些分析 ， 对保证海底管线的安全运行 有着 重要 的意义 。 收 稿 日期 2 01 l 一 08 06 作者简介 成磊 1 9 8 “ 7 一 ， 男 ， 四川仁寿人 ， 硕士研究生 ， 主要从事油气管道风险评价与模拟仿 真。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 6期 Ol L AND GAS T RANSP ORT AT l ON AND S T ORAGE 1 模态分析理论 AN S Y S是著名的通用有限元分析软件 ， 其强大的 功能分析受到相关专业科研及工程计算人员的青睐 。 AN S Y S模态分析用于确定结构 的振动特性一一 固有 频率和模态形状 ] 。 对于无阻力系统 ， 用矩阵符号表达运动方程见式 1 [ ] { ／ ／ t [ K] { u } { 0 } 1 式 中 [ ] 质量矩阵； [ ] 结构 的钢度矩阵 ， 也可以包括预应力 效应 。 对 于一个线性系统 ，自由振动将是谐波形式 ， 见 式 2 { } { } C O S O t 2 式 中 { 咖} 厂一 阶固有频率的模态本征矢量 ； ￡ 厂 _ _ 阶固有环向频率 ； 时 间 。 这样式 1 可以写成 一 ； [ ] [ K] { } 产{ 0 } 3 在式 3 中 ， 如果 { 咖} F{ 0 } 或是 一 ∞ [ ] E K] 为 0 ， 等式都能得到满足 ， { } 可 以忽略 ， 因此要使方 程 满 足则 l [ K] 一 2 [ ] j 0 4 式 4 是一个特征值问题 ， 通过固有环 向频率 { ∞} ， 可 以得到固有频率 5 1 T 式 中 第 i 阶固有频率。 2 A NS YS模型 的建 立 A N S YS模态分析基本步骤分三步 前处理 、 求 解 和后处理 。在前处理阶段进行几何建模 和网格划分 ； 在求解 阶段进行分析类型及选 型、 加载和求解 在后 处理阶段查看结果 。 A N S Y S中 p i p e 5 9单元是一种可承受拉 、 压 、 弯作 用 ， 并且能够模拟海洋波浪和水流的单轴单元 。先用 p i p e 5 9单元对管道进行建模 ，选择某海底 X 6 5管道 ， 钢管 外 径与 壁厚 分 别 为 3 5 0 m m 和 1 2 m m。考虑 管 输 介 质为天然气 ， 因此可以忽略介质重量 ， 同时考虑管 外有 3 0 m m泡沫黄夹克保温层 。海洋环境参照徐进等 人[4 采用的渤海 自然环境参数， 海水密度为 1 0 2 5 k g ／ m ． 海 底 流 速 1 ． 0 m ／ s ， 并 设 水 深 为 1 6 13 1 ， 建 模 过 程 中 以 方向为管道轴向方向， I ， 方向为管道径向方 向。 并对管 道模型两端节点 X和 l ， 方向约束。管道模型见图 1 Y 油号储运 人N、 AP R 2 9 2 01 1 2 320 4 9 图 1管道模型 3 悬跨管道静 力分析 要进行悬跨 管道的动力分析 ， 首先要分析悬跨管 道在一定的跨度及水深条件下不失效的可用条件。取 悬跨管道跨度为 4 0 m， 其余建模条件按 图 1的管道各 参数进行建模 ， 静态应力分析结果见图 2 。 由图 2可知 悬跨管道跨度为 4 0 m时 ． 管道中点受到最大应力 ， 最 大应力为 0 ． 9 0 1 x 1 0 P a 。 参考 X 6 5钢管强度参数_ 9 。 得 最低屈服强度为 4 ． 5 x 1 0 P a 。由此可得， 按 图 1 中所采 用 的管道建模参数 ．在跨 度为 4 0 m以及小于 4 0 m 时 ， 悬跨管道不失效 。因此 ， 可 以对跨度在 4 0 m及小 于 4 0 m的悬跨管道进行动力分析。 NODAL S OLUTI oN STE P I SUB1 TI M E1 S E QV A VG1 DMS ． 2 9 0 4 9 5 SMN 8l 1 9 4 SMX． 9 0 7 E 08 1匠X MN MX N 、 J UN 2 5 2 01 1 1 95 038 8 l 1 9 4 ． 2 0 2 E0 8 ．4 03 E0 8 ． 6 0 5 E 0 8 ． 8 0 6 E 0 8 ．1 0 l E 0 8 ． 3 0 3 E 08 ． 5 0 4 E0 8 ． 7 0 5 E0 8 ． 9 0 7 E 0 8 图 2静态应力分析结果 4 悬跨管道 固有频率分析 如 图 1 ， 以跨长 2 0 m进行建模 ， 其它建模条件与 图 1 建模条件相同。由于海底水流或波浪引起的激振 频率一般都是几到几十赫兹 ， 为分析方便 ， 以 0 ～ 2 0 H z 作为海流涡激振动产生的频率 。 因此在模态分析求解 控制中设置提取总共八阶模态振型。在无预应力情况 下 ，得到模态振型及对应的 Mi s e s 应力分布图为六阶 振型及应力分布 ， 见图 3 。 分别提取前八阶模态的 自振 频率见表 1 。 由表 1可看 出， 阶数越高 ， 管道 的自振频率越大 且选取的各阶频率范围与涡激频率范围相 当， 表明下 2 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 22 天然 号 与 石 油 NA T UR AL GAS A ND OI L 2 0 1 1年 1 2月 NODAL S 0LUT1 0N S TEPI S UB6 FREO 9 ． 7 0 9 US U r AVG1 RS YS 0 DM X． 0 3 1 5 6 3 S M N ． 31 5 E 1 6 S M X．0 3 1 5 6 3 J uN 1 1 面第 5节选择前八阶振型进行分析是合理的。 2 0 1 448 3 l 5 E． 1 6 ． 0 0 7 01 4 ． 01 4 0 2 8 ． 0 2 1 0 4 2 ．0 2 8 05 6 ．0 0 3 5 0 7 ． 0 1 0 5 2 1 ． 0 l 7 5 3 5 ． 0 2 4 5 4 9 ．O 31 5 6 3 图 3六 阶 振型 表1 管道各阶固有频率 阶数 固有频率 ， H z 毽 毂j | 礓 一 阶0 五阶 5 ． 5 1 5 二阶0 ．7 5 51 0 六阶 9 ． 7 0 9 三阶0 ． 1 0 41 0 r 4 七阶 1 5 ． 1 3 9 四阶 2 ． 4 3 5 八阶 2 1 ． 7 2 8 表2跨度不 同的管道各阶固有频率 5 动力影响因素分析 本文分别对影响管道固有频率的三个因素 ， 即悬 跨长度 、 管跨两端约束和管道直径进行了分析。 5 。 1 悬跨长度对固有频率的影响 对于海底管道 ， 跨度是对管道 固有频率起着非常 重要 的影响 ，在 A N S Y S中建立悬跨长度分别为 5 、 1 0、 2 0 、 3 0、 4 0的管道模型 ； 其余建模条件相 同 ， 与图 1中管道模型建模条件一致。 提取各阶固有频率进行 对比分析 ， 不同跨长下各阶固有频率见表 2 。 由表 2可看出 ， 跨度越大． 各 阶频率减小 ， 当跨度 达到 3 0 m 以上 ， 前八 阶频率都小于 1 0 H z ， 这将会大 大增加海底海流及波浪造成海底管道共振 的危险。 5 ． 2 约束 对 固有频 率的 影响 在跨越管道施工过程 中． 跨越段两端对管道的 自 由度约束也会对跨越管道的固有频率造成影响， 在建 模过程 中， 将实际的 自由度简化为 、 】 ， 、 z方 向， 跨度 为 2 0 m时， 分别约束 X、 XY和 Y Z方向自由度 ， 其余 建模条件相同， 与图 1中管道模 型建模条件一致 。并 提取各阶模态 ， 各阶固有频率见表 3 。 由表 3可看 出， 只施加 方 向上的约束 时 ， 前五 阶频率非常小 1 0 H z以下 的频率视为 0 ， 下同 ， 分 析时可以忽略，且五阶以上各阶频率增长 幅度较大 ， 处 于 0 ～ 2 0 H z 涡激振动频率的阶数只有六 阶和七 阶； 对于在 XY方 向上 同时施加约束 ，小于 2 0 Hz 的频率 有四阶、 五阶、 六 阶、 七阶； 对于全约束 ， 相对前两种约 束条件 ， 固有频率 都增 大 ， 但是处于 2 0 H z以下 的频 率仍然有 四个振型。综合分析 ， 增加管道两端 自由度 可以降低跨越管道在低频率涡激振动下发生共振 的 表3不 同约束条件下的固有频率 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 6期 OI L AND GAS TR ANSP ORT AT I ON AND S TOIq AGE 可能性 。 5 ． 3管径对 固有频率的影响 管径 的大小也是水下跨越管道 固有频率影响 因 素之一 ， 跨度为 2 0 m时， 建立不 同管道直径 3 0 0 、 4 0 0 、 表4 不 同管径条件下管道的固有频率 油号储运 5 0 0 、 6 0 0 、 7 0 0 、 1 0 0 0 m m进行分析 ；其余建模 条件相 同， 与图 1中管道模 型建模条件一致 。在不 同管径 条件下海 底管道的固有频率见表 4 。 由表 4可看出 ， 频率随阶数增加而增大 ， 同时 ， 管 lll l ；i 谚 lll ll ll 一 _ _ | 。 I ≯ l 誊 蔼 | s 瑟 ； 董 | 鬈 毒j 函 llll 0_ 4 f j f 廊 _l l l j 珑锄砸 l l霪 一l 窖 切 面 | | 董 | 7 0 0 mm 1 O 0 0 m m 道直径越大 ， 各阶频率越大。因此 ， 在能够保证管道输 量情况下． 应 当尽量选取直径较大的管道。 6 结论 本文以海底天然气跨越管段为研究对象， 用 A N S Y S 有限元 软件对影 响海底管道动力特性的因素进行 了 分析． 得 出结论 a 随着跨越长度增加 ， 管道 固有频率减小 ， 使得 管道更容易发生涡激共振 。因此 ， 对于悬跨段设计应 尽量减少跨越长度 ， 对 于冲刷形成的较大 的跨越段应 当采取补救措施 ， 如在跨越段之间加 支承 ， 设计阶段 也 可 以考虑 支 承 。 b 对于跨越段两端约束条件 ， 只对 x方向进行约 束 ， 其发生涡激共 振概率低 ； 也可以通过 完全 固定两 端增大管道 的固有频率以降底共振可能性 。 c 管道直径对 固有频率也有影响 ， 随着管道直径 的增大 ， 固有频率也增 大 ， 因此在保证 输量的同时应 适 当增大管径。 总之 ， 为 减 少 或 避 免海 底 管 道 发 生共 振 ， 应 同时 考虑管道跨长 、 约束条件 以及管道直径 ， 以取得最优 化结果 。 参考文献 [ 1 ] 高 文． 浅海海底 悬空管道动力响应分析及治理[ D] ． 北京 中国石 油大 学， 2 0 1 0 ． [ 2 ] F u me s G K， B e r n t s e n J ． On t 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