基于ANSYS的浅海天然气立管模态分析.pdf

基于A N S Y S 的浅海天然气立管模态分析 王 东1 ，任帅1 ，陈磊1 ，田旺和2 ，王旭超3 1 ．西南石油大学，四川成都6 1 0 5 0 0 ；2 ．中石油西南管道公司兰成渝输油分公司， 四川成都6 1 0 0 3 6 ；3 ．中国石油工程设计有限公司华北分公司，河北任丘0 6 2 5 5 2 摘要为了避免立管发生涡激共振，识别影响立管固有振动频率的因素，保障管道安全稳定运行， 利用A N S Y S 有限元分析软件建立有限元模型，对天然气立管进行模态分析，并分析了立管高度、风速、 管径和管道两端约束方式4 种影响因素对天然气立管固有频率的影响规律。得到了如下结论随着立 管高度的增加，立管的固有频率减小；风栽荷大小对立管的固有频率没有影响；随着管径增大，立管的 固有频率也增大；立管的两端要尽可能使用全约束条件。 关键词立管；A N S Y S ；固有频率 中图分类号T E 8 8文献标识码A文章编号1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 4 0 3 0 0 0 9 0 3 S h a l l o wG a sR i s e rM o d a lA n a l y s i sB a s e do nA N S Y S W A N GD o n 9 1 ，R E NS h u a i l ，C H E NL e i l ，T I A NW a n g ．h e 2 。W A N GX u - c h Ca 0 3 1 ．S o u t h w e s tP e t r o l e u mU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 5 0 0 ，C h i n a ； 2 ．C N P CS o u t h w e s tP i p e l i n eC o m p a n yL a n z h o n - C h e n g d u - C h o n g q i n gP r o d u c t sT r a n s p o r t a t i o nB r a n c h ， C h e n g d u6 1 0 0 3 6 ，C h i n a ；3 ．C h i n aP e t r o l e u mE n 西n e e r i n gH u a b e iC o m p a n y ，R e n q i u0 6 2 5 5 2 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oa v o i dt h er i s e rv o r t e x - i n d u c e dr e s o n a n c e ，i d e n t i f yt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ei n h e r e n tv i b r a t i o nf r e q u e n - c y0 ft h er i s e r ，g u a r a n t e et h es a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o no fap i p e l i n e ，af i n i t ee l e m e n tm o d e lW a Se s t a b l i s h e do n 山eb a S eo ff i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eA N S Y S ．T h em o d e la n a l y s i sw a sc a r r i e do u to nt h eg a sr i e s e r ，a n dt h ef a c tW a sa l s oa n a l y z e dt h a tf o u r i n f l u e n c ef a c t o r s ，s u c ha st h eh e i g h to ft h er i s e r ，t h ew i n ds p e e d ，t h ep i p ed i a m e t e rs i z ea n dt h eb o t he n d so fap i p e l i n e ，a f f e c tt h e n a t u r a lf r e q u e n c yo ft h en a t u r a lg a sr i s e r ．Ac o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eh e i g h to ft h er i s e r ，t h en a t u r a lf r e - q u e n c yo ft h er i s e rr e d u c e sa n dt h a tt h ew i n dl o a ds i z eh a sn oe 自f e c to nt h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft u b e ．W i t ht h ei n c r e a s eo ft h e p i p ed i a m e t e r ，t h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h er i s e ra l s or i s e s ．T h ee n d so ft h er i s e rm u s tu s ef u l lc o n s t r a i n t sa sf a ra sp o s s i b l e ． K e yw o r d s r i s e r ；A N S Y S ；n a t u r a lf r e q u e n c y 0引言 随着对海底石油天然气开采力度的加大，海底油 气产量不断增加，海底油气管道数量不断增加。立管 是海上油气运输的关键构件，立管的安全问题也逐渐 突显出来。如图1 所示，海底立管所处的海洋环境非 常复杂，水面以上的立管部分会受到的风载荷的作 用，水面以下的立管部分会受到流载荷的作用，水面 处的立管部分会受到浪载荷的作用。当海流经过管 道时，由于压差的变化，引起边界层剥离，造成尾流涡 旋分离，并以一定的频率释放涡旋⋯。一旦这种涡旋 释放的频率与管道固有频率相近，将会引起振幅较大 的谐振，可能使管道损坏，从而造成环境污染等严重 后果。由于国内油气田大部分是近海油气田，所以主 收稿日期2 0 1 3 0 9 一1 8收修改稿日期2 0 1 3 1 2 2 3 要分析浅海立管。有必要对浅海立管进行模态分析， 寻找立管的振动特性，从而提出有效的方法来避免涡 激共振，保证立管的安全稳定运行。 图1 立管结构 1 A N S Y S 软件介绍 A N S Y S 是融合了结构、热、流体、电磁和声学的有 限元分析软件‘2 | 。A N S Y S 主要由前处理模块、分析计 算模块和后处理模块组成。针对复杂多变的海洋情 万方数据 1 0 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t 况，A N S Y S 提供了强大的流固耦合技术。模态分析是 动力学分析的最基础内容，主要是求解结构的固有频 率、振型以及振型参与系数等。 2 有限元模型的建立 在利用A N S Y S 对立管进行结构分析计算时，需要 选择合适的单元进行模拟。参考渤海地区某浅海油 田的数据，该立管为单层保温管，材料为X 6 5 钢，材料 的弹性模量为2 ．0 7 1 0 1 1P a ，泊松比为0 ．3 ，钢材的密 度为7 ．8 5g ／c m 3 ，钢管的外径与壁厚分别为2 7 3m m 和1 2 ．7m m ．输送的介质为天然气，管内压力为2 M P a ，忽略输送介质的质量。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，因此选择P i p e 5 9 单元对管道进行模拟。 该地区的海洋环境状况参数如下，该地区全年平 均风速为8m ／s ，海面流速1 ．0m ／s ，1 0m 水深处流速 0 ．7m ／s ，海底流速0 ．4m ／s ，海水密度为10 2 5k g ／m 3 ， 平均波高为0 ．7m ，有效波周期的年平均值为4 ．5s ， 海水深2 0m ，立管在海面以上高1 0m ．根据风力表达 式，计算出风载荷为8 4 ．0 7N L 2 j 。 建立的模型如图2 所示，以Z 方向为管道轴向方 向，立管总长3 0m ，网格划分时把立管模型3 0 等分。 立管两端节点进行全约束。 图2 有限元模型 3 浅海立管静力学结果分析 在用A N S Y S 软件进行模态分析时，首先应对结构 进行静力分析，求出最大应力值，看是否满足不失效的 条件。静力分析的结果如图3 所示，立管两端受力情况 比较严重，管道受到的最大应力为3 ．9 1 0 6P a ，X 6 5 钢 的最低屈服强度为4 ．5 1 0 8P a ，满足不失效的条件。 4 模态分析结果及影响因素 在A N S Y S 的模型提取方法中选择B l o c kL a l l C z o S 法。设置提取1 0 阶模态振型，并对每一阶振型进行查 看，得到各阶模态振型对应的M i s e s 应力分布图。前 1 0 阶模态的固有频率见表1 。 文中研究了立管高度、风速、管径和管道两端约 束方式对固有频率的影响Ho 。 S E P1 32 0 1 3 1 0 5 6 2 1 埒O 嗵LS O L U T I 翻 S ⅡP ‘l SDB-1 T 工I 匣一1 s E 凹 A V G H m d ；r - l 血i c 4 E 日V Z t 一1 直V 吐S 唯a t 麟一．0 0 2 7 岛憎- q S 5 3 3 锄【；．3 9 0 E 0 7 N 一1 D I S T 一1 6 ．S X F一．7 t 9 9 6 4 Z F 一5 Z B ⅡF m 懿j 鬯．2 6 2 E - 1 - 0 7 量篓| j 图3 静力分析结果 表1 立管前1 0 阶固有频率 H z 阶数固有频率阶数固有频率 第1 阶 1 ．4 5 91第6 阶8 ．4 2 90 第2 阶 1 ．4 5 91 第7 阶 1 3 ．6 8 5 第3 阶4 ．2 2 29第8 阶 1 3 ．6 8 5 第4 阶4 ．2 2 29第9 阶 2 0 ．3 4 7 第5 阶8 ．4 2 90第1 0 阶 2 0 ．3 4 7 悬空长度对立管的固有频率有很大的影响HJ 。 根据图2 的条件建模，海水深度不变，分别取立管高度 为2 5m 、3 0m 、3 5m 、4 0m ，进行模态分析，提取分析结 果，绘制成折线图，如图4 所示。立管高度对立管的固 有频率有较大的影响，随着立管高度的增加，立管的 固有频率有减小的趋势。 3 03 5 立管高度／m 图4 立管高度和固有频率关系折线图 理想情况下，只改变风速，不改变海水流速。根 据图2 建模，只改变风速大小，分别为5m ／s 、1 0m ／s 、 1 5m ／s 、2 0m ／s ，根据风力表达式分别计算出风载荷大 小。计算结果如图5 所示，风速大小的对立管的固有 频率没有影响，即风载荷对固有频率没有影响。 研究管径对立管固有频率的影响，改变管径大小 为2 0 0m m 、2 5 0m l n 、3 0 0m l n 、3 5 0m i l l ，其他条件不变。 分析结果绘制成折线图，由图6 可知，管径与固有频率 ；●_、、、0，，；；；，。陋 万方数据 第3 期王东等基于A N S Y S 的浅海天然气立管模态分析 1 1 呈线性关系，随着管径增大，立管的固有频率也变 大。 { i } 辣 怔l OL 。I } 叫| _ ．卜_ | o } 击吉弓 风速／ m S 。 图5 风速和固有频率关系折线图 3 0 卜卜第l 阶 2 耋2 嫠- 忙 囿1 2 5 { 0 I 立管外径／n m l 图6 立管外径与固有频率关系折线图 改变立管两端的约束条件，分析约束不同对立管 固有频率的影响。按图2 建模，分别对管道两端进行 全约束、z 方向约束、X Y 方向约束、X Y Z 方向约束。各 阶的固有频率结果见表2 。不同约束条件下，各阶的 固有频率大小变化比较大。根据文献[ 5 ] ，可以算出 该立管发生涡激共振的频率范围是0 ．2 6 0 ．7 3H z ． 只有Z 方向约束的的第2 阶，X Y 方向约束的第4 阶和 X Y Z 方向约束的第2 阶在这个频率范围内，容易发生 涡激共振。 表2 不同约束条件下立管的固有频率 H z 5 结论 1 立管高度对立管的固有频率有较大的影响， 随着立管高度的增加，立管的固有频率有减小的趋 势。 2 风速大小的对立管的固有频率没有影响，即 风载荷对固有频率没有影响。 3 管径大小与立管的固有频率呈线性关系，随 着管径增大，立管的固有频率也增大。 4 为了避免发生涡激共振，立管的两端要尽可 能使用全约束条件。 参考文献 [ 1 ]帅建，于桂杰．管道及储罐强度设计．北京石油工业出版 社，2 0 1 0 1 0 6 1 0 7 ． [ 2 ]杨进，刘书杰，姜伟，等．A N S Y S 在海洋石油工程中的应 用．北京石油工业出版社，2 0 1 0 1 2 ． [ 3 ]成磊，陈利琼，李桂亮，等．海底天然气悬空管道的动力学 分析．天然气与石油，2 0 1 1 ，1 9 6 2 0 2 2 ． [ 4 ] 高文．浅海海底悬空管道动力响应分析及治理[ 学位论 文] ．北京中国石油大学，2 0 1 0 ． [ 5 ] 徐进．海底管道的疲劳可靠性评估[ 学位论文] ．成都 西南石油大学，2 0 0 6 ． 作者简介王东 1 9 8 8 一 ，硕士研究生，主要从事油气储运安全 和完整性管理方面的研究。 E m a i l S h e n g l i2 0 0 6 1 6 3 ．c o r n 上接第8 页 为5 2 ．8 7 ％，模型3 直接沿斜坡敷设 的平均应力比率为5 8 ．0 6 ％，得出阶梯式敷设管道的 应力值相对沿斜坡直接敷设的管道应力值低，且对于 相同高程地形的管道敷设，阶梯数越多应力值越低。 阶梯式管道敷设方式能够有效减小管道运行过程中 的应力值，并能够以更大的坡脚敷设以克服较大的高 程差，具有一定的先进性。在实际工程中，由于阶数 越多弯头越多，输气的局部摩阻越大，故应综合管道 安全性和摩阻损失来确定敷设方案。 参考文献 [ 1 ] G B5 0 2 5 1 - - 2 0 0 3 输气管道工程设计规范． [ 2 ]宋岢岢．工业管道应力分析与工程应用．北京中国石化 出版社，2 0 1 1 ． [ 3 ] A S M EB 3 1 ．8 2 0 1 0G 鹊T r a n s m i s s i o n 卸dD i s t I i b u f i o n P i p i n gS y s t e m s ． [ 4 ]吴晓南，舒浩纹，昝林峰，等．试压工况下盾构隧道内输气 管道应力分析．天然气工业，2 0 1 3 ，3 3 3 1 5 ． [ 5 ]沙晓东，陈晓辉，黄坤，等．输气管道应力影响因素分析． 天然气与石油，2 0 1 3 ，3 1 1 l 一4 ． [ 6 ]黄坤，吴世娟，卢泓方，等．沿坡敷设输气管道应力分析． 天然气与石油，2 0 1 2 ，3 2 4 1 4 ． 作者简介李汀 1 9 7 0 一 ，主要从事设计及管理工作。 E - m m l 4 9 4 1 8 0 2 4 0 q q ．c o m 弱 ∞ I 三 z l { ／ 万方数据