泥浆立管系统振动仿真分析

付殿禹，王 进，王 刚，伍绍国

（1.天时海洋工程及石油装备研究院（青岛）有限公司，山东青岛266061；2.中石油华北油田公司采油四厂，河北廊坊065000）①

泥浆立管系统振动仿真分析

付殿禹1，王 进1，王 刚1，伍绍国2

（1.天时海洋工程及石油装备研究院（青岛）有限公司，山东青岛266061；2.中石油华北油田公司采油四厂，河北廊坊065000）①

泥浆立管在工作时会产生较大振动，分析了引起振动的主要原因。采用有限元方法计算了立管系统的固有频率，并使用CFD方法分析了泥浆自身脉动激励现象。通过对比计算，确定了大涡湍流模拟方法适用于流体脉动现象仿真。计算结果表明：泥浆自身脉动激励不是立管振动的主要因素，同时提出了有效遏制立管振动的方法和建议。

泥浆立管；振动；CFD；大涡湍流模拟

泥浆立管在钻井平台中起到输送泥浆的作用，在实际工作时，主要结构部位振动幅度较大，如图1所示。如果长时间振动较大，会对结构产生不良影响。故需要找到泥浆立管振动的根本原因，才能有效地遏制振动的发生。

1 泥浆立管振动原因分析

1.1 泥浆本身

泥浆立管中泥浆本身存在液体压力脉动诱发的振动，并且流体随方向变化时遇到有变径和阻碍物会引发冲击振动［1-4］。在这种工况中，主要是在弯管处会产生一定的激振力。如果泥浆产生激振力与管道结构系统的固有频率相等或相近时，就会形成机械共振。

泥浆本身不是纯粹的流体，是由微小固体、液体及各种添加剂组成的固液两相流［5］，属于塑性非牛顿流体，其剪切力和剪切速度之间的关系与时间基本无关。在较大流速时，泥浆中的微小固体对弯管处的周期性撞击产生了激振，此激振力与管道结构系统的固有频率相等或相近时，就会形成共振。

1.2 机械装置的激励

泥浆泵的动力端大多采用传统机械式曲柄连杆机构，这会导致泥浆泵排出泥浆的瞬时流量和压力按正弦曲线波动，脉动量大［6］。如果压力变化的频率与管道系统的固有频率相接近时，也可能会引发共振现象。

图1 立管主要结构

1.3 软管带动

输流管道振动是一类特殊的机械运动，是由它们之间的耦合作用产生的，如果管道同时存在拉压、弯曲及扭转的载荷和运动，这时管道的耦合现象更为严重。如图2所示，软管本身对立管有20 k N的拉力，在工作时软管会发生不规则抖动［7］，这也可能是立管振动较大的主要原因。

图2 软管

针对以上立管振动原因的分析，本文主要针对第1种情况，分析泥浆产生的激振力是否与立管系统的固有频率相近，来判断泥浆自身激励是否是立管系统振动的主要因素。

2 立管固有频率分析

2.1 网格划分和边界条件

对立管模型进行了一定程度的简化，并划分相应的网格，网格数约为110 000，如图3所示。

立管的约束方式与实际情况相近，分析时考虑自身重力，立管上方管口有共2 k N的拉力（方向垂直向下），如图4所示。材料为Q235钢。

图3 网格划分

图4 边界条件和载荷施加

2.2 模态分析结果

计算了有预应力条件下前10阶模态（如表1），主要提取了前3阶模态的振型（如图5～8）。通过振型图可以看到1阶振型及频率与结构主要振动部位最为相关。

表1 立管固有频率

图5 预应力下的立管位移

图6 1阶模态振型

图7 2阶模态振型

图8 3阶模态振型

3 泥浆流体激振频率仿真

3.1 流体参数设定和网格划分

泥浆流体分析只需要对流体域划分网格，如图9所示。网格数量约440 000（此数是采用k-ε湍流模型时计算的网格数），网格全部采用标准六面体网格。流体域下部为流体进口，上部为流体出口，周围是立管的壁面。

图9 网格划分

泥浆密度2 500 kg／m3，黏度0.015 mPa·s（不考虑热交换），泥浆进口速度5 m／s。

3.2 湍流模型的选择

对于流体脉动压力计算，最重要的是流体湍流的模拟。湍流模拟分为2大类：一类是直接数值模拟（DNS），一类是非直接数值模拟。直接数值模拟的好处是无需对湍流流动作任何简化和近似，理论上可以得到准确的计算结果，但对计算机性能要求极高。试验表明：0.1 m×0.1 m的流动区域内，需要网格节点数约10亿个。非直接模拟中主要有雷诺平均法（RANS）和大涡模拟方法（LES）。

雷诺平均法作为应用最为广泛的湍流方法，其实质就是将湍流的脉动量进行时间时均化。本文首先采用雷诺平均法下标准k-ε模型进行了稳态和瞬态计算，发现标准k-ε湍流模型可以在节约计算量的前提下，很好地计算出壁面的压力，但却无法计算出湍流的脉动情况，如图10所示。图10上3点为在立管上部壁面取得3个位置点，作为监测压力脉动点。

图10 壁面点的压力监测

通过实际计算，肯定了雷诺平均法的湍流模型无法计算泥浆的湍流脉动［8-9］，故本文采用大涡模拟湍流模型来模拟。大涡模拟实质就是使用完整的瞬时Navier-Stokes方程计算比网格尺度大的湍流运动，放弃对全尺度范围上涡的瞬时运动的模拟。

3.3 大涡模拟网格划分和参数设置

由于大涡模拟的精确度与网格数量有着密切的关系［10］，考虑到计算机性能和计算时间，本次大涡模拟中，划分网格约2 400 000，全部是标准六面体网格，如图11。

图11 大涡模拟网格划分

对于亚格子尺度模型（Subgrid-Scale Models）的选择，采用了Algebraic Wall-Modeled LES Model（WMLES）模型，因为相比其他亚格子模型，WMLES模型可以更好地模拟近壁面边界层涡流情况，更适用于管道内流的计算。压力监测点增加到6个，如图12所示。

图12 6个压力监测点位置

3.4 流体激励结果分析

流体计算按照瞬态计算，考虑到进口流速为5 m／s，管道长度约24 m，总共模拟了流体8 s的流动，计算耗时约36 h。6个监测点中，其中部分压力曲线相近，故取有代表性的3个点的压力曲线，结果如图13。

图13 监测点压力变化

通过6个监测点的压力变化，可以看出流体本身的湍流脉动的振幅是随机的，并且不同位置点脉动的频率也不相同。故泥浆本身的湍流脉动不是立管上部结构振动的主要原因。

4 结论

通过仿真计算，确定了立管上部的较大振动不是由泥浆本身湍流脉动产生的。振动可能是由泥浆泵本身流量的周期性变化和软管对立管上部的拉扯作用而共同作用的。对于软管带动的振动，可通过提高支架的强度和刚度，在一定程度上遏制振动；对于泥浆泵本身流量的周期性变化因素，根据计算出的立管系统的固有频率，可选择与之频率相差较大的泥浆泵，以避免共振现象。同时，本文通过湍流模型的对比计算，确定了所有雷诺平均法的湍流模型均无法模拟流体自身脉动现象，可使用大涡模拟的湍流模型来计算流体自身脉动问题。

［1］ 杨超，范士娟.输液管道流固耦合振动的数值分析［J］.振动与冲击，2009，28（6）：56-59.

［2］ 陈贵清，郝婷玥.输流管道振动问题的研究［J］.水利科技与经济，2008（7）：256-264.

［3］ 滕振超，孙伟.泵站输油管道振动原因及减振方法研究［J］.油气田地面工程，2009，28（4）：23-24.

［4］ 李琳，喻立凡.管道及管路系统流固耦合振动问题的研究动态［J］.应用力学学报，1997，14（3）：40-46.

［5］ 杨国安，黄聪，于丽.基于FLUENT的钻井泵阀隙流场仿真计算［J］.石油矿场机械，2008，37（3）：41-44.

［6］ 惠记庄，罗联社.新型泥浆泵液压系统设计与仿真分析［J］.机械科学与技术，2009，28（10）：1271-1274.

［7］ 周知进，卢浩.垂直提升管道输送过程流固耦合分析［J］.应用力学学报，2012，29（3）：310-314.

［8］ 吕志华，陆森林.高速列车表面脉动压力的数值模拟及分析［J］.中国制造业信息化，2010，39（3）：65-68.

［9］ 钱忠东，杨建东.湍流模型对水轮机压力脉动数值预测的比较［J］.水利发电学报，2007，26（6）：111-115.

［10］ 曾文，解茂昭.网格密度对内燃机冷态流场大涡模拟的影响［J］.燃烧科学与技术，2010，16（2）：181-185.

Simulation of Vibration of the Mud Standpipe System

The standpipe in work will cause vibration.The main causes of vibration were analyzed.Natural frequency of the riser system was calculated using finite element method.The CFD method was used to analyze the phenomenon of mud pulse excitation.By comparing the calculated results，the large eddy simulation of turbulent flow method was applied to the fluid pulsation simulation.The calculation results show that the main factor of vibration of the standpipe is not the mud pulse excitation.At the same time，the methods and suggestions are put forward to effectively curb vibration of standpipe.

standpipe；vibration；CFD；LES

TE926

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.010

1001-3482（2014）11-0040-05

2014-07-09

付殿禹（1978-），男，满族，辽宁抚顺人，工程师，硕士，主要从事钻井设备及BOP吊运设备的研发及管理工作，E-mail：dianyu.fu＠t-s-c.com。