海底管道内部流动引起的流致振动问题研究进展*

2021-02-23李清平喻西崇陈海宏

中国海上油气 2021年1期

李焱李清平喻西崇陈海宏

(中海油研究总院有限责任公司北京 100028)

管道受到内部不稳定流体流动的影响，会产生激振力，当激振力频率与管道固有频率相近时可能会发生流固耦合共振现象，称之为“流致振动”(flow-induced vibration，FIV)。Blevins于1977年首次用FIV定义流致振动，并在1990年通过结构动力学和水动力学将其分为两大类[1-2]，即稳定流动引发的不规则性流动和涡激振动，以及不稳定流动引发的随机性、正弦波动和间歇性流动。与单相流动相比，两相流的FIV机制存在着非常大的差异。Shigehiko[3]将两相流FIV分为管道外部轴向流、横向流和管道内流。其中，外部轴向流动两相FIV研究主要集中在核工业、热力、水力安全等领域[1,4]；横向交错流两相FIV集中于管壳式换热器内部以及蒸汽发生器U型管等结构[5-8]。相比换热器管束、海洋立管等领域外流导致的流致振动问题，目前对管道内部两相流FIV研究较少，尤其是海底管道内流引起的振动问题，对其脉动频率和幅值的预测研究均处于发展阶段，相关研究仍有待完善。

在海底管道中，内部不稳定流动尤其是段塞流是一种非线性、不稳定、周期性的瞬态行为，可能引起管道在周期性疲劳载荷下的疲劳损坏，甚至疲劳破坏问题。近年来，随着深海油气开发进度的加快，管内压力和流速逐渐增加，由管道内流引起的流致振动问题越来越受到海洋工程界的重视。针对斜管[9]、垂直立管[10-11]、混合立管[12]等管道的段塞流研究也已逐渐丰富起来。由于海底管道所处位置特殊，环境条件复杂，管道的流致振动是海洋石油工业在水下管道设计中的重要因素，如忽视该因素，可能造成严重的后果[1-4]，其中预测流致振动问题引起的管道疲劳失效是研究的难点[1,5]。

本文围绕海底管道内流激振力引起的流致振动问题，从海底管道内流流致振动的类别、理论模型、数值模拟和实验研究等方面对两相流管道系统中的流致振动研究进展进行综述，分析研究中存在的问题及不足，并给出下一步研究建议。

1 理论模型

在两相流作用下管道的流致振动模型研究方面，国内外学者从FIV的成因和适用管道对象方面开展工作并提出了多个模型。由于管道内流流致振动多是由于内部段塞流诱发，部分学者基于流致振动的成因，提出了一系列段塞流模型，预测不同段塞流下管道流致振动的特征。李明等[13]对立管系统严重段塞流的形成周期进行分析(图1)，发展了几种典型的严重段塞流预测模型，建立了描述混输立管系统内部周期性流动的瞬态流动模型。Tay等[14-16]研究了两相段塞流中液体黏度、表面张力等物性参数对管弯水动力学参数的影响，提出活塞流模型(PFM)，预测了段塞流作用于水平管弯的应力情况。王琳[17]基于改进的严重段塞流瞬态数学模型和平面刚架理论，建立了严重段塞流海洋立管耦合振动数学模型。Wang等[18]发展了一种新的三维非线性模型，研究了输送内部流体的挠性管的涡激振动。与此同时，部分学者从流致振动的作用对象角度，研究不同种类管道在两相流激振力作用下的动态响应特征并建立了相关模型，以预测管道的受力、损伤、传热等一系列特征。Cabrera-Miranda等[19]在斜管立管、垂直立管和混合立管系统段塞流特性研究的基础上，开展了钢质懒波型立管在段塞流激励下的平面非线性振动研究，建立了有效张力、曲率、使用系数和疲劳损伤的频率响应曲线。

图1 立管系统严重段塞流形成周期示意图[13]Fig .1 Schematic diagram of formation period of severe slug flow in riser system[13]

综上可知，目前对FIV的成因和适用不同管道对象的模型研究仍十分有限，给出的模型多是针对小雷诺数、弹性管道的段塞流FIV的模型，对大气液比、高流速的长柔性立管段塞流特性研究不足，段塞流诱导振动的基本物理规律有待进一步研究。此外，现有模型多是针对平面内的流致振动，而海洋立管在内流和外流共同作用下的振动存在三维效应，需要进一步研究。

2 数值模拟

管内多相流引发的流致振动过程较为复杂，采用数值模拟方法可以对不同流致振动过程进行分析，研究不同段塞流引发的管道受力情况或者不同激振力作用不同海底管道的响应情况；同时可以进一步考虑实际情况影响，研究管道受内外流动共同作用下的流致振动情况。

准确模拟管内段塞流特性是进行内流FIV分析的基础，一些学者采用不同的软件工具分析了不同工况下的段塞流动特性。程兵等[20]采用OLGA软件模拟了管道流动状况，对段塞流最严重年份采用节流法、气举法以及节流和气举结合法等进行了模拟，研究了管径与段塞流的关系。Candelier等[21]采用多相流模拟软件(OGLA、LedaFlow)，研究了西非深海油田的段塞流、压力、温度等参数，并与实测数据进行了对比，结果表明两者在非混合生产工况下吻合较好。Ortega等[22-23]利用一套弹塞流动力学计算程序和一套结构动力响应计算程序，研究了内部段塞流和波载荷对柔性立管动力学特性的影响。Chica等[24-25]使用有限元求解器(Abaqus)和计算流体力学求解器(Star CCM+)，通过双向耦合模拟，研究了跨接管结构的两相流动态压力响应。刘昶[26]模拟研究了立管几何尺寸对严重段塞流参数的影响，分析了立管系统在不同支撑方式下的固有频率，得到了严重段塞流下立管的动力响应特性。

流体的流动特性，尤其是段塞流动特性在一定情况下会转化为作用在管道本体上激振力，部分学者进一步研究了激振力作用下的管道受力响应情况。Mohmmed等[27]给出了一种基于文档耦合技术的求解流体-固体相互作用的模拟方法(图2)，其中计算流体力学软件Star-CCM+负责内部流场的求解，有限元分析软件Abaqus负责求解固体结构响应。杨凡[28]利用双向流固耦合方法，建立了较大雷诺数条件下流体横掠的单管和3管的有限元模型，研究了不同来流速度下管道系统的响应特性。梁超[29]采用Comsol软件对处于海洋流域中输送气液两相流的S型管道进行模拟，分析了流动参数与管道失稳振动特性之间的响应关系。Jiang等[30]采用数值方法研究了浸没在剪切交叉流中的压紧输液立管的非平面振动和多模态响应，在双流固耦合系统中发现了锁存状态、八字形轨迹，同时当横流剪切参数较大时，立管出现准周期振荡现象。李非凡、韩冰[31-32]在浸入边界法基础上开发了并行计算程序Cgles IBM，分别对空管、仅考虑恒定内流、通有恒定内流并叠加振荡内流等3种情况下的低质量比柔性立管进行了两自由度涡激振动数值模拟研究。

图2 基于文档的耦合技术原理图[27]Fig .2 Schematic of file-based coupling technique[27]

考虑贴近实际工况，部分学者将管道内部段塞流和外部剪切流对管道的影响耦合考虑。Lu等[33]提出了一种多物理场的研究方法，考虑水下跨接管(图3)在涡激和流致振动共同作用下的耦合振动响应，并进行了全尺度双向流固耦合分析，发现段塞流会引发较大的压力波动，其在海底跨接管的振动响应和潜在的疲劳破坏中起主导作用。Duan等[34]采用数值方法研究了亚临界状态下，外流作用下立管的内流情况，发现立管平面流和横掠立管流的主导模态随内流速的增大而显著增大。此外，Duan等[35]还进一步研究了亚临界和超临界2种内流条件下，输液管在涡激振动作用下的三维动力学行为，发现在亚临界区内流速不变的情况下，随着外流速的增大，峰值振幅先增大后减小，并伴随振幅的跳跃。

图3 水下跨接管的整体结构[33]Fig .3 Overall configuration of subsea jumper[33]

可见，采用流固耦合方法模拟海底管道的流致振动过程能够更加接近实际情况，研究结论对工程应用具有一定指导意义。但海底管道通常受内部气液段塞流和外部剪切流的共同作用，其流体质量的不均匀分布、内段塞流沿长度的压力波动、剪切流型与结构几何的非线性叠加等因素非常复杂，导致海底管道内外流共同作用下的耦合响应研究仍处于起步阶段，到目前为止针对此问题的研究较少。同时，管道流致振动具有局部不均匀性，因此建议模拟时可关注局部的振动响应特征，采用海底管道系统与管道局部仿真相结合的方法，实现对管道内部两相流激振力作用的流场模拟，从而增强模拟结果的系统性，并提高局部结构流场模拟的准确性。此外，基于CFD的大尺度气液两相流三维数值模拟的计算效率很低，其模型和方法还需优化。

3 实验研究

目前对管内多相流的流致振动实验研究主要集中在两方面，一是研究多相流流动特性及其对管道和管道局部构件的冲击影响，二是研究段塞流作用下的管道振动响应特性。

在管内多相流流动特性及其对管道冲击振动的研究方面，王琳[17]、刘昶[26]搭建了海洋立管两相流实验装置(图4)，研究了立管系统中流体的流动特性，分析了流体压力波动特征及其对立管的振动特性的影响。

图4 海洋立管两相流实验装置[26]Fig .4 Experimental device for two phase flow in offshore riser[26]

Gama等[36]实验测量了气液两相流的体积分数及表面速度对U型管和L型管弯折处振动加速度的影响，发现管道振动加速度随流速的增大而增大，且随气相体积分数的增加，其在弯折处的加速度峰值更加明显，并提出一种通过测量管道振动的固有频率来确定管道气液相体积分数的方法。AL-Hashimy等[37]实验发现段塞流速度是影响管道振动位移的关键参数，随着速度的增加管道振动位移增大。Wang等[38]实验研究了段塞流作用下水平管道的动力学行为，发现其振动位移受段塞流速度的影响，并分析了流固相互作用和段塞特性对系统动力学的累积效应。彭明等[39]在混合立管系统的模拟装置上利用几何相似原理，根据某深水混合立管结构尺寸设计了混合立管系统严重段塞流试验装置(图5)，研究了混合立管系统严重段塞流的流动特性。王琳等[40]基于气液两相流立管系统的模态分析和气液两相流流动特性试验，发现气液两相流和弹性基础对立管系统的固有频率和振型有显著影响。Carvalho等[41]提出了一种基于流动诱导振动的液气流型分类算法，利用垂直输送液气两相流的振动信号来确定流型，并研制了实验装置和实验程序。

图5 混合立管系统严重段塞流试验装置[39]Fig .5 Severe slug flow test apparatus for mixed riser system[39]

相较于对海洋立管系统的整体研究，部分学者研究了多相内流对管道局部构件的冲击和振动的影响。Tay等[14-16]实验研究了段塞流对水平环道中弯头的作用力，分析了流体黏度对弯头冲击力的影响。李乃良等[42]实验研究了采取节流操作时，管道内流型由严重段塞流向弹状流和泡状流转变的现象及其转变特性。Joyce等[43]研究了气液两相流对三通的作用力，认为两相流脉动冲击力频率比管道结构固有频率低很多，引起的激发作用在实际工程中危害不大。Bamidele等[44]对含孔板水平管道结构的两相流激振进行了实验研究(图6)，详细评价了两相流流型、两相流空隙率、孔板面积比等对振动响应的影响。发现在间歇流型下，结构的动态振动响应随液质流量和上游空隙率的增大而增大，并在此基础上建立了水平和垂直动力响应的流型图，用于评估有流量限制管道结构的动力响应。

图6 含孔板水平管道结构的两相流激振实验装置[44]Fig .6 Experimental device for two-phase flow induced vibration of horizontal pipe with orifice plate[44]

段塞流作用会对管道本体造成冲击，但管道是否出现振动损伤还取决管道本体或局部构件的响应特性。由此，部分学者研究了流体段塞特性和管道振动响应特性关系。Seyed-Aghazadeh等[45-48]分别研究了长径比为73、95.7、350和1 750的柔性立管的振动响应特征，发现柔性立管的响应具有多模态特征，相邻模态与行波之间的频率间隔较小。Hara等[49]研究了水平直管中气、水两相FIV的激发机理，发现当管道固有频率与弹塞频率之比为1/2、1和3/2时，振动响应较为强烈，且密度、压力波动和速度等两相流特性参数对管道振动有很大影响。Zhu等[50-54]搭建了长径比为158的自由悬挂柔性立管实验系统(图7)，研究了立管内部段塞流单独作用及其与外部剪切流同时作用下的FIV现象，认为振动响应主要发生在柔性立管的曲率面上，且平面内2个方向上的响应相互依赖，最大响应幅值发生在最长的液体段塞通过立管时，而内部和外部涡激振动的贡献取决于相位差和水深。

图7 长径比为158的自由悬挂柔性立管实验系统[51]Fig .7 Experimental system of free hanging flexible riser with length diameter ratio of 158[51]

综上所述，针对不同管道类型、管道结构、内流流速等，国内外学者已经开展了一定的实验研究工作。但现有研究中，关于管道内流流体的表面张力及黏度对流型及流致振动影响的实验还很少。同时在实际生产中，流致振动作用于管道一定时间后，会对管道产生一定的疲劳损害，但现有的实验通常只是研究短时间内的振动响应特点。因此管道内流流致振动引发的管道疲劳破坏演化过程及规律还有待研究。而为了更好地研究两相流动力学引起的激振力，需要将回路中的结构振动影响降到最低。目前，通过实验结果发现，段塞流或者流向转变，即局部弯头、三通等位置的流场对管道的冲击作用更为显著，需要进一步通过建立数据库系统分析并验证经验公式、半经验公式以及数值模型的准确性，进而优化数学模型，提高数值模拟计算精度。