（安全技术及工程专业论文）基于振动测试的两相流管道安全运行研究.pdf

r e s e a r c ho ns a f e t yo p e r a t i o no ft w o p h a s ef l o w i n gp i p e l i n e b a s e do nv i b r a t i o nt e s t c h a n gp a n ( s a l t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yd e p u t yp r o f h a od i a n a b s t r a c t b a s e do nt h et h e o r yo fp i p e l i n ev i b r a t i o ns u b j e c t e dt os i n g l e p h a s ef l o w , t h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft w o - p h a s ep i p e l i n ew e r ea n a l y z e db a s e do nt e s ti nt h i sp a p e r c o m p a r a t i v e r e s e a r c hw a sd o n ec o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o i l sa n dt e s tr e s u l t s ，a n dt h er i s ks t a t u s o ft h ep i p e l i n es y s t e mw a sd e t e r m i n e db yr i s ka s s e s s m e n to fp i p e l i n e f i r s t l y , t w o - p h a s ef l o ww a si n t r o d u c e da n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft w o p h a s ep i p e l i n e w a sc o m p l e t e d t h em a i nr e a s o nw a sg i v e no u t ，i n c l u d i n gt w o - p h a s ef l o wp r e s s u r ep u l s a t i o n , t h es t a t u so ff l o w i n gp i p ea n dt h ei m b a l a n c eo ft h ep o w e rm a c h i n e r y a l lk i n d so fm e a s u r e s a n dm e a n st or e d u c ev i b r a t i o nw e r es u m m z r i z e d ，s u c ha sa d j u s t i n gt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n d c h a n g i n gt h es t i f f n e s so ft h ep i p es y s t e m s e c o n d l y , s t r a i g h tp i p em o d e la n ds i p h o nm o d e lo fp i p l i n es y s t e mw e r eb u i l tb a s e do n t h et h e o r yo ff i n i t ee l e m e n t m o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i ca n a l y s i sw e r ec a r r i e do u t , a n dt h e n a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h ep i p e l i n ew e r ec a l c u l a t e db ys o f t w a r eo fa n s y s t h eh a r m o n i c r e s p o n s ea n a l y s i sw a sc a r r i e do u tu n d e rs p e c i f i cc i r c u m s t a n c e sa n ds o m em e t h o d s o fv i b r a t i o n p r o t e c t i o nw e r ep r o p o s e d a f t e rt h a t , t h eb a s i ct h e o r yo fv i b r a t i o na n dt h ec o m p o n e n t so ft e s i n gs y s t e mw e r e i n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ea b o v et h e o r y , t h ev i b r a t i o nt e s to fh o r i z o n t a la n dr o l l i n gp i p eo f t h et w o - p h a s ef l o ww e r ec a r r i e do u t b yt h em e t h o d so fs p e c t r u ma n de n e r g ya n a l y z i n g ，t h e v i b r a t i o nl a wo ft w o - p h a s ef l o wp i p eu n d e rd i f f e r e n tg a s l i q u i dr a t i o sa n dd i f f e r e n tr o l l i n g a n g l e sw a ss h o w e d c o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n ta n da n a l o g c o m p u t a t i o n , a n da n a l y z i n g v i b r a t i o ns t a t eu n d e rd i f f e n tm e a s u r ec o n d i t i o n s ，e s s e n t i a l v i b r a t i o nr e d u c i n gm e a s u r e sw e r ec a r r i e do u t ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s f i n a l l y , m a i nf a c t o r so fr i s km a n a g e m e n tw e r ep o i n t e do u tb yt h em e t h o do fr i s ki n d e xo f p i p e l i n e ( a l s ok n o w na se s t ) ，i n c l u d i n gt h et h i r d p a r t yd e s t r o y i n g ，c o r r o s i o nr e a s o n s ，d e s i g n r e a s o n sa n do p e r a t i o nr e a s o n s e v a l u a t i o ns t a n d a r do fv a r i o u sf a c t o r sw a sg i v e no u t , a n dr i s k a s s e s s m e n to ft h et w o - p h a s ep i p e l i n es y s t e mw a sc a r r i d e do u tc o m b i n e d 、析t l lt h ea b o v e s t a n d a r d ，a n dr i s kc o n t r o lm e a s u r e sw e r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：g a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o w ，p i p e l i n e ，v i b r a t i o n ， m e a s u r e m e n t ，砒s k a s s e s s m e n t 1 1 1 主要符号表 截面含气率 容积流量含气率 质量流量含气率 气体流通面积，i n 2 液体流通面积，i n 2 全部流通面积，m 2 气相折算速度，m s 液相折算速度，m s 气液两相混合物速度，m s 滑差，m s 滑动比 脉动最大压力，m - p a 脉动最小压力，m p a 平均压力，m p a 自然频率，h z 弹性模量，m p a 固有频率，h z 压缩机脉动频率，h z 压缩机转速频率，h z 离心泵转速频率，h z 最小埋深，m 口 x 4 4 么 k v “ s 名 昂 石 e 厂 f 石 左 c 钢管实际厚度，m 系统安全因素 峰值压力，m p a 疲劳因素 最小屈服值，m p a 可燃性 活动性 毒性 长期危险性 最大允许操作压力，m p a 压力不均匀度，m p a 管道转弯处的转角，o 激振力，n 刚度系数 得到沿弯管分角线的合力，n 通流面积，m 2 第_ ，阶模态阻尼 第歹阶模态固有频率，h z 第_ ，阶主激振力，n 管道尺寸外径，m 管道尺寸内径，m p x y 足 z 菇 m m m 肥 彻 万 厂 f 巧 e s o q 弓 d d 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 盅攀 日期：扣f 。年f 月姐日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盗望 指导教师签名： 日期：如，。年岁月调日 日期：加，。年岁月诏日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 本文的研究背景及意义 第一章前言 在石化企业的各类装置中，广泛应用两相流管道系统传递质量流、动量流和能量流。 然而，随着管道的长期使用，失效问题也越来越严重，造成失效的重要原因就是管道系 统的非正常振动，几乎所有的化工企业都要面临这一问题。管内的压力脉动和管壁结构 的非正常振动，不仅会造成噪声污染，严重时还会导致泄漏、仪器损坏、阀门失灵等【l 】。 由于石化企业管道中的介质往往是易燃、易爆或有毒物质，一旦泄漏可能会导致爆炸、 中毒等事故。国内外有关部门都在加强管道振动方面的研究，并制定了一系列标准，用 于化工管路系统的调试及在线监控或安全检查t 2 1 。据加拿大一位专家推测，美国由于管 道非正常振动造成的损失，每年多达1 0 0 亿美元。因此，对管道振动研究有重要的现实 意义。 对单相流体管道振动的研究已有百年之久，而且研究内容也非常广泛，涉及建模理 论、振动特性分析、流场模拟和振动测试等。然而对于两相流管道振动问题的研究，则 相对较少，局限于流固耦合、流场分析和流型识别等方面。这主要是由于两相流在时空 尺度上各相流速的不等性、流动结构与参数的多值性等，造成管道振动比较复杂，加大 了研究的难度。 为了揭示两相流管道的振动规律，阐释压力脉动和结构振动在管道中产生和传播的 机理，达到控制管道系统非正常振动、确保系统安全、长期稳定运行的目的，本文进行 了相关研究。本文以储运学院大型两相流管道系统为研究对象，着重通过振动测试的方 式分析两相流管道的振动规律；计算了典型管段的结构固有频率，研究了在一定频率的 激振力下该管道的振动响应；通过计算结果和实验对比来分析管道系统的振动规律；最 后对该两相流管道系统通过专家打分的方法进行了风险评价；对解决两相流管道系统的 安全运行问题提供了一定的参考。 1 2 国内外研究现状 对管道振动的研究，国外早在2 0 世纪5 0 年代就已经开始，但是长期以来，只能对 流体的动力特性和管道系统结构特性进行粗略分析和计算。直到7 0 年代初，对于管道 振动问题的研究才有了突破性进展，伴随着计算机的广泛应用，研究才进入了实用性阶 第一章前言 段，而且研究的内容也广泛了许多。具体的来讲包括管道建模理论、有限元计算、声振 传递特性分析、实验技术等。随着振动理论、测试手段、计算方法的不断改进和提高， 对两相流管道振动机理和模型进行了深入研究，并取得了很大的进步。 1 2 1 管系建模研究概述 研究管道的振动，首先涉及管道系统的建模。管道的模型主要有两种：梁模型和圆 柱壳模型。对于模型的选取，要看所研究管道的具体特征。当所研究管壁的厚度远小于 管道的其它特征尺寸且为小变形运动( 相对于壁厚) ，并满足k i r c h h o f f ( 基西霍夫) 假 设时，采用圆柱壳模型。此时认为管道在径向上刚度无限大，即管壁在径向上剪切应变 等于零。 一般情况下，如在低频、低流体马赫数、细长管、管截面形状不变等情况下，选择 梁模型简化方程。8 0 到9 0 年代中期，e 1 r a h e b ，l e s m e z ，t e n t a r e l l i ，f i j k h a ，c h r i s td e j o n g 等人分别采用梁模型推导了在各种假设条件下管道系统的运动方程。 1 2 2 管道结构振动系统的研究 对于结构振动特性的研究始于五十年代。f e a d a s e v 和h o u s n e r 等人选取梁模型，在 忽略重力、结构阻尼、外部压力和流体压力的条件下，推导出了等直管的管道振动方程。 对于单跨梁模型或连续梁模型的振动分析，可采用r a y l e i g n 法、d u n k e r l e y 法、r i t z 法、 g a l e r k i n 法等算出管道结构的低阶固有频率。对于空间复杂的管道结构，可采用有限元 法、传递矩阵法、阻抗分析法和模态综合法等分析【3 】。 1 9 7 5 年，b i c k f o r d 等人采用传递矩阵法对平面曲梁的振动进行了分析，并考虑了转 动惯量、剪切变形和轴线伸缩的影响f 5 】；到了1 9 8 0 年，s a t o 等也采用传递矩阵法对 e u l e r - b e m o u l l i 梁的振动进行了分析；同年不久，i r i e 就利用传递矩阵法推导出了 t i m o s h e n k o 梁模型下输流管道振动和稳定性方程。 到了1 9 9 0 年，l e s m e z 和w i g g e r t 等人首次将分离变量法应用到空间管道振动传递 矩阵法的推导之中，成为解决空间管道振动较为理想的方法之一。1 9 7 5 年，日本人藤 川猛等首次将用于计算框架结构固有频率值的有限元解析法应用于管道，计算出了管系 的固有频率和振型，同时还对计算结果进行了响应分析【8 】。 1 2 3 两相流诱发管道振动国内外研究现状 两相流诱发管道系统振动的研究主要涉及5 个方面：流体动态冲击、湍流诱发的振 动、流体弹性不稳定、水击现象和两相流体耦合等。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 流体动态冲击 管内介质在流动过程中遇到弯管、分支、变径管及节流元件时，会对管道产生一个 激振力。该激振力随着气液比例的不同、弯管的多少、管径的不同而变化，当该激振力 大到一定程度时就会诱发管道剧烈振动 6 1 。 关于流体激振力方面的研究：f a i r h u s t 认为在弯头处的激振力是由于弯头处流体的 动量变化引起的阴，采用了稳态动量定理分析了激振力幅值。t a y l o r 等( 2 0 0 2 ) 1 7 1 从理 论和测试两方面分析了激振力对水平弯头随时间变化的规律，并研究了液体粘度和表面 张力对弯管处两相流作用力的影响。 ( 2 ) 湍流诱发的振动 湍流会引起管道边界层的压力脉动，进而导致随机振动。振动的主要原因包括两方 面：流体激发压力脉动和声波压力脉动。流体激发压力脉动是由于流体局部扰动形成的， 声波压力脉动是由于上游的泵、阀门等部件激发形成的，但是会随着两相混合物的强阻 尼而迅速消减。管中存在的可压缩性气体或气泡会引起局部压力脉动，导致紊流压力场 沿管壁分布，引起振动。 ( 3 ) 流体弹性不稳定 输流管道是一种自振系统，即在一定条件下( 包括无外力强迫作用) 管系结构会发 生不稳定振动，这种不稳定称为流体弹性不稳定，是流体作用力和管道结构共同作用的 结剁1 4 1 。流体弹性不稳定的表现形式为管道失稳或颤振。1 9 3 9 年b o u r r i e r e s 开始了对流 体稳定性的分析。到了1 9 6 1 年b e n j a m i n 对悬臂链接管道的振动特性进行了分析，对“开 放系统 建立了拉格朗日方程式。c h e n 和f a n 等对流体压力、流体摩擦、集中质量、 自由端弹性约束下t i m o s h e n k o 梁模型的悬臂单跨输液管进行了稳定性分析。m o n e t t 与 p e t t i g r e w 分别采用不同的滑动比公式，对悬臂管道失稳的临界流速与基波固有频率进行 了推导，并且进行了实验验证【1 6 1 。 ( 4 ) 水击现象 水击现象( 或称水锤) 是指输送流体的管道因控制系统的误操作诱发水力暂态过程 的现象，水击引发的管道振动也叫喘振。对于约束比较弱的管道系统，水击会诱发自激 振动，甚至会出现大幅振荡，又会引起新的水力暂态过程，造成在管道中存在振动、压 力波动等形式。 关于水锤方面的研究，g r u e l 等( 1 9 8 1 ) 【1 明对弯管处遭受水锤冲击管道的变形进行 了理论分析。刘叔千等【1 3 】( 1 9 9 5 ) 对核电厂蒸汽管水锤进行了分析，同时提供了一种描 3 第一章前言 述蒸汽管中水层逐步形成为水团的过程以及水团在高压蒸汽驱动下对管道弯头冲击的 计算方法，并估计了水锤冲击力的大小。 ( 5 ) 两相流固耦合振动 当管内流体紊流剧烈时，必须考虑管路的流固耦合振动。单相管道的流固耦合研究， 主要涉及输液管道内液弹耦合振动和稳定性分析及声弹耦合振动分析。而气液两相管道 的流固耦合振动的研究比较少，主要是由于气液两相流自身的复杂性造成的。 在这方面，h a r a ( 1 9 7 3 ) 【1 7 1 对两相流管道的运动方程进行了推导，并且指出引起管 道振动的主要原因是振动系统质量、离心力和科氏力的周期性变化。g ez o u , n c h e r a g h ia n det a h e r i ( 2 0 0 4 ) 提出了一种状态变量模型分析的方法，对由流体诱导的 复合管道系统的振动进行了研究，将流体的波松比、材料扭转、液体密度和管道壁密度、 流体流动速度、初始张力以及流体压力的影响等都考虑在内，并将分析结果与用有限元 软件a n s y s 模拟结果进行了对比。 1 3 研究内容和目标 本文参照单相流管道振动理论，首先从振动理论出发分析了引起两相流管道振动的 原因，并介绍了常用的减振措施和方法；运用a n s y s 软件，计算出了管道系统的固有 频率，并进行了谐响应分析；对两相流管道系统进行了振动测试，通过对实验数据的处 理，将理论分析和实验结果作对比分析；最后对两相流管道系统进行了风险评价，根据 测试结果和评价结果提出相应的安全措施。 研究的主要内容如下： ( 1 ) 对两相流管道进行振动理论分析，采用有限元法分析引起管道振动的原因；介 绍常用的两相流管道减振方法和措施。 ( 2 ) 介绍振动测试的基本原理及常用仪器并对两相流水平管道进行了振动测试，分 析不同气液比下，不同管段测点的振动情况，及流体参数对振动的影响。 ( 3 ) 对两相流起伏管道进行振动测试，分析不同角度、不同气液比例对两相流管道 振动的影响和区别，并分析水平管道和起伏管道的振动区别。 ( 4 ) 运用有限元软件a n s y s 建立管道模型，对典型管段进行模态分析和谐响应分 析，并提出一些防振的设计措施。 ( 5 ) 根据实验结果和风险分析理论，对该管道系统进行风险评价，并在此基础上提 出管道系统的优化措施。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章气液两相流管道振动理论分析 气液两相在管道中流动是石化装置中常见的流动过程之一，具有单相流动不存在的 复杂因素。研究管道振动一般要考虑两个系统：管道结构系统和流体系统。一个是从结 构的角度出发研究结构对流体激发的响应；另个是从流体的角度出发研究流动规律和 对结构的激发作用。两相流管线振动一般没有明显的激振力来源，为了搞清楚管道振动 的原因，必须先从理论上对管道系统的进行振源分析，进而采取对应措施。 2 1 气液两相流概述 气液两相流是存在于变动相界面的气液两相混合物的流动1 1 9 1 。在现代工程技术中， 气液两相流的应用越来越广泛，如应用在锅炉、油气田的开采、化工设备和热量的传输 等【2 0 】。气液两相的流动特性与这些设备的安全性、可靠性密切相关，因此引起了国内 外科研人员的普遍重视。 2 1 1 两相流的特性参数 气液两相流中的气相和液相都有各自的参数，如速度、压强、密度、温度等。在流 动过程中，气相和液相之间的相互作用伴随着质量、能量和动量的交换，从而就有了表 征两相混合物特征的参数【2 。气相的流动参数用下标“g 表示，液相的流动参数用下 标“， 表示，混合物的流动参数不加下标，常用的有以下几类【1 9 1 ： ( 1 ) 速度 常用的速度有气相速度协液相速度v 、气相和液相的折算速度k 、气液两相混 合物速度，等瞄j 。各项速度具体的定义如下： 气相和液相速度 在混输管道中，假设气相和液相所占的流通面积分别为以和么，则气相速度和液 相速度分别为： = 譬 ( 2 - 1 ) v ，= 譬 ( 2 - 2 ) 其中：q g 为气相的体积流量：9 为液相的体积流量 上面的两个速度实际上是气液两相在各自占流通面积上局部速度的平均值，称为气 5 第二章气液两相流管道振动理论分析 液相的实际速度。 气相和液相的折算速度 折算速度就是管道的全部流通截面彳只被两相中任一相占据时的流速，两者的折 算速度可表示为： = 手 ( 2 - 3 ) = 孚( 2 - 4 ) 由上式可看出，气相和液相的折算速度小于各自的实际速度，折算速度常应用在流 型识别。 气液两相混合物速度 两相混合物速度指两相混合物总体积流量与流通截面积的比，即： v ：华：k + ( 2 - 5 ) 么 ” “ 滑差和滑动比 一般情况下，混输管道中气相速度和液相速度是不等的，两者的差称为滑差或滑脱 速度，即： 1 ，= 心一v ， ( 2 6 ) 气相速度和液相速度的比值称为滑动比j ，即： s ：皇 ( 2 7 ) m ( 2 ) 气液分相含率 气液含气率包括截面含气率口( 又称空隙率) 、容积流量含气率夕和质量流量含气 率x ( 又称干度) 2 2 】。口为管道中气相所占截面积与总流通截面积之比；夕为气相体 积流量占气、液两相总体积流量的比例；x 为气相质量流量与两相质量流量之比。一般 由于气、液两相间存在相对速度，口和夕并不一致。 ( 3 ) 流型 流型也叫流态，是指流体流动的结构与形式。不同的流型具有不同的动力学特性， 因此流型对两相流的理论研究十分重要。对于流型现在还没有统一的标准划分，常见的 6 中国石油大学( 华东) 硪士学位论文 流型有：分层流、段塞流、气泡流、气团流、波浪流、环状流等，具体如下图所示 理匡蚕 圈2 - 1 气蒗两相瀛流型图 ，韬- 1t h e m r g h e m a p o f g a s - l i q u i d t w o - p h a s e f l o w ( 4 ) 压力及压力降 压力和压降也是两相流的常用参量。前者指管道某点处的压力；后者指在某管段上 的压力差。通过对流动过程中压力及压力降信号的检测与分析处理，可为两相流稳定流 动提供一种参照。 2 2 气液两相流管道振动的原因分析 22 1 振动机理 存在于两相流气相和液相之间的界面波有两类：压力波( 如声波) 和奎度波( 如空 泡波) 。这两种波同时存在且相互作用正是由于它们传播速度的不同( 相差1 2 个数 量级) ，造成了管系的不稳定性，进而引起管道系统的振动。 管系振动不是单纯的自由振动是由作用在管系上的撤振力引起的受迫振动【4 】。这 种激振力有三个主要来源：管道内的脉动压力、两相流体的流动状况和机械运动不平衡 产生的惯性力。通常管道内的脉动压力和流体流动冲击起主要作用。如图2 - 2 ( a ) 所 示，设弯管内流体的脉动压力为p ，流通面积为s ，弯角为玑则作用在管道截面上的 脉动力大小为邢，即 e = 最= 茚 ( 2 - 8 ) 将这二力合成，得到沿弯管分角线的合力b ，其值为： f ：2 p s s n ； ( 2 9 ) 式( 2 9 ) 就是由脉动压力引起的作用在弯管上的嫩振力。可见，f r 随弯角口的增加 而变大。对于直角弯管，即口= 9 矿时 第二章气液两相流管道振动理论分析 f r = 压p s 对图2 2 ( b ) 的异径管，假设流通面积分别为母和& ， 力为p ，鼬f l = ps l ，f 2 = ps 2 丽者桶合力为： c = e e = p ( s 一是) ( 2 1 0 ) 假设异径截面处的脉动压 l 奠 ( 2 一1 1 ) ( a ) 图2 - 2 弯管( a ) 和异径管( b ) 处的激振力 f i 9 2 - 2 e x c i t a t i o nf o r c ei ne l b o w ( a ) a n d r e d u c i n gp i p e ( b ) 由于上式中的p ( 脉动压力) 随时间周期性变化，所以作用在管道上的激振力也发 生周期性的变化。脉动的流体，在遇到弯管、异径管以及阀门等元件时，就会产生激振 力，从而使管道作受迫振动。当作用在管系上的激振力频率( 又称激发频率) 等于或接 近管系的固有频率时，就会产生共振。 2 2 2 振源分析 对于气液两相流管道系统而言，由于自身振动的复杂性，分析起来难以确定引起管 道振动的具体原因。综合分析来看，主要的诱因有：系统中设备的外部动力、气液两相 流动中产生的复杂作用力、系统自身的约束情况等。具体分三个方面考虑： ( 1 ) 两相流体脉动变化 离心泵和压缩机都是高速运行的动力机械，它们的不均匀排量会使管系内的流体发 生周期性变化，从而导致压力和流速发生周期性变化。动力机械的这种不稳定性还会造 成压力和流量的脉动；而机组负荷的波动还会引起流量的波动【4 l 】。这种“脉动压力 作用于约束不牢或者减振性能不好的管道系统，就会引起剧烈振动。脉动的流体沿管道 流动，遇到弯头、异径管、控制阀等时产生的激振力频率若与管道结构的固有频率相近 就会产生共振，甚至导致事故的发生。 ( 2 ) 两相流管道内流体的流动状况 如果两相流管道系统布置的不合理( 如弯头太多、固定架不牢、经常改变走向等) 以及管件( 如阀门、孔板等) 突然开启、关闭等，会突然改变管内流场，导致管道剧烈 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 振动【4 刀；当管道中介质的流速过大超过一允许流速时，也会引起管道振动。所以在设 计的规定中，一般都会根据管道的种类、输送流体的类别和使用场所等限制管内的允许 流速。另外，“水锤”也是造成管道非正常振动的主要原因之一。 1 4 m a o p1 0 则水压试验评分为1 5 分( 可变因素) 。 土壤移动状况评分 据了解，该管道所经地段的土镶可能有移动，但不经常，按土壤移动可能性为中等 考虑，根据表6 8 取土壤移动状况评分为2 分( 非可变因素) 。 综上可得设计因素评分= 2 0 十1 2 十1 2 十5 十1 5 十2 = 6 6 分，其中可变因素= 1 2 十5 十1 5 = 3 2 分，非可变因素为= 2 0 十1 2 十2 = 3 4 分。 ( 4 ) “操作原因 破坏因素的评定 设计误操作因素评分：该管道设计部门有充分地进行该项设计的经验，但无整 体的第三方监督，按“中 与“良之间考虑，选取设计误操作因素评分为1 5 分( 可 变因素) 。 施工误操作因素评分：该施工部门有充分进行施工的能力，但只有部分项目有 第三方监督，按“中”与“良之间考虑，取施工误操作因素评分为1 0 分( 可变因素) 。 运营误操作因素评分：该管道的操作规章制度基本完善，但操作者未经过严格 培训，按“中、“良之间考虑，取运营误操作评分为1 4 分( 可变因素) 。 维护误操作因素评分：综合考虑文件检查、计划检查、规程检查三方面因素， 选取维护误操作因素评分为6 分( 可变因素) 。 7 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 综上计算可知：操作原因破坏因素评分= 1 5 十1 0 十1 4 十6 - - 4 5 分 非可变因素为0 分。 综上所述可求出指数和，见表6 1 6 。 表6 - 1 6 评分的指数和 t a b l e 6 - 1 6t h ee x p o n e n t i a ls u mo fs c o r e s ( 5 ) 求取加权指数评分和 根据上述四方面各自的比重，分别乘以各自的分数相加即可得到指数评分和。其中， 第三方破坏因素权重为4 0 ；腐蚀破坏权重为3 5 ；人员误操作权重为1 5 ；设计失 误权重为1 0 。 故加权指数和评分= 3 4 x 4 0 + 5 2 x 3 5 + 6 6 x l o + 4 5 x 1 5 = 4 5 1 5 ( 6 ) 求取介质危险分 该管道输送介质为原油和空气，由附录1 5 可求出，、m 、m 以及长期危险性r q 的数值：，= 3 ，r = o ， = 1 ，r q = 6 则介质危险分= 3 十0 十l 十o 十6 = 1 0 分 ( 7 ) 求取影响系数影响系数取决于泄漏分及人口状况分。 液体的泄漏分又取决于土壤渗透率评分和泄漏量评分。 土壤土质为黏土加沙黏土，土壤渗透率评分应为2 5 分，泄漏量评分为3 分；泄漏 评分：- - - ( 2 5 + 3 ) 2 = 2 7 5 0 根据管道实际情况，并参阅表6 1 2 ，确认该管道为d o t 地区分类法的3 类地区， 参阅表6 一1 3 知，人口状况分为3 分，因此得出： 影响系数= 篇= 竽一o 9 2 ( 8 ) 求取泄漏冲击指数 由式( 6 1 1 ) 可知： 7 5 第六章两相流管道系统的指数法风险评价 泄漏冲击指数= 器= 凿= 1 0 8 7 分( 可接受的泄漏冲击指数为1 5 ，安全) ( 9 ) 求取相对风险数由式( 6 1 5 ) 可知： 相对风险数= 盎= 篙“1 5 可接受的社会风险指数4 。，故不安全； 管理相对风险指数= ( 1 4 5 1 5 1 0 0 ) 3 1 8 0 0 = 1 7 4 4 2 3 管道公司可接受的相对风险 数1 6 0 0 0 ，该管道安全。 从指数评分来看，在影响该管道的四类因素中，第三方破坏因素得分最低，说明该 管道第三方破坏较严重，为了减少第三方破坏的风险，即提高分数，一般来说只能在可 变因素( 即“公众教育、“线路状况、“巡线频率) 项目中做努力。这与该管道缺乏 日常巡线和及时保护有关，应该对该管道加强日常保护和定期检查维修。 从管理相对风险数来看，该管道的管理相对风险数正常，可以接受。但社会危害性 相对风险数已经超过可接受社会相对风险数的程度，管道已经进入危险期，应该加强监 测力度。另外可以发现可变因素约占6 1 9 ，非可变因素约占3 9 1 。增加安全性和可 靠性，要在可变因素方面下工夫，而且还有很大潜力；但改变可变因素的具体方案，还 要通过经济及技术评估后确定。 6 5 本章小结 本章将风险指数评价法应用于管道系统，着重介绍了管道系统的风险指数评分法的 内容和基本程序；并且将该理论运用于两相流管道系统，并对该管道系统进行了风险评 价，对该管道系统的风险状态进行了分析，由分析可以看出该管道系统的社会危害性相 对风险数已经超过可接受社会相对风险数的程度，管道已经进入危险期，应该加强监测 力度。 7 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 结论 本文以气液两相流管道为研究对象，在理论分析的基础上，采用计算和测试相结合 的方法，对两相流管道的振动机理和规律进行了探讨，所做工作和得出的主要结论如下： ( 1 ) 引起两相流管道振动的主要原因有三个：管道内气液两相流体的脉动变化、 管系布置不合理和动力机械的不平衡；采用有限元理论分析了减弱管道振动的技术方向 是调整管系的固有频率和优化管系布置。 ( 2 ) 采用a n s y s 有限元软件，分别计算出了该两相流管道系统直管段和弯管段 前六阶模态固有频率，以及前四阶模态振型；对该管系特定情况下进行了谐响应分析， 发现该情况下引起该管线振动的激振力频率为9 h z ，并且分析了弯管处的变形和应力云 分布，为管道减振提出了具体措施。 ( 3 ) 对水平管段气液两相流管道进行了振动测试发现：两相流下水平管道振动速 度的频率范围为0 - - - 2 0 h z ，属于低频振动，只不过振动的幅值和相位相比单相气管道有 所差别：振动幅值随着液体的注入相比单相气下有所增大，振动幅值的范围为0 1 2 5 1 m a s ；同气量下振动速度的幅值和能量均随着液体流量的增加而增大，但另外，据 测试发现该管道在进出口处振动比较剧烈，建议采取加强支撑的措施。 ( 4 ) 选取起伏角度为6 度、4 度和2 度三种情况进行两相流管道振动测试分析发 现：起伏管道下两相流管道振动速度的频率范围为0 - - 一5 0 h z ，而且振动的峰值明显增多； 振动的幅值范围为0 - - 一2 5 0 p m s ；两相流下不同起伏管道相比，随着起伏角度的降低， 同工况下振动的频带明显变宽，频带范围为0 - - - 3 5 h z ；同测点的振动幅值随着角度的降 低也增加；同测点的振动能量值也随着测试管道角度的降低而增加。同工况下起伏管道 不同测点的振动情况也有所差别，在起伏管道底部测点的振动幅值和能量相比其他测点 有所下降；上升管段和下降管段管道振动的幅值和能量也有所差别，上升管段的振动幅 值和能量值明显要比下降管段要大。 ( 5 ) 对该两相流管道系统进行了风险指数评价，计算出了该管系的相对风险系数 和管理相对风险系数，通过分析发现该管道系统的社会危害相对风险系数处于不安全状 态而管理风险系数处于安全状态，建议采取提高巡线频率和加强日常保护的措施提高该 管道的相对风险系数，降低风险。 本文所做工作中，有如下创新点： ( 1 ) 采用有限元软件a n s y s 对两相流管道系统进行了模态分析和谐响应分析， 结论 并提出了优化措施。 ( 2 ) 对单相气管道和两相流管道进行了振动测试，并对比分析总结了两者的测试 频谱差别和振动能量区别；对两相流起伏管道进行了振动测试，分析了起伏角度不同对 管道系统振动造成的影响。 ( 3 ) 将风险指数评价法应用于两相流管道系统进行了风险评价，确定了管道系统 的风险状态及改进措施。 两相流管道系统振动非常复杂，其振动也受诸多因素的影响，要搞清两相流管道振 动的机理和规律还需要做进一步的研究。对今后的工作有如下建议： ( 1 ) 在对两相流管道进行a n s y s 模态和谐响应分析时，只对两端简支管道进行 了分析，而对其它支撑条件下未作分析，另外，还应加强对两相流管道系统谐响应分析 研究。 ( 2 ) 本文只对水平管和起伏管进行了振动测试，还应该加强对垂直管道进行测试 研究；本次测试对具体的流型没有区分，只对特定的工况进行了振动测试，应该加强流 型与振动强度方面的规律研究。 ( 3 ) 对两相流管道进行风险分析时，指数评分法带有很强的主观色彩，而且管道 的相关资料收集也不是很完整，建议采取定量分析的方法进行管系风险分析。 7 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 参考文献 1 】范钦珊等工程力学高等教育出版社，1 9 8 9 ：1 2 5 1 2 7 2 】g b j 工业管道工程施工及验收规范，1 9 9 0 ：2 3 5 2 6 2 【3 】刘娜工业压力管道应力分析简化模型研究【d 】北京：北京化工大学，2 0 0 3 ：3 5 3 7 【4 】j c w a c h e l p i p i n gv i b r a t i o na n ds t r e s s ，m a c h i n e r yv i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n da n a l y s i s s e m i n a r j ，v i b r a t i o ni n s t i t u t e ，1 9 8 1 ：1 2 0 1 2 4 5 】m j p e t t i g r e w ，c e t a y l o r t w o p h a s ef l o w - i n d u c e dv i b r a t i o n j o u r n a lo f p r e s s u r e v e s s e lt e c h n o l o g y ，1 9 9 4 ；1 1 6 ：2 3 3 2 5 3 【6 】j l r i v e r i n ，m j p e t t i g r e w f l u c t u a t i n gf o r c e si nu - t u b e ss u b j e c t e dt oi n t e m a l t w o p h a s ef l o w p r o c e e d i n go fp v p 2 0 0 5a s m ep r e s s u r ev e s s e l sa n d p i p i n gd i v i s i o n c o n f e r e n c e ，c o l o r a d o ，u s a 2 0 0 5 ：1 4 - 2 4 【7 】f a i r h u r s tc p t w o p h a s et r a n s i e n tp h e n o m e n ai no i lp r o d u c t i o nf l o w l i n e s b h r at h e f 1 u i de n g i n e e r i n gc e n t e r 2 0 0 3 ：3 5 - 4 0 【8 】b ，l t a y ，r b t h o r p e f f e c to f l i q u i dp h y s i c a lp r o p e r t i e so nt h ef o r c e sa c t i n go n a p i p eb e n di ng a s l i q u i ds l u gf l o w c h e m i c a le n g i n e e r i n gr e s e a r c ha n dd e s i g n ， 2 0 0 4 ：8 2 ( 3 ) ：3 4 4 3 5 6 【9 】9 赵乱成管道中气一水锤探讨城市给排水，1 9 9 7 ，2 2 ( 3 ) ：5 - 8 【l0 】r l g r u e l ，p w h u b e r & w m h u r w i t z p i p i n gr e s p o n s et os t e a m - g e n e r a t e dw a t e r h a m m e r p r e s s u r ev e s s e l sa n dp i p i n gd i v i s i o nf o rp u b l i c a t i o ni nt h ej o u r n a lo fp r e s s u r e v e s s e l st e c h n o l o g y ，1 9 8 1 ，1 0 3 ：2 1 9 【11 】o w e n ，i ，h u s s e i n ，i b l i q u i ds l u gm o t i o ni nc o m p l i a n tp i p i n g a s m ef l u i d se n g d i vn l b lf e d ，1 9 9 6 ：2 0 2 2 1 3 【1 2 】j y a n g ，d c w i g g e r t a n a l y s i so f l i q u i ds l u gm o t i o ni nv o i d e dl i n e a s m ej o u m a l o f p r e s s u r ev e s s e lt h e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ：1 2 0 【1 3 】刘叔千，周美五核电厂蒸汽管道中水团冲击( 水锤) 的分析核科学与