（石油与天然气工程专业论文）段塞流对线路冲击影响的应力分析.pdf

s l u gf l o wi m p a c ts t r e s sa n a l y s i s o f al i n e at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fe n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：q i uh u m i a o s u p e r v i s o r ：p r o f c a ox u e w e na n d c h e nj i e c o l l e g eo fp i p e l i n ea n dc i v i le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 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己在论文中作出了明确的 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：鲫瑚叠 日期：卫年歹月2 罗曰 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、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：塑塑盘 指导教师签名：! 叟殓 日期：2 9 1 1 年5 月可日 日期：纠侔5 月二孑日 摘要 随着石油工业的不断发展，油气混输技术已得到越来越广泛的应用，混输 管线的长度也随之不断延长。目前世界范围内长距离混输管线超过3 0 0 条，遍及 世界各地。为了满足工程实际的需要，世界各国积极丌展对混输技术的研究，中 国石油天然气集团公司将混输技术研究纳入重点科技攻关项目1 1 1 。 段塞流是油气管道混输中最常见的流型，两相流管路中出现段塞流，会恶化 管路的运行条件，使管路发生不稳定振动，甚至使终端分离器发生断流或溢流， 是混输过程中产生危害最大的流型。因此，对段塞流的应力研究具有现实的意义。 本文主要是对段塞流产生的原因，形成机理的研究对其的控制和消除有重要 的作用，找出段塞流在两相流中出现的阶段，以及对管道的危害，也就是研究的 必要性及其意义。确定段塞流的分类，段塞流的流动特性参数，影响因素。用一 个具体实例中的一段段塞流进行分析，计算跟踪段塞流的各个参数，如段塞频率， 液膜长度，液弹长度，段塞单元长度，液膜速度，气泡速度，液弹的平均真实速 度，气泡的平均真实速度，液弹持液率，前后压力，液膜持液率和段塞单元的平 均持液率等。其中重点对段塞流最大速率和段塞流长度的研究分析。然后介绍力 学分析的相关理论知识，应力分析的主要内容及应力分类，材料强度理论，管系 模型的建立和分析。紧接着对段塞流特性进行细致的研究，根据气液两相流段塞 流特性参数的值、变化规律以及特征参数之间的关系，制作其对管线作用力的时 程曲线。然后分析绘制的时程曲线，其中重点对隧道处段塞流的应力影响进行核 算，分析，确定危害处，找出危险点。 本文通过文献查阅，了解国内外段塞流研究的发展现状。结合现阶段段塞流 分析的些常用方法，相关的适用技术，国际上比较成熟的模拟计算软件，对段 塞流的基本特性，影响因素进行归纳分析。通过o l g a 软件分析一个实例，找 出、跟踪该例中的段塞流的特性参数及影响条件。根据得到的段塞流数据结合 o r i g i n 软件绘制力与时间的时程曲线。通过c a e s a r i i 软件计算分析段塞流的变 化曲线，对其应力进行核算。 关键词：段塞流，应力分析，时程曲线，特性参数 l o s e t e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dm o r ea n dm o r e ，m i xt h el e n g t ho f t h ep i p e l i n ew i t hr i s i n g l o n g e v i t y w i t h i nt h ew o d dc u r r e n t l ym o r et h a n3 0 0l o n g - d i s t a n c ep i p e l i n eo fm i x e d ， a r o u n dt h ew o r l d i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do fp r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，t h ew o r l do f t h em i x e da c t i v e l yl o s tt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，t h ec h i n e s ep e t r o l e u mc o r p o r a t i o nw i l l m i xl o s et e c h n o l o g yr e s e a r c hi n t ot h ek e yt e c h n o l o g yr e s e a r c hp r o j e c t s s l u gf l o wi so i la n dg a sp i p e l i n e st ol o s et h em o s tc o m m o nt y p eo fm i x e df l o wt y p e ， t w op h a s ef l o wa p p e a r e ds l u gf l o wi np i p e l i n e ，p i p er u n n i n gc o n d i t i o n sw i l lw o r s e n i n s t a b i l i t y , m a k et h ep i p e l i n eh a p p e n e d ，e v e nm a k e st e r m i n a ls e p a r a t o rv i b r a t i o n o c c u r r e d ，i sm i x e df l o wo ro v e r f l o wl o s tp r o c e s sf l o wt y p eo fb i g g e s tc a u s eh a r m t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fs l u gf l o ws t r e s sa n do fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ri sm a i n l yt ot h ec a u s e so fs l u gf l o w , t h es t u d yo nt h ef o r m a t i o n m e c h a n i s mo fc o n t r o la n de l i m i n a t eh a v ei m p o r t a n tr o l e ，f i n ds l u gf l o wa p p e a r e di n t w op h a s ef l o w , a n dt h es t a g eo fp i p e l i n e ，a l s oi st h es t u d yo fe n d a n g e r i n gt h e n e c e s s i t ya n ds i g n i f i c a n c e d e t e r m i n et h ec l a s s i f i c a t i o no fs l u gf l o w , t h ef l o wo fs l u g f l o wc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r s t h em y s t e r i o u sw i t has p e c i f i c e x a m p l ea n a l y s i s ，c a l c u l a t i o nt u c k e df l o wt r a c k i n gs l u gf l o wv a r i o u sp a r a m e t e r s ，s u c h a ss l u gf r e q u e n c y ，l i q u i dm e m b r a n el e n g t h ，f l u i dp l a yl e n g t h ，s l u gu n i tl e n g t h ，l i q u i d m e m b r a n es p e e d ，b u b b l e ss p e e d ，t h ea v e r a g el i q u i dr e a lv e l o c i t y , t h ea v e r a g er e a l v e l o c i t yo fb u b b l e s ，l i q u i dp l a yt h el i q u i dr a t e ，a f t e rp r e s s u r e ，l i q u i dm e m b r a n eh o l d l i q u i dr a t ea n ds l u gu n i ta v e r a g eh o l dl i q u i dr a t e ，e t c o n eo fs l u gf l o wo nm a x i m u m r a t ea n ds l u gf l o wl e n g t ho fs t u d y t h e ni n t r o d u c er e l e v a n tt h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo f m e c h a n i c sa n a l y s i s ，s t r e s sa n a l y s i st h em a i nc o n t e n ta n dt h es t r e s sc l a s s i f i c a t i o n ， m a t e r i a ls t r e n g t ht h e o r y , t u b es y s t e mm o d e l i n ga n da n a l y s i s t h e nt os l u gf l o w c h a r a c t e r i s t i c sa r ed e t a i l e dr e s e a r c h ，a c c o r d i n gt ot h eg a s l i q u i dt w op h a s ef l o ws l u g f l o wc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h ev a l u e ，t h ec h a n g i n gr u l e sa n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fp i p e l i n e ，m a k i n gt h et i m e h i s t o r yc u r v e s f o r c e t h e nw h e nr e n d e r i n gp r o c e s sc u r v ea n a l y s i s ，w h i c hf o c u so nt h et u n n e lp l a c e s l u gf l o ws t r e s si n f l u e n c eo na c c o u n t i n g ，a n a l y s i s ，d e t e r m i n et h a tt h eh a z a r dp l a c e ， f i n do u tt h ed a n g e rp o i n t t h i sa r t i c l et h r o u g ht h el i t e r a t u r ea c c e s sa th o m ea n da b r o a d ，u n d e r s t a n d i n go ft h e d e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c hs l u gf l o ws t a t u sq u o c o m b i n i n gt h ep r e s e n ts l u gf l o w a n a l y s i sm e t h o d ，s o m ec o m m o n l y u s e dt h e a p p l i c a b l et e c h n o l o g y , r e l e v a n t i n t e m a t i o n a lq u i t em a t u r es i m u l a t i o ns o f t w a r eo fs l u gf l o w , t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c s ， i n f l u e n c ef a c t o r so ft h ei n d u c t i v ea n a l y s i s t h r o u g ha ne x a m p l eo l g as o f t w a r e a n a l y s i s ，f i n do u t ，t r a c k i n gt h ec a s e so ft h es l u gf l o wc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n d i n f l u e n c i n gc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt og e ts l u gf l o wd a t ao r i g i ns o f t w a r er e n d e r i n g w i t hf o r c ea n dt i m es c h e d u l ec u r v e t h r o u g hc a l c u l a t i o n ，a n a l y s i sc a e s a r i i s o f t w a r ec h a n g e so fs l u gf l o wo fi t ss t r e s sc u r v ec a l c u l a t i o n k e y w o r d s ：s l u gf l o w , s t r e s sa n a l y s i s ，t i m e - h i s t o r yc u r v e s ，c h a r a c t e r i s t i c 摘要 目录 目录 第一章绪论 i l 1 1 课题背景1 1 2 国内外研究现状一2 1 3 本文的研究内容3 1 3 1 研究的主要内容3 1 3 2 研究的重点3 1 3 3 技术路线及方法4 1 4 研究目的和意义4 1 4 1 预期达到的研究目标4 1 4 2 存在的主要问题4 1 4 3研究的意义4 第二章段塞流形成机理 5 2 1 段塞流的产生5 2 1 1 段塞流的特点5 2 1 2 段塞流形成机理5 2 2 段塞流的分类7 2 3 段塞流的特性8 2 3 1段塞流物理模型8 2 3 2 段塞流特性参数9 2 4 本章小结1 0 第三章段塞流应力概述 1 1 3 1 力学理论分析11 3 1 1 管道应力分析的主要内容一1 l 3 1 2 管道所受应力分类一1 1 3 1 3材料强度理论1 3 3 2 管线应力模型1 4 3 2 2 管道应力的校核l5 3 2 3 管系模型的建立与分析1 5 3 3 本章小结1 7 第四章段塞流特性及应力分析1 8 4 1o l g a 对段塞流跟踪模拟18 4 1 1 基础参数1 9 4 1 2o l g a 模型建立。2 l 4 1 3o l g a 计算结果。2 4 4 2 段塞流转化成时程曲线2 7 4 2 1 恒定总流的动量方程2 8 4 2 2 定常流动流体流经弯管时的动约束力3 0 4 2 3 变质量质点的运动微分方程3 2 4 2 4 应力时程曲线制作3 3 4 3c a e s a ri i 软件分析。4 0 第五章结论与建议 4 5 5 1 结论4 5 5 2 进一步工作与建议4 6 参考文献 致谢 4 7 5 0 中困石油大学( 华东) 丁程硕：j 二学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 本课题来源于国家“十一五”计划，立题项目为：石油天然气管道工程，本 课题主要涉及两相流中段塞流对线路影响的应力分析。 能源战略事关我们国家的经济安全。改革开放以来，我国能源的开发和发 展达到了前所未有的速度。已经陆续发现了很多大型的油气资源。随着我国石 油需求量的迅速增长，国内石油的供需缺口在不断扩大，对外依存度在日益提 高。随着我国经济的持续高速发展，油气能源紧缺的状况日益加剧。2 0 1 0 年， 我国进口石油的总量已经超过石油总消耗量的5 0 。1 2 j 为了保证油气能源能够 满足长期供应和安全储备的需要，我国已经进入了海内外陆地和海洋油气田的 石油炼化、勘探开发、油气管道和油气储备库建设发展的高潮期。 段塞流是两相流中十分常见的流型。在油气混输过程中，在很多情况下， 不仅是停输、清管过程中，以及流量的变化等都会有段塞流的产生。段塞流常 常会造成管道中含气率和压力的显著变化，并使得运行在段塞流下的油气混输 管道承受间段性的冲击应力。也会恶化管路的运行条件，使管路发生不稳定振 动，甚至使终端分离器发生断流或溢流。不仅如此，大液塞在离开管道末端后会 引起下游设备中的液位显著波动。 段塞流的发生将会给混输系统造成严重危害，主要表现在： ( 1 ) 对隧道管道的影响：根据流体耦合原理，流体边界应力应与管道内壁应 力相等。段塞流在隧道中由于方向的改变，速度梯度变化比较大，造成管子内 部应力增加，常常会影响使管道密封失效，影响其寿命。 ( 2 ) 对进站管道的影响：段塞流速率发生变化，在管道终点流出的气、液瞬 时流量有很大波动，造成应力荷载的变化，对管道的冲击荷载进一步增大，影 响管道安全，对管道下游油气加工设备的工作产生不利影响 ( 3 ) 对跨越管道的影响：段塞流的发生还会引起管子固有频率变化，造成无 规律振动，使管道的稳定性受到影响 段塞流的预测及控制对工程实际和管道安全都具有现实的意义，为保证管 线和油气处理设备的最优设计和安全操作，必须能够尽可能准确掌握、测量和预 第一章绪论 报段塞流特征参数的大小与变化规律。段塞流特性参数的确定，对隧道及跨越 工程设计、终端段塞捕集器大小的确定等具有现实的价值。 对段塞流的研究不断深入，国家及石油系统也加大了投入，将段塞流预测分 析作为重要研究项目。 由于段塞流的荷载是不可预测的，本文的研究拟在分析一个油气管道工程 项目，以实际数据为基准，对隧道处的段塞流特性及应力变化情况进行比较细 致的研究分析，进行了一定的假设和简化，根据软件得到的数值，对管道中的 受力危险点进行预测，提出建议和改进措施。 1 2 国内外研究现状 气液两相流是一种比较复杂的流型，它的变化与物性、速率、粘性等很多因 素有关，在实际研究中是十分困难的。国内外研究两相流中段塞流的方法不少， 但预测段塞流流动参数比较困难，只能采用经验或半经验关系式。到目前为止， 国内外还没有提出准确性很好的预测段塞流流动特性参数的关系式，也无法计 算段塞流的应力荷载。 3 1 研究发现，气体流速更大时，波浪加剧，波浪的顶部不时可高达管壁的上 部。此时，低速的波浪将阻挡高速气流的通过，然后又被气流吹开和带走一小 部分。被带走的液体，或散成液滴，或与气体一起形成泡沫，当混合物继续向 上流动，压力逐渐降低，气体不断膨胀，小气泡将合并成大气泡，直到能够占 据整个油管断面时，井筒内将形成一段液一段气的结构，就是段塞流。 在油气混输系统中，段塞流特性参数的变化、以及高程、流量、管子倾斜 角度等的变化，以及持液率、含气率等不是恒定的。因此，管道中会产生各种 流动型态，正是对流型的不了解和误判。在实际工作和生产中带来了不利影响。 所以对流型尤其是段塞流的准确分析就显得十分重要。 2 中固油大学( 华东) 工程硕上学位论文 1 3 本文的研究内容 1 3 1 研究的主要内容 1 段塞流应力分析的课题背景，研究的相关内容，技术路线和研究的目的。 2 段塞流是混输过程中产生危害最大的流型，对段塞流产生的原因，形成机理 的研究对其的控制和消除有重要的作用，找出段塞流在两相流中出现的阶段， 以及对管道的危害研究的必要性及其意义。确定段塞流的分类，段塞流的 流动特性参数，影响因素。用一个具体实例中的一段段塞流进行分析，计算跟 踪段塞流的各个参数，如段塞频率，液膜长度，液弹长度，段塞单元长度，液 膜速度，气泡速度，液弹的平均真实速度，气泡的平均真实速度，液弹持液率， 前后压力，液膜持液率和段塞单元的平均持液率等。其中重点对段塞流最大速 率和段塞流长度的研究分析。 3 介绍力学分析的相关理论知识，应力分析的主要内容及应力分类，材料强度 理论，管系模型的建立和分析。 4 对段塞流特性进行细致的研究，根据气液两相流段塞流特性参数的值、变化 规律以及特征参数之间的关系，制作其对管线作用力的时程曲线。然后分析绘 制的时程曲线，其中重点对隧道处段塞流的应力影响进行核算，分析，确定危 害处，找出危险点。 5 根据结果相应的在实际生产中采取防治和改进措施，提高管线运行的安全性， 减小损耗，增加输送效益。 1 3 2 研究的重点 ( 1 ) o l g a 是目前国际公认的多相流工艺计算的标准化软件，运用o l g a 软 件跟踪两相流段塞流的流动特性参数，找出特性参数的变化规律，影响条件， 然后结合数据用o r i g i n 软件制作时程曲线。 ( 2 ) 准确使用c a e s a ri i 软件对段塞流的时程曲线进行分析，核算。得出段 塞流在不同地段，不同时刻的应力状况，变化趋势，位移变化，找出应力过大 的地方。 第一章绪论 1 3 3 技术路线及方法 ( 1 ) 通过文献查阅，了解国内外段塞流研究的发展现状。结合现阶段段塞流分 析的一些常用方法，相关的适用技术，国际上比较成熟的模拟计算软件，对段 塞流的基本特性，影响因素进行归纳分析。 ( 2 ) 通过o l g a 软件分析一个实例，找出、跟踪该例中的段塞流的特性参数 及影响条件。 ( 3 ) 根据得到的段塞流数据结合o r i g i n 软件绘制力与时间的时程曲线 ( 4 ) 通过c a e s a r i i 软件计算分析段塞流的变化曲线，对其应力进行核算。 1 4 研究目的和意义 1 4 1 预期达到的研究目标 ( 1 ) 制作两相流段塞流中特性参数的变化和影响因素对管线作用力的时程曲线 ( 2 ) 找出段塞流应力的变化情况，找出危险点。 ( 3 ) 结合研究结果相应在实际生产中，采取一定的措施，避免危险因素的出现， 保证管线安全运行的同时，增加经济效益。 1 4 2 存在的主要问题 ( 1 ) 研究只是针对一个段塞流对管线的冲击和影响。并假定流动过程中段塞没 有变化。 ( 2 ) 时程曲线只是根据段塞流参数变化而制作的，并不是普遍适用的。 ( 3 ) 在制作时程曲线时，对受力进行了简化，并且忽略了高程差，内部粘性力 等情况。 1 4 3研究的意义 对段塞流的应力分析，目前国内研究的很少，但对其的研究确有着不小的现 实意义。可以预见的未来，对段塞流的研究一定会不断深入，对两相流段塞流 的防治和消除一定会取得更多的实质性效果，经济效益，社会效益双向收获。 4 2 1 1 段塞流的特点 当两相流继续向上流动，压力逐渐减小，气体不断膨胀，小气泡将变成大气泡， 直到能够充满整个油管断面时，筒内将形成一段液一段气的结构。 特点： 1 ， 气体呈分散相，液体呈连续相； 2 ， 一段气体一段液体交替出现； 3 ，气体膨胀能得到比较好的利用； 4 ， 滑脱损失变小；摩擦损失增大。 2 1 2 段塞流形成机理 现在学术界比较一致的概念认为段塞流的形成机理是界面波的k h 不稳定性 【4 1 。由于卸的变化作用在水波上，并且卸 g ，g 是对界面波起稳定作用的重力，k - h 效应就随之发生了，界面波越来越大，一直到段塞的出现。k h 不稳定性准则如下 公式： ( 见一p g ) g h l 纯 ( 2 1 ) 用实验数据进行比较得出，计算结果得出： ( 临界气相速度) 实际( 液 塞形成时的实际气相速度) 。一些国外学者在正方形截面管中研究得出，重力对已 形成的界面波有破坏作用，空气动力学的升力促使波的生长。“起塞 这一术语 来阐述也就是在这种情况下出现了。 液塞形成的k - h 不稳定性判据如下表所示： 委托f 瓦而 ( 2 - 2 ) 比较式( 2 - 1 ) 和式( 2 - 2 ) 可以发现，k - h 不稳定性准则预测段塞流时，得出了 “g 2 实际。 t a i t e l 5 1 等人对分层流界面波的研究证实，波面上卸的出现是b e r n o u l l i 力 5 第一二章段寒流形成机理 作用的结果，它是不稳定性界面波产生的原因。 在管壁与分层流认为当持续生长的不稳定界面波在上管壁之间和分层流界面 形成液桥时，就形成了液塞。从而得到了水平管和微倾管中分层流向段塞流转变的 判据： u g 托瓦而 ( 2 3 ) 叫s ) 图2 - 1t a i t e l - d u k l e r ( 1 9 7 6 ) 和无粘k e l v i n h e l m h o l t z ( i k h ) 流型转化曲线 f i g u r e2 - 1t a i t e l d u k l e r0 9 7 6 ) a n di n v i s c i dk e l v i n h e l m h o l t z ( i l 卸t r a n s i t i o nl i n e s 假如系数l = 1 ，式( 2 - 3 ) 就等价于无粘性的k - h 准则。事实上，t a i t e l 等人认为这一准则高估了流型转化的边界，所以推荐使用l = 1 一等。 m i s h i m a 【6 】等人最早提出了“最危险波 【7 】的概念。“最危险波是指具有最 大生长率的界面波。他们将最危险波的出现作为液塞产生的先决条件，通过理论分 析知道，液塞形成的不稳定性判据为： u g 0 4 8 7 4 ( , o l p c s ) g h l 肪 ( 2 - 4 ) 在研究过程中，不断有学者质疑k - h 不稳定性准则，因此他们提出了不同于此 的观点。一些学者在早期的研究中发现，液塞是由于有限振幅界面波的发展而形成 的。通过进一步探索，又得出了液塞形成于界面波的局部不稳定性，而不是界面波 的整体不稳定性的理论。 当前，粘度的大小对段塞流的影响情况还在探索当中，至今没有形成统一的意 见，对段塞形成点存在着不同的见解。但有一点是可以肯定的，大家的认识都比较 6 中国石油大学( 华东) t 程硕j ：学位论文 趋同于段塞形成机理是界面波的不稳定性所致。 2 2 段塞流的分类 1 、水力段塞流( h y d r o d y n a m i cs l u gf l o w ) 水力段塞流是由于气体在管道水平高程低的地段通过管顶时产生的不稳定的 阻碍作用的现象。水动力段塞流又可细分为：普通稳态水力段塞流和由于气液流量 变化诱发的瞬态段塞流 2 、起伏段塞流( t e r r a i ns l u gf l o w ) 起伏段塞流是由于管道的高程变化而产生的。在高低变化的管道中，液体在 管道低点堆积造成气体无法通过。气体在上升过程中，圪增大，当圪 皖时，就会 产生管道的不稳定振动，造成气体流出。一般而言，岛伏k 力。 3 、瞬态段塞流( t r a n s i e n ts l u gf l o w ) 瞬态段塞流是q ，q g 发生了变化或则管道出现了振动的情况。如果管道产生 了偶然振动或者骁，骁发生了变化，液体就会波动，此时的流型就会从分层流过 渡到段塞流。当振动结束，气液变化稳定后，就会由瞬态段塞流转变为水力段塞流。 4 、严重段塞流( s e v e r es l u gf l o w ) 严重段塞流产生于两相流中，q ，q 的情况下，严重段塞流是危害最大的流 型，它的产生对管道的稳定性产生了不利影响，造成管道的剧烈振动。 在管道中气液流量很小时，表现为分层流型。当管道内液体流量较大，液位 较高时，被气流吹起的液波可能达到管顶，阻塞整个管路流通面积形成液塞，流型 由分层流转变为段塞流。这是由于在波浪顶峰处，由于伯诺利效应，气体流速增大 将使该处的压力降低，在波峰周围压力下，波浪有增大趋势。另一方面，液体所受 的重力将使波浪减小【8 1 。如前者的影响大于后者，则波浪增大直至管顶，形成段塞。 由上述形成机理可以看出： ( 1 ) 第二、第三类段塞流的形成机理是类同的与第一类有所区别 ( 2 ) 管愈高( 或地形起伏愈大) 形成的强烈段塞流愈严重 ( 3 ) 形成强烈段塞流时管道出口的气液流量极不均匀 ( 4 ) 气液流量较小时才能形成强烈段塞流 7 第二章段塞流形成机理 2 3 段塞流的特性 2 3 1段塞流物理模型 比较经典的段塞单位示意图如下【9 1 。该段塞体单元主要是由液塞段、大气泡和 液膜组成。由于管径和流动条件的不同，液膜段是光滑液膜，或者是光滑液膜和波 状液膜的组合。液膜包括前端一定长度的高含气混合区和其他的边界层充分发展 区。 t u o j t l s l u o l - u 曲j ll 马 。1 鸟o 。妒。饕( 陟7 b u b b l ev 5 i 兰s ! 马f生i q 删 图2 - 2 段塞流单位不惹图 f i g 2 - 2s l u gf l o wu n i ts c h e m e s 边界层充分发展区的气体有朝管顶运动的趋势，含气率分布趋于稳定。在液塞 和液膜中都充斥着很多小气泡，小液滴也一样存在于大气泡里面。 典型的段塞流的主要参数有：液塞尾部的流动速度等于大的t a y l o r 气泡的液塞 中的液体平均流动速度为；速度；液塞中的空泡份额为qs ；液膜的速度 ；液塞中的小气泡的平均运动速度；液塞前端的速度；气泡单元中的气 相速度圪。气泡单元被连续液相构成的液桥所隔离，液塞长度为l a , , g ，液塞前端 流速较慢的液膜需要结果经过一段混合区域乙的加速才能达到液塞体中的 液相速度。液塞体长度l s h , g 和气泡长度厶枷肠，两者一起构成了一个完整液塞单元， 其长度为乙。 一般而言，圪( 小气泡的气相速度) ( 液塞速度) ，液塞体中液体速度 8 中国石油人学( 华东) t 程硕士= 学位论文 o 8 。在段塞单位示意图中，( 液膜速度) 2 圪证。 液塞流动过程中，湍动是伴随发生的。在3 3 截面靠近液塞单位前端位置，湍 动达到最大，而含气率是很高的，中间充斥着大量的气泡。液塞体使相对较慢的液 膜不段加速，加速过程造成了局部剪切力增大，从而出现了一定范围的混合漩涡。 同时，漩涡的扰动使其间的气泡分布慢慢地变得均匀。 2 3 2 段塞流特性参数 段塞流是一种常见的两相流流型。由于段塞流比较复杂，其特性目前仍不能被 准确理解和广泛认同，但管内气液两相流的压力、持液率等的计算则是工程设计中 不可或缺的内容。 段塞流的流动特性参数主要包括：段塞频率，液膜长度，段塞单元长度，气泡速 度，液膜速度，液弹的平均真实速度，液弹持液率，液膜持液率和段塞单元的平均 持液率等。 一根据x i a o & b r i l 1 0 1 段塞流模型计算、。假定薄层区液面不变， 且气、液两相是不可压缩的，对于一个段塞体来说，整个液体的质量平衡方程是： v n l 。= v l s h b l s + v 旷h f l f ( 2 _ 5 ) 式中：三。为段塞流长度，m ； 三，为段塞流液膜长度，m ； 虼为段塞流速度，州s ； 为段塞流液膜速度，m s 。 如果将质量平衡运用于坐标系的2 个截面界面上，对液相而言 ( 蜥一) 玩= ( 蜥一) 嘞 ( 争吒) 由于段塞单元的任意截面上总的体积流量是不变的，段塞单元的横断面上 2 + = 玩+ ( 1 一玩) ( 2 _ 7 ) 式中：为气相折算速度，r n s 。 在薄层区的横断面上 9 第二章段塞流形成机理 y 。2 v f h 嗲+ v 酉q h 旷、) 是与管壁接触的气相速度，m s 。 由式( 2 7 ) 可推出吆； ( 2 8 ) 由式( 2 - 6 ) 可得到v , f ； 由式( 2 8 ) 有。 二根据公式m c q u i l l a n & w h a l l e y 段塞流模型( 2 呻) ，可计算段塞单元的平均持 液率h ： h t ：1 一垒二垒! ! 二丝! 皇! ! 二丝! ( 2 - - - 9 ) 三根据c r a w f o r d & w e i b e r g e r 段塞流模型，可计算厶，三， l 。：玎一一(210)l l s u 爿 括1 一, 爿, f 7 2 一 l r = l oh n , | , s - 一y h , ：( 2 - - 1 1 ) 2 4 本章小结 本章主要对段塞流的基本分类，形成机理，以及段塞流特性参数的分析和段塞流 模型的使用计算进行阐述，对段塞流的形成阶段，基本特点有了更清晰的认识，其 中段塞流的速率是一个相当重要的参数。同时，流动方向及方位变化，气液的容积 率，液体的粘性和表面张力都会影响段塞流的稳定性。 在本章的基础上，在对段塞的基本分析后，后面章节会借助o l g a 软件对段塞 进行跟踪模拟。 l o 静力分析和动力分析都是管道应力分析的分支。 一、静力分析是指在静力载荷的作用下对管道进行力学分析 l 、压力、重力等荷载作用下的管道一次应力计算防止塑性破坏 2 、热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的管道二次应力计算防止疲 劳破坏 3 、管道对机器以及设备作用力的计算防止作用力过大，保证机器及设备正 常工作 4 、管系位移计算防止管道碰撞和支点位移过大 二、动力分析则主要指冲击荷载作用下管道的振动分析，管道的地震分析。 l 、管道固有频率分析一防止管道系统共振 2 、管道强迫振动响应分析一控制管道振动及应力 3 、冲击荷载作用下管道应力分析一一防止管道振动和应力过大 4 、管道地震分析防止管道地震力过大 3 1 2 管道所受应力分类 3 1 2 1 基本应力定义 l 、轴向应力( a x i a ls t r e s s ) 轴向应力是在承受内压后，受力体的纵向方向也要伸长，则物体横向截面 也必定有应力产生 石= 鲁( 3 - - 1 ) 其中 巧轴向应力，m p a c 横截面上的内力，n a 管壁横截面积，m m 2 第三章段塞流戍力概述 管道设计压力引起的轴向应力为 z ：堕 4 ， 轴向力和设计压力在截面引起的应力是均匀分布的， 万范围内。 2 、环向应力( h o o ps t r e s s ) 由于内压在管壁圆周的切线方向产生的正应力 对薄壁管 7 ：，2 等 ( 3 2 ) 故此应力限制在许用应力 用于设计管道壁厚：因为堕2 t 应该小于设计温度下的许用应力。 3 、径向应j 3 ( r a d i a ls t r e s s ) 由内压在管子半径方向引起的应力： t ：啊一7 r 2 2 2 ) 1 2 、幸 ，：一一一一 ( 3 - 3 ) 垂直于表面，外表面应力通常为零，由于管道失效的主要形式为弯曲，而最大 的弯曲应力通常发生在外表面，所以径向应力对主要的应力计算不产生本质的 影响，因此通常可以忽略这一项。 4 、剪切应力( s h e a f i n gs t r e s s ) 由作用在截面上的剪切力引起的应力 乙2 署 其中 乙最大剪应力，m p a v 一剪切力f q 一剪切系数 由扭矩引起的剪切力 下一m , x 1 “ r 其中 必一作用在截面上的扭矩n m l 江横截面上的点到扭矩中心距离m m 1 2 ( 3 - 5 ) 中国石油人学( 华东) 丁程硕十学位论文 3 1 2 2 应力分类 管道强度破坏主要是由于一次应力的断裂破坏和二次应力产生的疲劳断裂破 坏。 一次应力：由于外荷载产生的正应力和剪切应力，一次应力应该要符合内 部，外部的力与力矩的平衡法则。 特点：一次应力是非自限性，作用的荷载力增加则随之相应增大，当达到 甚至超过材料的承载强度和屈服极限后，管道的变形或塑性破坏就产生了。在 实际计算分析时，必须保证一次应力符合许用应力值 管道内的二次应力通常是由于管道变形受到约束而产生的应力，它由管道 热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用而引起。 二次应力是白限性的，同时也是周期性的，它的许用最大值不是由于一段 时间的应力水平，而是在疲劳断裂模式、交变应力范围等因素的共同影响。二 次应力引起的疲劳破坏。在管道中，二次应力一般由热胀、冷缩和端点位移引 起。 3 1 3材料强度理论 1 、第一强度理论【1 l 】一最大拉应力理论，其当量应力为 s = o - , ( 3 - - 7 ) i 它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大拉应力。亦即不论材料处于何种 应力状态，只要最大拉应力达到材料单向拉伸断裂时的最大应力值，材料即发 生断裂破坏。 2 、第二强度理论最大伸长线应变理论，其当量应力为 s = q v ( c r 2 + 吒) ( 3 8 ) 它认为引起材料断裂破坏的主要因素是最大伸长线应变。亦即不论材料处于 何种应力状态，只要最大伸长线应变达到材料单向拉伸断裂时的最大应变值， 材料即发生断裂破坏。 3 、最大剪应力准则( 第三强度理论) 定义：材料中的最大剪应力到达该材料的剪切抗力乞时，即产生塑性屈服。 表达式： 乞= m 积 ( 3 9 ) 第三章段塞漉应力概述 4 、第四强度理论也称为变形能理论，当量应力表达式如下 s = 去瓜习丽i 丽( 3 - - 1 0 ) 物体在外力作用下会发生变形，不管材料是在什么应力情况下，物体内部 的变形能足以克服材料的拉伸屈服变形能值，屈服破坏就随之出现了。 一般来讲，脆性材料，如铸铁、石料、混凝土、玻璃等，在通常情况下以 断裂形式破坏，所以宜采用第一和第二强度理论；塑性材料，如碳钢、铜、铝 等，在通常情况下以塑性流动形式破坏，所以宜采用第三和第四强度理论i j j 。 第三强度理论和第四强度理论都适用于塑性材料，考虑的都是流动破坏。 第三强度理论未考虑的影响，第四强度理论考虑较全面，更加精确。但与第四 强度理论相比，第三强度理论表达形式简单，并在一般情况下与实验结果相比 偏于安全，且能足够精确地应用于工程实际。在工艺管道的压力设计( 壁厚的 确定) 过程中，以及二次应力的校核中采用了第三强度理论。 3 2 管线应力模型 3 2 1 管道工况组合 管道所受荷载按照荷载性质可分为静荷载，动荷载和温度荷载，静荷载主 要有管道自重( 包括阀门、管件及绝热层) 管道内介质重量，设计压力，其它 持续荷载如弹簧的弹性压力，波纹管的弹性反力等。 动荷载主要包括压力