CN109505585A - 段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟装置及方法，包括空气压缩机、稳压灌、过滤器、第一监控管路、三相分离器、第一球阀、油泵、第二监控管路、第二球阀、水泵、第三监控管路、立管、第一止回阀、用于检测立管外环管道断面湿周x_D及内环管道断面湿周x_d的通径检测器、用于检测立管位移u的位移传感器以及用于检测立管底部压力的压力传感器，该装置及方法能够实现段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟。

Description

段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟装置及方法

技术领域

本发明属于海洋油气管道风险管理技术领域，涉及一种段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟装置及方法。

背景技术

改革开放后，中国油气管道企业也进入了改革发展的阶段，不仅引入大量国外油气管道相关先进技术，并且积极主动地学习国外先进管理经验，使得我国油气管道建设整体水平显著提高。至今，我国已形成了横贯东西、纵贯南北的基本管道网络，对保障油气田稳定输送，满足工业生产和人民生活对油气能源的需要，确保社会经济持续、稳定、均衡发展，有着非常重要的意义。

石油工程中，随着多相混合集输技术的广泛应用，油气管道中输送介质多为油气水三相流体。在有压输油管道中，当油气水三相流流量较小时，下倾管内气相和液相分层流动，液体在立管底部不断地累积，堵塞在立管底部形成液塞，并出现积液阶段、排液阶段、气液喷发和液体回落阶段，即为严重段塞流现象。多相流严重段塞流问题成为油气储运工程领域的研究热点，其产生的压强是严重危害油气管道系统安全运行的重要因素，对其作用机理的深入研究是对海洋油气管道风险管理研究领域的充分补充，因此需要涉及一种模拟方法，该该方法能够模拟段塞流引起的海洋立管耦合振动响应。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟装置及方法，该装置及方法能够实现段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟。

为达到上述目的，本发明所述的段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟装置包括空气压缩机、稳压灌、过滤器、第一监控管路、三相分离器、第一球阀、油泵、第二监控管路、第二球阀、水泵、第三监控管路、立管、第一止回阀、用于检测立管外环管道断面湿周x_D及内环管道断面湿周x_d的通径检测器、用于检测立管位移u的位移传感器以及用于检测立管底部压力的压力传感器；

空气压缩机的出口依次经稳压灌及过滤器与第一监控管路的一端相连接通，三相分离器的出油口经第一球阀及油泵与第二监控管路的一端相连通，三相分离器的出水口经第二球阀及水泵与第三监控管路的一端相连通，第一监控管路的另一端、第二监控管路的另一端及第三监控管路的另一端与立管的入口相连通，立管的出口经第一止回阀与三相分离器的入口相连通。

所述第一监控管路、第二监控管路及第三监控管路均包括第三球阀、第一检测支路、第二检测支路及第二止回阀，第三球阀的出口与第一检测支路的入口及第二检测支路的入口相连通，第二止回阀的入口与第一检测支路的出口及第二检测支路的出口相连通，第二止回阀的出口与立管的入口相连通。

第一检测支路及第二检测支路均包括依次相连通的第四球阀、流量仪表、第五球阀及速快/关阀。

本发明所述的段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟方法包括以下步骤：

1)建立油气水三相严重段塞流模型，构建油气水三相严重段塞流波速的计算方程及油气水三相严重段塞流压强的计算方程；

2)建立海洋立管的结构动力学模型，构建流体作用力与海洋立管结构相应的力学关系；

3)根据步骤1)构建的油气水三相严重段塞流波速的计算方程、油气水三相严重段塞流压强的计算方程以及步骤2)建立的流体作用力与海洋立管结构相应的力学关系计算油气水三相段塞流流体压强、立管底部的位移量及立管底部的压力，完成油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟。

步骤1)构建油气水三相严重段塞流波速的计算方程的具体过程为：

在Δt时间内，严重段塞流压力波运动距离Δs＝a·Δt，在Δs段内，流速由v增至Δv，压力由P增至ΔP，多相流体密度由ρ增至Δρ，当Δt足够小时，多相流体密度为立管管道截面上的流体混合密度，即

ρ＝ρ₁·(1-α)+ρ_g·α (1)

立管管道横截面积由A增至ΔA，流体质量由ρAvΔt增至(ρ+Δρ)(A+ΔA)(v+Δv)Δt，Δt时间内由压力波引起的流段内多相流体质量的增量为：

(ρ+Δρ)(A+ΔA)aΔt-ρAaΔt＝aΔ(ρA)Δt (2)

对式(1)进行整理，得：

Δ(ρAv)＝-aΔ(ρA) (3)

由动量守恒定理，得管道内动量变化量为：

(ρ+Δρ)(A+ΔA)aΔt(v+Δv)-ρAavΔt≈Δ(ρAv)aΔt (4)

对Δs段上的受力情况进行分析，Δs段受到的外力包括压力差、重力及摩擦力，即

压力差：PA-(P+ΔP)(A+ΔA)≈-Δ(PA) (5)

重力：ρgAΔssinθ；摩擦阻力：τ_Dx_DΔs+τ_dx_dΔs (6)

其中，α为截面含气率，ρ₁为油水混合物密度，ρ_g为气体密度，θ为管轴线与水平线的夹角，τ_D为外环内管壁摩擦切应力，τ_d为内环外管壁摩擦切应力，x_D为外环管道断面湿周，x_d为内环管道断面湿周；

在Δt时间内外力的冲量为：

Δt[-Δ(AP)+ρgAΔs sinθ-τ_Dx_DΔs-τ_dx_dΔs] (7)

根据动量定理，则有

-Δ(AP)+ρgAΔs sinθ-τ_Dx_DΔs-τ_dx_dΔs＝Δ(ρAv)a (8)

对式(8)进行整理，得：

将式(4)代入式(9)中，则有：

由式(10)得油气水三相严重段塞流波速a为：

根据伯努利方程计算油气水三相严重段塞流压强P₁为：

其中，h为流体铅锤高度，c为流体所得动能。

步骤2)中建立流体作用力与海洋立管结构相应的力学关系的具体过程为：

当发生油气水三相严重段塞流问题时，立管受内部流体压强的作用发生振动，结合立管的受力情况，将油气水三相严重段塞流压强转化为油气水三相段塞流作用力进行分析，在xoy平面内，将立管简化为平面刚架，油气水三相严重段塞流引起立管系统的振动采用阻尼振动微分方程进行描述，其中，管道振动微分方程为：

其中，KA为立管刚度，u为立管位移，c为阻尼系数，F₁为外力，外力F₁由流体和立管结构的重力、流体冲击力以及弹性基础的支反力组成，具体为：

F₁(x,t)＝G_1P(x,t)+F_1p(x,t) (14)

F_1p＝P₁·S_p (15)

其中，G_1p为立管管道所受重力，F_1p为流体作用力，k为弹性基础系数，S_p为立管管道单元面积。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟装置及方法在具体操作时，利用根据油气水三相严重段塞流波速的计算方程、油气水三相严重段塞流压强的计算方程以及流体作用力与海洋立管结构相应的力学关系计算油气水三相段塞流流体压强、立管底部的位移量及立管底部的压力，以实现段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟，为油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应问题的研究工作提供指导。

附图说明

图1为环形管道截面水击波速推导用图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明中立管底部压力的模拟值与实验值的对比图；

图4为本发明中立管底部位移的模拟值与实验值的对比图。

其中，1为空气压缩机、2为稳压灌、3为过滤器、4为三相分离器、5为油泵、6为水泵、7为第三球阀、8为第四球阀、9为流量仪表、10为第五球阀、11为速快/关阀、121为第一止回阀、122为第二止回阀、13为压力传感器、14为通径传感器、15为位移传感器、16为第一球阀、17为第二球阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟装置包括空气压缩机1、稳压灌2、过滤器3、第一监控管路、三相分离器4、第一球阀16、油泵5、第二监控管路、第二球阀17、水泵6、第三监控管路、立管、第一止回阀121、用于检测立管外环管道断面湿周x_D及内环管道断面湿周x_d的通径检测器14、用于检测立管位移u的位移传感器15以及用于检测立管底部压力的压力传感器13；空气压缩机1的出口依次经稳压灌2及过滤器3与第一监控管路的一端相连接通，三相分离器4的出油口经第一球阀16及油泵5与第二监控管路的一端相连通，三相分离器4的出水口经第二球阀17及水泵6与第三监控管路的一端相连通，第一监控管路的另一端、第二监控管路的另一端及第三监控管路的另一端与立管的入口相连通，立管的出口经第一止回阀121与三相分离器4的入口相连通。

所述第一监控管路、第二监控管路及第三监控管路均包括第三球阀7、第一检测支路、第二检测支路及第二止回阀122，第三球阀7的出口与第一检测支路的入口及第二检测支路的入口相连通，第二止回阀122的入口与第一检测支路的出口及第二检测支路的出口相连通，第二止回阀122的出口与立管的入口相连通，其中，第一检测支路及第二检测支路均包括依次相连通的第四球阀8、流量仪表9、第五球阀10及速快/关阀11。

本发明所述的段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟方法包括以下步骤：

1)建立油气水三相严重段塞流模型，构建油气水三相严重段塞流波速的计算方程及油气水三相严重段塞流压强的计算方程；

2)建立海洋立管的结构动力学模型，构建流体作用力与海洋立管结构相应的力学关系；

3)根据步骤1)构建的油气水三相严重段塞流波速的计算方程、油气水三相严重段塞流压强的计算方程以及步骤2)建立的流体作用力与海洋立管结构相应的力学关系计算油气水三相段塞流流体压强、立管底部的位移量及立管底部的压力，完成油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟。

步骤1)的具体操作为：

海洋油气工程中，原油的输送方式主要为管道水力输送，且流体介质多为油气水三相流。由于油相和水相为连续相，在立管发生水击时流型为典型段塞流，当折算气速足够大时，液塞区的含气率高，液膜区长度较长，气相对油水两相的湍流脉动力作用大于油水两相的重力作用，使油滴非常均匀地分散在连续的水相中，对于此类管输系统，可将管道内流体流动当作伪均质流，根据均相流理论来分析。假设油气水多相流相间无质量传递，油、气、水三相均匀混合，多相流体充斥满管道内部无空隙，且按多相混合均质流体构建模型。海洋立管的环形断面管道流段如图1所示。

在Δt时间内，严重段塞流压力波运动距离Δs＝a·Δt，在Δs段内，流速由v增至Δv，压力由P增至ΔP，多相流体密度由ρ增至Δρ，当Δt足够小时，多相流体密度为立管管道截面上的流体混合密度，即

ρ＝ρ₁·(1-α)+ρ_g·α (1)

立管管道横截面积由A增至ΔA，流体质量由ρAvΔt增至(ρ+Δρ)(A+ΔA)(v+Δv)Δt，Δt时间内由压力波引起的流段内多相流体质量的增量为：

(ρ+Δρ)(A+ΔA)aΔt-ρAaΔt＝aΔ(ρA)Δt (2)

对式(1)进行整理，得：

Δ(ρAv)＝-aΔ(ρA) (3)

由动量守恒定理，得管道内动量变化量为：

(ρ+Δρ)(A+ΔA)aΔt(v+Δv)-ρAavΔt≈Δ(ρAv)aΔt (4)

对Δs段上的受力情况进行分析，Δs段受到的外力包括压力差、重力及摩擦力，即

压力差：PA-(P+ΔP)(A+ΔA)≈-Δ(PA) (5)

重力：ρgAΔssinθ；摩擦阻力：τ_Dx_DΔs+τ_dx_dΔs (6)

其中，α为截面含气率，ρ₁为油水混合物密度，ρ_g为气体密度，θ为管轴线与水平线的夹角，τ_D为外环内管壁摩擦切应力，τ_d为内环外管壁摩擦切应力，x_D为外环管道断面湿周，x_d为内环管道断面湿周；

在Δt时间内外力的冲量为：

Δt[-Δ(AP)+ρgAΔs sinθ-τ_Dx_DΔs-τ_dx_dΔs] (7)

根据动量定理，则有

-Δ(AP)+ρgAΔs sinθ-τ_Dx_DΔs-τ_dx_dΔs＝Δ(ρAv)a (8)

对式(8)进行整理，得：

将式(4)代入式(9)中，则有：

由式(10)得油气水三相严重段塞流波速a为：

根据伯努利方程计算油气水三相严重段塞流压强P₁为：

其中，h为流体铅锤高度，c为流体所得动能。

当发生油气水三相严重段塞流问题时，立管受内部流体压强的作用发生振动，结合立管的受力情况，将油气水三相严重段塞流压强转化为油气水三相段塞流作用力进行分析，在xoy平面内，将立管简化为平面刚架，油气水三相严重段塞流引起立管系统的振动采用阻尼振动微分方程进行描述，其中，管道振动微分方程为：

其中，KA为立管刚度，u为立管位移，c为阻尼系数，F₁为外力，外力F₁由流体和立管结构的重力、流体冲击力以及弹性基础的支反力组成，具体为：

F₁(x,t)＝G_1P(x,t)+F_1p(x,t) (14)

F_1p＝P₁·S_p (15)

其中，G_1p为立管管道所受重力，F_1p为流体作用力，k为弹性基础系数，S_p为立管管道单元面积。

验证性实验

实验准备

流量仪表9采用油气水标准流量计，在实验开始前采用标准表法进行实验用表的示值检定，将标准表与实验用表串联安装在实验装置中的同一段管道上，采用同一个秒表计量时间，减少时间误差。待标准表与实验用表的误差调整到±0.002时，校正结束。压力传感器13采用固态压阻压力传感器13，为降低压力传感器13的测量误差，对压力传感器13的激励电源—恒流源内接入温度校正电路进行温度校正。为避免数据的非实时同步采集影响实验精度，实验采用TST5912动态信号测试分析系统(误差士0.5)对立管底部位移、立管底部压强、管道内流量与流体压强进行实时同步数据采集(采样频率为100Hz)。实验前完成测试分析系统的校对工作，确保数据采集、传输、存储正常，并设定好测试系统数据采集方式和有效数据频率采集范围。实验参数如表1所示：

表1

试验方案

油气水多相流体介质分别采用柴油、空气及自来水。试验过程中控制含油率保持0.318不变，按气水比为1：10进行试验。试验步骤：(1)按图1测试装置示意图所示安装布置试验装置，实验工况参数设置如表1所示；(2)校对测试系统，确保数据采集、传输、存储正常，设置有效的数据采集频率范围及方式；(3)油气水三相流分别采用油泵5、空气压缩机1及水泵6进行泵送；(4)采用速开/关阀来改变管道内流体的运动状态，模拟严重段塞流现象；(5)对立管系统发生耦合振动响应时，立管膨胀变形量、立管系统位移量，立管底部压强等数据进行采样。为避免外部因素导致的偶然性数据对试验结果的影响，数据进行60s-80s的持续采样，并对数据进行周期性筛选和平均处理，确保数据的有效性及可靠性。

结果分析

根据测得的管道振动速度、立管位移量及立管底部压强等数据，将本发明提出的立管耦合振动响应模型进行数值计算，利用Matlab数值模拟，将数值模拟结果与试验结果进行对比可得表2。

表2

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员周知的现有公开技术，并且以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。尽管为说明目的公开了本发明的相关实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解；在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化、修改都是可能的。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定，而不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (7)

1.一种段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟装置，其特征在于，包括空气压缩机(1)、稳压灌(2)、过滤器(3)、第一监控管路、三相分离器(4)、第一球阀(16)、油泵(5)、第二监控管路、第二球阀(17)、水泵(6)、第三监控管路、立管、第一止回阀(121)、用于检测立管外环管道断面湿周x_D及内环管道断面湿周x_d的通径检测器(14)、用于检测立管位移u的位移传感器(15)以及用于检测立管底部压力的压力传感器(13)；

空气压缩机(1)的出口依次经稳压灌(2)及过滤器(3)与第一监控管路的一端相连接通，三相分离器(4)的出油口经第一球阀(16)及油泵(5)与第二监控管路的一端相连通，三相分离器(4)的出水口经第二球阀(17)及水泵(6)与第三监控管路的一端相连通，第一监控管路的另一端、第二监控管路的另一端及第三监控管路的另一端与立管的入口相连通，立管的出口经第一止回阀(121)与三相分离器(4)的入口相连通。

2.根据权利要求1所述的段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟装置，其特征在于，所述第一监控管路、第二监控管路及第三监控管路均包括第三球阀(7)、第一检测支路、第二检测支路及第二止回阀(122)，第三球阀(7)的出口与第一检测支路的入口及第二检测支路的入口相连通，第二止回阀(122)的入口与第一检测支路的出口及第二检测支路的出口相连通，第二止回阀(122)的出口与立管的入口相连通。

3.根据权利要求1所述的段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟装置，其特征在于，第一检测支路及第二检测支路均包括依次相连通的第四球阀(8)、流量仪表(9)、第五球阀(10)及速快/关阀(11)。

4.一种段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟方法，其特征在于，基于权利要求1所述的段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟装置，包括以下步骤：

1)建立油气水三相严重段塞流模型，构建油气水三相严重段塞流波速的计算方程及油气水三相严重段塞流压强的计算方程；

2)建立海洋立管的结构动力学模型，构建流体作用力与海洋立管结构相应的力学关系；

3)根据步骤1)构建的油气水三相严重段塞流波速的计算方程、油气水三相严重段塞流压强的计算方程以及步骤2)建立的流体作用力与海洋立管结构相应的力学关系计算油气水三相段塞流流体压强、立管底部的位移量及立管底部的压力，完成油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟。

5.根据权利要求4所述的段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟方法，其特征在于,步骤1)构建油气水三相严重段塞流波速的计算方程的具体过程为：

在Δt时间内，严重段塞流压力波运动距离Δs＝a·Δt，在Δs段内，流速由v增至Δv，压力由P增至ΔP，多相流体密度由ρ增至Δρ，当Δt足够小时，多相流体密度为立管管道截面上的流体混合密度，即

ρ＝ρ₁·(1-α)+ρ_g·α (1)

立管管道横截面积由A增至ΔA，流体质量由ρAvΔt增至(ρ+Δρ)(A+ΔA)(v+Δv)Δt，Δt时间内由压力波引起的流段内多相流体质量的增量为：

(ρ+Δρ)(A+ΔA)aΔt-ρAaΔt＝aΔ(ρA)Δt (2)

对式(1)进行整理，得：

Δ(ρAv)＝-aΔ(ρA) (3)

由动量守恒定理，得管道内动量变化量为：

(ρ+Δρ)(A+ΔA)aΔt(v+Δv)-ρAavΔt≈Δ(ρAv)aΔt (4)

对Δs段上的受力情况进行分析，Δs段受到的外力包括压力差、重力及摩擦力，即

压力差：PA-(P+ΔP)(A+ΔA)≈-Δ(PA) (5)

重力：ρgAΔssinθ；摩擦阻力：τ_Dx_DΔs+τ_dx_dΔs (6)

其中，α为截面含气率，ρ₁为油水混合物密度，ρ_g为气体密度，θ为管轴线与水平线的夹角，τ_D为外环内管壁摩擦切应力，τ_d为内环外管壁摩擦切应力，x_D为外环管道断面湿周，x_d为内环管道断面湿周；

在Δt时间内外力的冲量为：

Δt[-Δ(AP)+ρgAΔs sinθ-τ_Dx_DΔs-τ_dx_dΔs] (7)

根据动量定理，则有

-Δ(AP)+ρgAΔs sinθ-τ_Dx_DΔs-τ_dx_dΔs＝Δ(ρAv)a (8)

对式(8)进行整理，得：

将式(4)代入式(9)中，则有：

由式(10)得油气水三相严重段塞流波速a为：

6.根据权利要求5所述的段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟方法，其特征在于,根据伯努利方程计算油气水三相严重段塞流压强P₁为：

其中，h为流体铅锤高度，c为流体所得动能。

7.根据权利要求6所述的段塞流引起的海洋立管耦合振动响应模拟方法，其特征在于，步骤2)中建立流体作用力与海洋立管结构相应的力学关系的具体过程为：

当发生油气水三相严重段塞流问题时，立管受内部流体压强的作用发生振动，结合立管的受力情况，将油气水三相严重段塞流压强转化为油气水三相段塞流作用力进行分析，在xoy平面内，将立管简化为平面刚架，油气水三相严重段塞流引起立管系统的振动采用阻尼振动微分方程进行描述，其中，管道振动微分方程为：

其中，KA为立管刚度，u为立管位移，c为阻尼系数，F₁为外力，外力F₁由流体和立管结构的重力、流体冲击力以及弹性基础的支反力组成，具体为：

F₁(x,t)＝G_1P(x,t)+F_1p(x,t) (14)

F_1p＝P₁·S_p (15)

其中，G_1p为立管管道所受重力，F_1p为流体作用力，k为弹性基础系数，S_p为立管管道单元面积。