CN114458854B - 一种降低管道振动疲劳的方法、管道 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低管道振动疲劳的方法、管道，方法包括：确定所述管道的固有频率，获取所述管道正常运行工况下，超疏水表面特征量与所述管道振动疲劳寿命之间的关系，从上述关系中选取较高的管道振动疲劳寿命，以及与其对应的超疏水表面特征量，并根据选取的超疏水表面特征量构建超疏水表面，获取内壁加载有超疏水表面的管道正常运行工况下，流体流经其内产生的振动频率，判断振动频率与固有频率或其的倍数是否相等或接近，若是，返回步骤S3，若否，将超疏水表面加载于管道的内壁上。该方法可以在管道的前期设计中根据选取的超疏水表面特征量构建出可以有效降低换热管疲劳的超疏水表面，具有简单易行、高效、经济、可靠等优点。

Description

一种降低管道振动疲劳的方法、管道

技术领域

本发明具体涉及一种降低管道振动疲劳的方法、管道。

背景技术

在机械构件的运行和服役过程中，各类缺陷的出现对于疲劳性能具有重要的影响。微小的缺陷在振动载荷作用下会引起构件与设备的疲劳寿命的大幅下降。而振动载荷环境广泛地存在于工程结构的工作环境中，如飞机进气道、飞机的机翼与尾翼、石油与天然气管道、航炮支架、核电厂管道与设备、地铁站、输电线、水利系统等结构中。

构件或设备中的缺陷的尺寸、位置及数量对于疲劳性能有较大的影响。缺陷的尺寸越大、位置越接近表面，则疲劳寿命会越低。这种由于结构自身具有缺陷且在振动载荷的作用而产生的结构损伤或疲劳破坏是具有不可逆且累积性的。对于多种设备的现场检测表明，由于缺陷引起的疲劳破坏会导致结构的不可靠，降低工程结构与设备的使用寿命，或导致部件失效，从而在安全、环境与经济上带来重大的损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种更易行、高效与经济的降低管道振动疲劳的方法，还相应提供由该方法得到的管道。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种降低管道振动疲劳的方法，包括：

S1：确定所述管道的固有频率，

S2：获取所述管道正常运行工况下，超疏水表面特征量与所述管道振动疲劳寿命之间的关系，

S3：从步骤S2所得的关系中选取较高的管道振动疲劳寿命，以及与其对应的超疏水表面特征量，并根据选取的超疏水表面特征量构建超疏水表面，

S4：获取内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道正常运行工况下，流体流经其内产生的振动频率，

S5：判断步骤S4所得的振动频率与步骤S1所得的固有频率或所述固有频率的倍数是否相等或接近，若是，返回步骤S3，若否，将所述超疏水表面加载于管道的内壁上。

可选地，

所述S2中，所述获取所述管道正常运行工况下，超疏水表面特征量与所述管道振动疲劳寿命之间的关系，包括：

设定多个不同的超疏水表面特征量，

按照设定的管道结构参数和流体流动工况，仿真模拟流体在加载有由不同超疏水表面特征量构建的超疏水表面的管道内流动，获得与不同的超疏水表面特征量对应的振动疲劳寿命，通过拟合得到超疏水表面特征量和振动疲劳寿命的关系。

可选地，

获得振动疲劳寿命的仿真模拟的过程为：

1)将具有所述管道结构参数的管道模型网格化后，导入FLUENT软件中，所述管道结构参数包括：管道的直径、管道的长度、管道上预制裂纹的长度；

2)设定流体流动工况，所述流体流动工况包括：管道入口处的流体流量、管道运行压力、温度、流体密度、流体粘性系数；

3)设定边界条件，包括入口速度、出口压力；

4)选择湍流模型；

5)进行迭代计算。

可选地，

所述步骤S4中，所述获取内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道正常运行工况下，流体流经其内产生的振动频率，包括：

按照设定的管道结构参数和流体流动工况，仿真模拟流体在加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道内流动，获得加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道内流体流动参数，并根据已知的管道内流体流动参数与管道内流体流动的振动频率之间的单调关系，获得与加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道内流体流动参数对应的管道内流体流动的振动频率。

可选地，

获得管道内流体流动参数的仿真模拟的过程为：

1)将具有所述管道结构参数的管道模型网格化后，导入FLUENT软件中，所述管道结构参数包括：管道的直径、管道的长度；

2)设定流体流动工况，所述流体流动工况包括：管道入口处的流体流量、管道运行压力、温度、流体密度、流体粘性系数；

3)设定边界条件，包括入口速度、出口压力；

4)选择湍流模型；

5)进行迭代计算。

可选地，

所述S2中，所述获取所述管道正常运行工况下，超疏水表面特征量与所述管道振动疲劳寿命之间的关系，包括：

设定多个不同的超疏水表面特征量，

准备多根相同的试验管道，多根管道与多个不同的超疏水表面特征量一一对应，在所述试验管道内壁上加载由对应的超疏水表面特征量构建的超疏水表面，

按照设定的流体流动工况，分别向多个加载有超疏水表面的试验管道内输送流体，并测量每根加载有超疏水表面的试验管道的振动疲劳寿命，

通过拟合得到超疏水表面特征量和振动疲劳寿命的关系。

可选地，

所述步骤S4中，所述获取内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道正常运行工况下，流体流经其内产生的振动频率，包括：

按照设定的流体流动工况，向内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道内输送流体，并测量流体流经其内产生的振动频率。

可选地，

S6：按照设定的流体流动工况，分别向内壁未加载超疏水表面的管道和内壁加载了所述超疏水表面的管道内输送流体，并分别测量两根管道的振动疲劳寿命，判断内壁加载了所述超疏水表面的管道的振动疲劳寿命是否大于内壁未加载超疏水表面的管道的振动疲劳寿命，若是，结束试验，若否，返回步骤S3。

可选地，

采用疲劳试验装置实现步骤S2、S4和S6，所述疲劳试验装置包括：

循环水输送机构和测量机构，将可更换试验管接入循环水输送机构中，所述可更换试验管为步骤S5中的内壁未加载超疏水表面的管道或内壁加载了所述超疏水表面的管道，若进行管道振动疲劳寿命测试，可更换试验管接入循环水输送机构前在其内壁上预设裂纹，循环水输送机构用于向可更换试验管中输送符合设定的流体流动工况的流体，

所述测量机构包括应变片、振动信号采集器、红外热像仪和数据采集分析系统，

所述振动信号采集器设于可更换试验管上，且与数据采集分析系统电连接，用于测量流体流经可更换试验管内产生的振动频率，并传输至数据采集分析系统；

所述应变片设于可更换试验管上，且与数据采集分析系统电连接，用于实时监测可更换试验管的应变值，并传输至数据采集分析系统；

所述红外热像仪设于可更换试验管附近，且与数据采集分析系统电连接，用于实时探测可更换试验管发出的红外热量，并将其转换生成热图像，并输出至数据采集分析系统，

所述数据采集分析系统与计算机相连，用于根据实时的热图像，分析可更换试验管是否断裂，且用于在监测到可更换试验管断裂时，将此时可更换试验管的应变值传输至计算机，所述计算机用于根据已知材料的应力-应变曲线，以及应力-疲劳曲线，得出与所述数据采集分析系统传输的应变值对应的所述可更换试验管的疲劳寿命，所述计算机还用于显示所述可更换试验管的振动频率和疲劳寿命。

可选地，

所述超疏水表面特征量包括：气液比GF或有效滑移长度L。

可选地，

所述将所述超疏水表面加载于所述管道的内壁上，包括：

在所述管道内壁表面蚀刻，以形成由超疏水表面特征量构建的超疏水表面；或者，

在所述管道内壁表面贴附或喷涂超疏水材料，以形成由超疏水表面特征量构建的超疏水表面。

本发明还提供一种由上述的方法得到的管道。

本发明中，通过获取超疏水表面特征量与管道振动疲劳寿命之间的关系，再从中选取能够显著提高管道振动疲劳寿命且避开管道固有频率的超疏水表面特征量，从而可以在管道的前期设计中根据选取的超疏水表面特征量构建出可以有效降低换热管疲劳的超疏水表面，大大减少了施工成本和后期修改成本，节约了时间，使得工程更有效率和经济性。从而本发明具有简单易行、高效、经济、可靠等优点，由此可以节省工程的设计与施工成本，有效解决了降低管道振动疲劳这一复杂难题。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的降低管道振动疲劳的方法流程图；

图2为具有规则微观结构的超疏水表面的示意图；

图3为具有规则微观结构的超疏水表面的俯视图；其中，a图为GF＝0.5时的超疏水表面；b图为GF＝0.25时的超疏水表面；c图。为GF＝0.75时的超疏水表面；

图4为本发明实施例2提供的疲劳试验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种降低管道振动疲劳的方法，包括：

S1：确定所述管道的固有频率，

S2：获取所述管道正常运行工况下，超疏水表面特征量与所述管道振动疲劳寿命之间的关系，

S3：从步骤S2所得的关系中选取较高的管道振动疲劳寿命，以及与其对应的超疏水表面特征量，并根据选取的超疏水表面特征量构建超疏水表面，

S4：获取内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道正常运行工况下，流体流经其内产生的振动频率，

S5：判断步骤S4所得的振动频率与步骤S1所得的固有频率或所述固有频率的倍数是否相等或接近，若是，返回步骤S3，若否，将所述超疏水表面加载于管道的内壁上。

本发明还提供一种由上述的方法得到的管道。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种降低管道振动疲劳的方法，包括：

S1：确定管道的固有频率，

S2：获取管道正常运行工况下，超疏水表面特征量与管道振动疲劳寿命之间的关系，

S3：从步骤S2所得的关系中选取较高的管道振动疲劳寿命，以及与其对应的超疏水表面特征量，并根据选取的超疏水表面特征量构建超疏水表面，

S4：获取内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道正常运行工况下，流体流经其内产生的振动频率，

S5：判断步骤S3所得的振动频率与步骤S1所得的固有频率或固有频率的倍数是否相等或接近，若是，返回步骤S3，若否，将超疏水表面加载于管道的内壁上。

近年来，超疏水表面受到越来越广泛的关注。对超疏水表面的研究来源于荷叶表面。研究者通过实验发现，超疏水表面具有微纳米量级的微观结构。这种微观结构一般可以分为规则与不规则两种类型，工业上为了降低制造成本其微观结构一般为不规则的。图2为具有规则微观结构的超疏水表面的示意图。

工程中的构件大多是金属材料，而在含有液体的环境中，可能会出现电化学腐蚀的现象。但是超疏水表面上的液体，由于在表面张力的作用下，液体表面只是部分与粗糙表面固体表面顶端接触，所以大量空气驻留在微观结构中，从而使得大部分液体表面与包含在粗糙固体表面之间的气体接触，这样就减小了液体与金属材料的接触面积，进而降低了构件表面可能存在的原电池腐蚀，因此具有较好的耐腐蚀性。当构件表面的耐腐蚀性提高，则构件表面由于腐蚀而导致的缺陷的数量和尺寸会降低，进而降低构件的疲劳损伤，提高构件的疲劳寿命。

由此，本发明通过获取超疏水表面特征量与管道振动疲劳寿命之间的关系，再从中选取能够显著提高管道振动疲劳寿命且避开管道固有频率的超疏水表面特征量，从而可以在管道的前期设计中根据选取的超疏水表面特征量构建出可以有效降低换热管疲劳的超疏水表面，大大减少了施工成本和后期修改成本，节约了时间，使得工程更有效率和经济性。从而本发明的方法具有简单易行、高效、经济、可靠等优点，有效解决了降低管道振动疲劳这一复杂难题。

本发明方法可以应用在实际工程前期设计中，如应用在核电厂中的换热管用来提高换热管的耐腐蚀性，降低换热管在运行工况下由于流体的电化学腐蚀导致的缺陷，大幅降低缺陷的数量和长度，从而大幅降低换热管疲劳损伤，提高换热管的疲劳寿命。此方法可以大大减少运行和后期的维修成本和时间，使得工程具有更高的效率性和经济性。未来可以依次进一步研究，从而降低研究各类工程中疲劳问题的研究周期。

本实施例中，

超疏水表面特征量包括：气液比或有效滑移长度。

具体地，超疏水表面的特征参数用以表征超疏水表面的超疏水性能，如图2所示，通常采用气液比GF(gas fraction)或有效滑移长度L来表示。GF的定义为：GF＝(P-W)/P，其中P是规则的超疏水表面微观结构中形貌周期的长度，W是形貌周期内液体与固体的接触长度。一般超疏水表面的气液比值在0.2到0.8之间，不同气液比值的超疏水表面示意图如图3所示。

由现有研究可知，GF与L之间存在单调相关关系，并且具有等价性，所以，本发明的实施例可以选择使用气液比GF或有效滑移长度L任意一项作为超疏水表面的特征量，以研究其与管道流致振动的关系。在本说明书后续实施例的分析中，仅采用气液比GF来进行说明，但应该理解，所有使用气液比GF的地方也可以采用有效滑移长度L进行计算或表示，二者可以替换。

本实施例中，

S1中，确定管道的固有频率为现有技术，如实验力学方法、数值模拟方法或半经验公式方法。实验力学方法有多种方法，如激光全息干涉法，电测法等；数值模拟方法可以通过有限元方法或有限体积方法软件计算；半经验公式法可以通过国标GB151-1999中的半经验公式计算。

本实施例中，

S2中，获取管道正常运行工况下，超疏水表面特征量与管道振动疲劳寿命之间的关系，包括：

设定多个不同的超疏水表面特征量，

按照设定的管道结构参数和流体流动工况，仿真模拟流体在加载有由不同超疏水表面特征量构建的超疏水表面的管道内流动，获得与不同的超疏水表面特征量对应的振动疲劳寿命，通过拟合得到超疏水表面特征量和振动疲劳寿命的关系。

具体地，

获得振动疲劳寿命的仿真模拟的过程为：

1)将具有管道结构参数的管道模型网格化后，导入FLUENT软件中，管道结构参数包括：管道的直径、管道的长度、管道上预制裂纹的长度；

2)设定流体流动工况，流体流动工况包括：管道入口处的流体流量、管道运行压力、温度、流体密度、流体粘性系数；

3)设定边界条件，包括入口速度、出口压力；

4)选择湍流模型；根据实际工程工况和计算条件选择合适的湍流模型，如RANS雷诺平均模型方法、LES大涡模拟方法、DNS直接数值模拟方法等方法。

5)进行迭代计算。观察预制裂纹的数量和长度的变化，管道表面腐蚀缺陷的数量和长度越小，则相应振动疲劳寿命越长。

本实施例采用数值模拟方法对内壁加载有超疏水表面的管道内流体流动进行研究，根据模拟结果探究超疏水表面特性与管道振动疲劳寿命之间的关系，直接数值模拟方法采用有限体积法软件作为数值模拟工具，直接对管道内流体流动进行仿真计算，可以较好地模拟管道内流体流动，且具有简单易行、高效、经济、模拟结果精度高的优点。

本实施例中，

步骤S4中，获取内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道正常运行工况下，流体流经其内产生的振动频率，包括：

按照设定的管道结构参数和流体流动工况，仿真模拟流体在加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道内流动，获得加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道内流体流动参数，并根据已知的管道内流体流动参数与管道内流体流动的振动频率之间的单调关系(上述单调关系曲线可以通过实验测量获得或者通过数值模拟计算获得)，获得与加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道内流体流动参数对应的管道内流体流动的振动频率。

本实施例中，

获得管道内流体流动参数的仿真模拟的过程为：

1)将具有管道结构参数的管道模型网格化后，导入FLUENT软件中，管道结构参数包括：管道的直径、管道的长度；

2)设定流体流动工况，流体流动工况包括：管道入口处的流体流量、管道运行压力、温度、流体密度、流体粘性系数；

3)设定边界条件，包括入口速度、出口压力；

4)选择湍流模型；根据实际工程工况和计算条件选择合适的湍流模型，如RANS雷诺平均模型方法、LES大涡模拟方法、DNS直接数值模拟方法等方法。

5)进行迭代计算。

本实施例采用数值模拟方法对内壁加载有超疏水表面的管道内流体流动进行研究，根据模拟结果可得出管道内流体流动参数，再根据已知的管道内流体流动参数与管道内流体流动的振动频率之间的单调关系(上述单调关系曲线可以通过实验测量获得或者通过数值模拟计算获得)，即可获得与加载有超疏水表面的管道内流体流动参数对应的管道内流体流动的振动频率。直接数值模拟方法采用有限体积法软件作为数值模拟工具，直接对管道内流体流动进行仿真计算，可以较好地模拟管道内流体流动，且具有简单易行、高效、经济、模拟结果精度高的优点。

在实际管道应用中，管道结构参数以及管道内流体流动工况需满足管道输送流体的性能要求，二者会影响管道内流体流动状态，从而影响流体流动对管道产生激发的频率。在一个具体地应用实例中，所述管道为核电厂的冷却水管道，该管道的直径一般为150mm，运行时管内的流动速度约为10m/s，以此作为计算基础，在不加载超疏水表面的条件下，其内湍流涡强度为4000；管道的固有频率与管道的具体结构和支撑形式相关，需要根据具体工况来确定，其方法可以为实验测量或者数值模拟计算得到，本应用实例中该管道的固有频率为2.5Hz。

往所述数值模拟工具中输入对应的管道结构参数和管道内流体流动工况的相关数值后，设定不同的超疏水表面特征量，假定将由超疏水表面特征量构建的超疏水表面加载于所述管道内壁，在所述数值模拟工具内计算在不同的超疏水表面特征量值下相应的管道的振动疲劳寿命，通过拟合即可得到超疏水表面特征量和管道振动疲劳寿命之间的关系。

本实施例中，超疏水表面特征量选择气液比GF，其值分别取0.25，0.5，0.75，来计算超疏水表面气液比GF为上述数值时，对应的管道的振动疲劳寿命。

计算结果如下：当GF值为0.25时，在相同运行时间内，构件表面的腐蚀缺陷(长度和数量)可以降低约25％；当GF值为0.5时，在相同运行时间内，构件表面的腐蚀缺陷(长度和数量)可以降低约50％；当GF为0.75时，在相同运行时间内，换热管的腐蚀缺陷(长度和数量)可以降低约75％。由此结果可知，当换热管的腐蚀缺陷降低，则相应换热管的疲劳寿命会相应增长。

可见，GF为0.75时，换热管的振动疲劳寿命最高，由此，假定将由GF为0.75构建的超疏水表面加载于所述管道内壁，在所述数值模拟工具内计算管道正常运行工况下，流体流经其内的流体流动参数。结果表明，气液比为0.75时湍流涡强度为2010，根据已知的管道内流体流动参数与管道内流体流动的湍流涡强度之间的单调关系(此单调关系与管道的结构、材质、管内流动工况等因素有关系，可以通过实验测量获得或者通过数值模拟计算获得)，获得湍流涡强度为2010对应的管道内流体流动的振动频率为4.7Hz。

该振动频率与管道的固有频率或其倍数相差较大，从而确定将由气液比0.75构建的超疏水表面加载至管道内壁上。

本实施例中，

将超疏水表面加载于管道的内壁上，包括：

在管道内壁表面蚀刻，以形成由超疏水表面特征量构建的超疏水表面；如采用激光、电蚀等工艺直接在管道内壁加工形成具有所述超疏水表面特征量的超疏水表面。或者，

在管道内壁表面贴附或喷涂超疏水材料，以形成由超疏水表面特征量构建的超疏水表面。所述超疏水材料采用具有所述特征量的材料，即具有确定的气液比GF或有效滑移长度L的值。

实施例2：

如图1所示，本实施例提供一种降低管道振动疲劳的方法，包括：

S1：确定管道的固有频率，

S2：获取管道正常运行工况下，超疏水表面特征量与管道振动疲劳寿命之间的关系，

S3：从步骤S2所得的关系中选取较高的管道振动疲劳寿命，以及与其对应的超疏水表面特征量，并根据选取的超疏水表面特征量构建超疏水表面，

S4：获取内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道正常运行工况下，流体流经其内产生的振动频率，

S5：判断步骤S3所得的振动频率与步骤S1所得的固有频率或固有频率的倍数是否相等或接近，若是，返回步骤S3，若否，将超疏水表面加载于管道的内壁上。

本实施例中，

S2中，获取管道正常运行工况下，超疏水表面特征量与管道振动疲劳寿命之间的关系，包括：

设定多个不同的超疏水表面特征量，

准备多根相同的试验管道，多根管道与多个不同的超疏水表面特征量一一对应，在试验管道内壁上加载由对应的超疏水表面特征量构建的超疏水表面，

按照设定的流体流动工况，分别向多个加载有超疏水表面的试验管道内输送流体，并测量每根加载有超疏水表面的试验管道的振动疲劳寿命，

通过拟合得到超疏水表面特征量和振动疲劳寿命的关系。

本实施例中，

步骤S4中，获取内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道正常运行工况下，流体流经其内产生的振动频率，包括：

按照设定的流体流动工况，向内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道内输送流体，并测量流体流经其内产生的振动频率。

本实施例中，还包括：

S6：按照设定的流体流动工况，分别向内壁未加载超疏水表面的管道和内壁加载了超疏水表面的管道内输送流体，并分别测量两根管道的振动疲劳寿命，判断内壁加载了超疏水表面的管道的振动疲劳寿命是否大于内壁未加载超疏水表面的管道的振动疲劳寿命，若是，结束试验，若否，返回步骤S3。

本实施例中，采用疲劳试验装置实现步骤S2、S4和S6，疲劳试验装置包括：

循环水输送机构和测量机构，将可更换试验管接入循环水输送机构中，可更换试验管为步骤S5中的内壁未加载超疏水表面的管道或内壁加载了超疏水表面的管道，循环水输送机构通过泵4向可更换试验管中输送符合设定的流体流动工况的流体。在测量前通过调整循环水输送机构来调置流速，使得换热管内流体流动的雷诺数为1.0E+06，或其它值，保证此时的流动状态为湍流。并且使得水流到达试验段时其速度为恒定。其值根据换热管实际的流动直径来确定(由雷诺数的定义可知，当雷诺数和管道直径确定，则管道内流体流速也相应确定)。

如图4所示，测量机构包括应变片2、振动信号采集器3、红外热像仪5、数据采集分析系统6和计算机7。

振动频率的测量：振动信号采集器3设于可更换试验管1上，且与数据采集分析系统6电连接，用于测量流体流经可更换试验管内产生的振动频率，并传输至数据采集分析系统，数据采集分析系统6与计算机7相连，数据采集分析系统6将振动频率传输至计算机7进行显示，由此即可完成流体流经可更换试验管内产生的振动频率的测量。

管道振动疲劳寿命的测量：在进行管道振动疲劳寿命测试时，可更换试验管1接入循环水输送机构前在其内壁上预设裂纹。

应变片2设于可更换试验管1上，且与数据采集分析系统6电连接，用于实时监测可更换试验管的应变值，并传输至数据采集分析系统6；

红外热像仪5设于可更换试验管1附近，且与数据采集分析系统6电连接，用于实时探测可更换试验管1发出的红外热量，并将其转换生成热图像，并输出至数据采集分析系统6，

数据采集分析系统6用于根据实时的热图像，分析可更换试验管1是否断裂，且用于在监测到可更换试验管1断裂时，将此时可更换试验管的应变值传输至计算机7，计算机7用于根据已知材料的应力-应变曲线，以及应力-疲劳曲线，得出与数据采集分析系统传输的应变值对应的可更换试验管的疲劳寿命。

步骤S6的对比验证试验步骤为：(1)通过设计图纸确定换热管的运行工况(管道直径和管道内流体流速)；(2)制造具有超疏水表面内壁的换热管(制造超疏水表面的技术为现有技术，有多种方法来制造超疏水表面，如激光刻蚀法)；(3)对此换热管进行裂纹预制；(4)对预制裂纹的换热管布置监测应变片和振动信号采集器；(5)把换热管接入疲劳参数测量试验段；(6)调整循环水输送机构来调置流速恒定；(7)对疲劳参数测量系统进行调试；(8)监测应变片记录应变时域信号，与红热像仪监测换热管的疲劳数据；(9)测量区的实测传感器信号接入数据采集分析系统；(10)测量完毕后，替换测量段换热管为内壁未经处理的换热管，其他实验条件和步骤与(3)-(9)相同。

数据处理：通过电脑对所记录的数据进行处理与分析，得到试验段换热管疲劳寿命，验证能够降低换热管疲劳方法的有效性和可行性。

由于步骤S6为对比验证试验，因此试验过程可以进行简化。可更换试验管1无需预设裂纹，红外热像仪5无需开启。仅对比流体在流经内壁未加载超疏水表面的管道和内壁加载了超疏水表面的管道一段时间后的疲劳寿命即可。

上述实验装置操作比较简单易行，所需的测量设备和装置较为普遍，且价格低廉，是一般的流体力学实验室中都具备且可以完成测量的。而且可以比较、重复、验证，确保其正确性与准确性。随着将来的测量数据的进一步丰富与完善，可以获得更为丰富准确的标定关系。

实施例3：

本实施例提供一种由实施例1或实施例2的方法得到的管道。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种降低管道振动疲劳的方法，其特征在于，包括：

S1：确定所述管道的固有频率，

S2：获取所述管道正常运行工况下，超疏水表面特征量与所述管道振动疲劳寿命之间的关系，

S3：从步骤S2所得的关系中选取气液比GF为0.2到0.8时的超疏水表面特征量，以及与其对应的管道振动疲劳寿命，并根据选取的超疏水表面特征量构建超疏水表面，

S4：获取内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道正常运行工况下，流体流经其内产生的振动频率，

S5：判断步骤S4所得的振动频率与步骤S1所得的固有频率或所述固有频率的倍数是否相等或接近，若是，返回步骤S3，若否，将所述超疏水表面加载于管道的内壁上；

采用疲劳试验装置实现步骤S2和S4，所述疲劳试验装置包括：

循环水输送机构和测量机构，将可更换试验管接入循环水输送机构中，所述可更换试验管为步骤S5中的内壁未加载超疏水表面的管道或内壁加载了所述超疏水表面的管道，若进行管道振动疲劳寿命测试，可更换试验管接入循环水输送机构前在其内壁上预设裂纹，循环水输送机构用于向可更换试验管中输送符合设定的流体流动工况的流体，

所述测量机构包括应变片、振动信号采集器、红外热像仪和数据采集分析系统，

所述振动信号采集器设于可更换试验管上，且与数据采集分析系统电连接，用于测量流体流经可更换试验管内产生的振动频率，并传输至数据采集分析系统；

所述应变片设于可更换试验管上，且与数据采集分析系统电连接，用于实时监测可更换试验管的应变值，并传输至数据采集分析系统；

所述红外热像仪设于可更换试验管附近，且与数据采集分析系统电连接，用于实时探测可更换试验管发出的红外热量，并将其转换生成热图像，并输出至数据采集分析系统，

所述数据采集分析系统与计算机相连，用于根据实时的热图像，分析可更换试验管是否断裂，且用于在监测到可更换试验管断裂时，将此时可更换试验管的应变值传输至计算机，所述计算机用于根据已知材料的应力-应变曲线，以及应力-疲劳曲线，得出与所述数据采集分析系统传输的应变值对应的所述可更换试验管的疲劳寿命，所述计算机还用于显示所述可更换试验管的振动频率和疲劳寿命。

2.根据权利要求1所述的降低管道振动疲劳的方法，其特征在于，

所述S2中，所述获取所述管道正常运行工况下，超疏水表面特征量与所述管道振动疲劳寿命之间的关系，包括：

设定多个不同的超疏水表面特征量，

按照设定的管道结构参数和流体流动工况，仿真模拟流体在加载有由不同超疏水表面特征量构建的超疏水表面的管道内流动，获得与不同的超疏水表面特征量对应的振动疲劳寿命，通过拟合得到超疏水表面特征量和振动疲劳寿命的关系。

3.根据权利要求2所述的降低管道振动疲劳的方法，其特征在于，

获得振动疲劳寿命的仿真模拟的过程为：

1)将具有所述管道结构参数的管道模型网格化后，导入FLUENT软件中，所述管道结构参数包括：管道的直径、管道的长度、管道上预制裂纹的长度；

2)设定流体流动工况，所述流体流动工况包括：管道入口处的流体流量、管道运行压力、温度、流体密度、流体粘性系数；

3)设定边界条件，包括入口速度、出口压力；

4)选择湍流模型；

5)进行迭代计算。

4.根据权利要求1所述的降低管道振动疲劳的方法，其特征在于，

所述步骤S4中，所述获取内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道正常运行工况下，流体流经其内产生的振动频率，包括：

按照设定的管道结构参数和流体流动工况，仿真模拟流体在加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道内流动，获得加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道内流体流动参数，并根据已知的管道内流体流动参数与管道内流体流动的振动频率之间的单调关系，获得与加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道内流体流动参数对应的管道内流体流动的振动频率。

5.根据权利要求4所述的降低管道振动疲劳的方法，其特征在于，

获得管道内流体流动参数的仿真模拟的过程为：

1)将具有所述管道结构参数的管道模型网格化后，导入FLUENT软件中，所述管道结构参数包括：管道的直径、管道的长度；

2)设定流体流动工况，所述流体流动工况包括：管道入口处的流体流量、管道运行压力、温度、流体密度、流体粘性系数；

3)设定边界条件，包括入口速度、出口压力；

4)选择湍流模型；

5)进行迭代计算。

6.根据权利要求1所述的降低管道振动疲劳的方法，其特征在于，

所述S2中，所述获取所述管道正常运行工况下，超疏水表面特征量与所述管道振动疲劳寿命之间的关系，包括：

设定多个不同的超疏水表面特征量，

准备多根相同的试验管道，多根管道与多个不同的超疏水表面特征量一一对应，在所述试验管道内壁上加载由对应的超疏水表面特征量构建的超疏水表面，

按照设定的流体流动工况，分别向多个加载有超疏水表面的试验管道内输送流体，并测量每根加载有超疏水表面的试验管道的振动疲劳寿命，

通过拟合得到超疏水表面特征量和振动疲劳寿命的关系。

7.根据权利要求6所述的降低管道振动疲劳的方法，其特征在于，

所述步骤S4中，所述获取内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道正常运行工况下，流体流经其内产生的振动频率，包括：

按照设定的流体流动工况，向内壁加载有步骤S3所得的超疏水表面的管道内输送流体，并测量流体流经其内产生的振动频率。

8.根据权利要求7所述的降低管道振动疲劳的方法，其特征在于，还包括：

S6：按照设定的流体流动工况，分别向内壁未加载超疏水表面的管道和内壁加载了所述超疏水表面的管道内输送流体，并分别测量两根管道的振动疲劳寿命，判断内壁加载了所述超疏水表面的管道的振动疲劳寿命是否大于内壁未加载超疏水表面的管道的振动疲劳寿命，若是，结束试验，若否，返回步骤S3。

9.根据权利要求1-8任一项所述的降低管道振动疲劳的方法，其特征在于，

所述超疏水表面特征量包括：气液比GF或有效滑移长度L。

10.根据权利要求1-8任一项所述的降低管道振动疲劳的方法，其特征在于，

所述将所述超疏水表面加载于所述管道的内壁上，包括：

在所述管道内壁表面蚀刻，以形成由超疏水表面特征量构建的超疏水表面；或者，

在所述管道内壁表面贴附或喷涂超疏水材料，以形成由超疏水表面特征量构建的超疏水表面。

11.一种由权利要求1-10任一项所述的方法得到的管道。