油田注水管线放空断裂分析

房树锋，姜来举

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300450）

石油化工企业普遍使用管道输送流体，管道用法兰、阀门等管件相连接成一个独立的系统。当这些管道系统受到外界的振动激励时，会产生振动。这些振动对安全生产将造成很大威胁。振动使螺栓连接松动，导致管道上的阀门、压力表等被破坏，强烈的振动会使管道及与之相连的构件产生疲劳损伤，积累到一定程度会形成疲劳裂纹，造成管道泄漏、断裂等破坏，引发安全事故。因此对管系进行动力学分析是十分必要的。

外界的振动激励，可以分为机械设备振动和流体脉动。机械振动指动力机械引起的振动，如机械的转子不平衡、轴系连接不对中等。流体的压力、速度脉动，也会引起管道振动。在流体流经弯管、异径管、盲板和法兰等处产生激振力导致管道振动。当机械或流体的激振频率与管道系统的固有频率相接近时，会引发共振。本文以海洋石油秦皇岛33-1平台的注水管系一段分支管焊缝开裂为例，详细分析该管系振动的原因，从而采取相应的减振措施。

1 原因分析与建模

秦皇岛33-1油田项目位于渤海中西部海域。油田注水管系注入水为水源井水，即同一口井既做取水井又做注水井，在不同的层系实现取水与注水。注水量最大为1298m3/d，配备两台离心式注水泵，每台流量30m3/h，排出压力10MPa。每台泵的电动机轴功率170kW，泵叶轮为17级。叶轮的结构如图1所示。

秦皇岛33-1项目投产后，注水管系中多级离心式注水泵相连的放空管线的一段管段（A8通多路阀管线）的分支管根部插焊口处出现裂纹。现场发现该注水泵的振动很大，该段管线的支管呈强烈的左右摆动。高强度的往复振动使得焊接在该管段上的分支管在插焊口处出现疲劳裂纹，见图2。

图1 叶轮结构图

图2 分支管根部焊缝开裂

管线振动通常采取架设支架进行固定的办法。该放空管线的分支管处于悬空状态，现场操作者尝试过，无法通过架设支架进行固定。

图3 开裂管段的结构图

该段管道结构由两片法兰、一段直管、一个管座、一段支管、一个阀门和一片支管法兰盲板构成，见图3，结构复杂，有限元分析是解决该问题最有效可行的方法。构成该单管的主要管件的参数如表1。

表1 管件明细表

由于整个管系比较复杂，在结果数据精度足够的情况下，对其进行简化分析。本文中，主管（3"SCH160）与法兰（3"900LB）构成的单管由于由螺栓垫片固定在注水泵管系上，随管系振动而振动，振幅较小，而且与管系同步，不存在振动剧烈振幅过大而导致螺栓垫片连接处漏水的情况，所以本文不分析该管系主干管的共振问题。由于分支管（3/4"XXS）振动振幅很大，导致分支管根部开裂，因此分支管的固有频率很可能在管道系统受到振动的频率范围内。因此，本文对分支管进行模态分析，利用ANSYS软件建模求解。

2 计算模型的建立

在不影响管道结构动力学特性的前提下，建立模型时根据具体结构情况进行了简化。由于支管的两端分别通过焊接连接主管和阀门，而焊接材料较少，相对支管本体而言，不会对其固有频率产生较大影响，因此在对支管进行模态分析时，将在支管与主管焊接连接部位，简化为固支全自由度约束。分支管末端的阀门和端法兰等结构，简化为支管端部的质点。如图4所示。

图4 分支管简化建模

3 有限元分析求解

该单管的材质为ASTM A106 Gr.B。管段通常较低的若干阶固有频率和振型对结构的影响较大，系统的能量主要集中在前几阶较低的频率。故在研究系统的响应时，只需了解少数的固有频率和振型。在这里仅提取前6阶频率响应，见表2。

表2 前6阶模态频率 （Hz）

注水泵管系泵内压力脉动的成分可以分为三种，一种是频率接近白噪声的随机脉动，这种脉动可以认为是随机因素引起的；另一种是频谱为叶频倍频的规律性脉动；还有一种是频谱为轴频倍频的规律性脉动，称为轴频倍频脉动。

该注水泵为多级离心泵，首级叶轮10个叶片，次级叶轮7个叶片，工作转速2900转/分。因此，轴频为48.33Hz，叶频分别为483.3Hz和338.3Hz。对于多级离心泵的流场压力脉动，Wang H等试验验证了主要频率的压力脉动出现在非设计点及叶频倍频处[1]。率志君在其《多级离心泵整机流场三维非稳态湍流压力脉动特性分析》一文中，模拟显示流道内首级叶轮叶频（483.3Hz）脉动在次级叶轮处衰减掉[2]。振动发生后，由于已经使用激光对中器对电机和离心泵进行了精确对中，因此轴频（48.33Hz）倍频和次级叶轮叶频2倍频（676.6Hz）处压力脉动较小。支管1阶模态频率345.46Hz在次级叶轮1倍叶频压力脉动频率338.3Hz附近，考虑到该支管两端有焊接材料，其模态频率会稍有降低，因此可以判断，是支管的固有频率过低，接近离心泵叶频压力脉动频率而导致的共振，支管振动剧烈，振幅过大，支管根部焊缝疲劳破坏，见图5。

图5 第1阶模态振型

4 采取的减振措施

注水管系支管疲劳破坏后，首先对注水泵和电动机进行了精确调平和调轴对中，以便消除轴频倍频的过大振动。但未能消除支管剧烈摆动的现象，说明轴频倍频的振动不是分支管振动破坏的原因。之后在注水泵出口管段加固定支架，支撑限位以降低振动振幅，同样未能明显改善分支管振动剧烈的现象，泵出口管段固支反而使出口端法兰受力过大易导致法兰焊道疲劳破坏。

由于该单管的支管固有频率落在离心式注水泵的叶频共振范围内，所以将该支管切割掉50mm，提高其固有频率，远离泵的叶频共振范围。表3是该支管被切割短后前6阶模态频率。显然，切除50mm后，该支管第1阶模态频率为546.11Hz，离叶轮叶频338.3Hz较远，不会发生共振做大振幅摆动。而且切短支管，摆动时其力矩较小，大大改善了支管根部受力状况。

表3 支管切短后前6阶模态频率（Hz）

支管端部封堵的盲法兰可采用玻璃钢材料法兰代替。玻璃钢具有与钢材相同的强度，在某些场合可以替代钢材，但其质量远小于钢材。替代后既满足设计要求，又大大减轻了分支管端部的质量，减小了末端摆动的力矩，可防止支管根部发生疲劳破坏。

5 结论

本文对海上采油平台投产时遇到的问题进行了分析，提出了解决问题的措施。由于现场缺少测量频率的力锤等仪器工具，仅进行了计算机建模和对模型进行模态分析，对精确度有一定的影响。分析结论如下：

（1）设备投入使用前，必须严格调平，必要时使用激光对中仪调轴对中，减少设备的振动。

（2）与设备相连接管系，必要时要进行相应振动分析，以防止设备振动或流体脉动激励造成的疲劳破坏。

◆参考文献

[1] Wang H, Tsukamoto H. Experimental and Numerical Study of Unsteady Flow in a Diffuser Pump at off-Design Conditions[J].ASME J.Fluids Eng.2003,125:767-778.

[2] 率志君，张权，陈春来，等. 多级离心泵整机流场三维非稳态湍流压力脉动特性分析[J].哈尔滨工程大学学报，2013，34(3)：306-311.