海洋石油平台注水系统往复泵管道振动分析

刘吉飞　雷俊杰　纪志远　陈巍　王冰　王哓林　王勇

摘 要 以某油田群域开发项目海洋石油平台的注水系统往复泵管道设计和支架布置为例，利用软件计算和指南分析的方法，较全面地计算和分析了管道可能发生的振动，并使管道振动满足规范要求。同时介绍了管道振动分析的思路和防止振动发生的措施。

关键词 海洋石油平台 往复泵 管道 支架 振动分析

中图分类号 TE58    文献标识码 A   文章编号 0254?6094（2023）02?0256?05

海洋石油平台的注水系统用于增加地层压力以提高采油速度，是影响油田产能的重要系统之一［1］。往复泵是注水系统的重要设备，管道系统运行的可靠性是平台采油的关键。根据以往的案例和研究［2，3］，管道振动不仅会使管道连接位置发生震颤而松动、管道结构及其管件产生疲劳破坏、设备管嘴损毁而降低使用寿命和测量仪表的精度甚至被损毁等，还会导致噪声污染，影响现场工作人员的身体健康。对于海洋石油平台，注水系统往复泵管道振动会降低采油的可靠性，威胁了平台的运行安全。因此，对设计的注水系统往复泵管道进行振动分析十分必要。

海上作业环境恶劣［4］，并且采油对注水系统的安全提出了较高要求。为了避免发生管道振动，笔者以某油田群域开发项目海洋石油平台的注水系统往复泵管道设计和支架布置为例，针对往复泵管道系统可能发生的振动，利用CAESAR Ⅱ和AFT Impulse软件对管道模态和不平衡力响应进行计算，并且根据AVIFF指南［5］对流致振动和小支管振动进行分析。同时，介绍往复泵管道振动分析的思路和防止振动发生的措施。

1 分析模型与基础数据

某油田群域开发项目的海洋石油平台注水系统拥有3台往复式注水泵，两用一备方案运行。注水系统往复泵管道的分析模型如图1所示，主要由泵进出口汇管、进出口管道和安全阀管道组成。其中，DDP?P?4104A、DDP?P?4104B和DDP?P?4104C分别代表3台注水泵的位号。建模时，往复泵简化为无质量杆件，并在底部施加固定约束；管道与往复泵的接口设置为管嘴节点；阀门和法兰根据相应的长度和重量设置为刚性件；对于承重支架，在垂直管道方向设置+y方向的约束；对管道系统中的管卡支架，约束其上下左右4个方向的自由度。

注水泵管道输送的介质是海水，管道所用材料是A790 S31803的双相不锈钢。进口汇管和进口管道的直径是6 in（1 in=25.4 mm），出口汇管和出口管道直径是4 in，安全阀管道的直径是4 in，注水泵的设计参数如下：

进口压力 700 kPa

出口压力 26 000 kPa

设计流量 80 m3/h

设计转速 195 r/min

柱塞缸数 5

柱塞冲程 203 mm

柱塞直径 86 mm

连杆长度 175 mm

利用CAESAR Ⅱ管道分析软件计算管道的模态和不平衡力响应，而管道由于流体压力脉动承受的不平衡力则利用AFT Impulse软件计算，计算模型如图2所示。对于流致振动和小支管振动的分析，根据AVIFF指南的要求进行。以DDP?P?4104A和DDP?P?4104C两台泵运行、DDP?P?4104B泵备用为例，对管道振动进行分析，其余运行方案的分析方法相同。在分析过程中，需要尝试使用各种措施使往复泵管道的各项振动指标满足标准规范要求。

2 机械共振分析

由管道、阀门、法兰及支架组成的管道系统是一个弹性体。根据管道设计、支架布置和边界条件的不同，管道系统具有不同的固有频率［6］。当往复泵的激励频率与管道系统的固有频率相等时，管道系统会发生共振现象，并引起较大的共振响应。为了避免管道的机械共振，应使管道的固有频率避开0.8～1.2倍往复泵激励频率的共振区［7，8］。

往复泵作用于管道的激励频率f为［9］：

f=nNP/60         （1）

式中 n——柱塞缸的作用方式；

N——泵转速，r/min；

P——柱塞缸数。

两台泵的激励频率fn为［10］：

f=3f          （2）

由于往复泵设计转速是195 r/min，泵的作用方式是单作用，故n取1，往复泵的柱塞缸数是5，两台泵同时运行。因此，两台泵对管道的激励频率是32.5 Hz，则激励共振区频率范围是26～39 Hz。

针对图1的注水系统往复泵管道计算模型，利用CAESAR Ⅱ管道分析软件基于操作工况计算管道模态，得到管道系统前6阶固有频率分别为8.483、8.503、11.397、11.559、11.611、11.921 Hz。根据往复泵激励共振区频率范围可知，文中管道系统的固有频率避开了共振区频率，不会出现共振现象。若分析过程中遇到无法避开共振区频率的情况，可以更改管道的支架布置，甚至改变管道的构型，以改变管道系统的固有频率，避开往复泵共振区的频率。

3 不平衡力响应分析

往复泵管道的不平衡力响应是压力脉动导致振动的结果，是一种流固耦合振动。针对图1的注水系统往复泵管道计算模型，利用CAESAR Ⅱ管道分析软件计算往复泵管道不平衡力响应时，需要进行以下过程：

a. 利用AFT Impulse软件计算由于往復泵压力脉动产生的时域管道不平衡力，并将数据处理成动载荷系数频谱，同时，需要保证压力脉动符合API 674标准的相关规定；

b. 进行模态计算，获得管道系统的固有频率及其振型；

c. 将最大不平衡力作为集中载荷施加到对应的弯头，并定义力组、频谱载荷工况和静动态工况组合，基于操作工况计算管道在不平衡力作用下产生的振动响应。

根据计算结果校核管道的应力和振动位移。对于应力结果，管道系统节点的最大应力比为44.2%，说明管道应力远小于应力允许值。对于振动位移，项目规定振动位移不超过0.889 mm，而管道系统节点的最大振动位移为0.697 mm，符合项目规定。因此，文中管道不平衡力响应的主要指标均符合要求。当计算结果不符合规定要求时，在不改变管道走向和设计参数的情况下，可以针对应力和振动位移结果，在管道系统中有针对性地通过增加支架或调整支架的位置、约束的方式来调整管道的刚性，或者通过增大往复泵进出口缓冲罐容积的方法来降低管道的压力脉动，最终使管道振动响应符合要求。

4 流致振动分析

流致振动指的是流体流动导致的管道振动。根据AVIFF指南，流致振动分析主要研究管道失效的可能性（LOF）。注水系统往复泵管道流致振动分析流程如图3所示。

式中 F——流体流动导致振动的因子，由管道

的外径、壁厚和支架布置确定；

v——流体的速度，m/s；

ρ——流体密度，kg/m。

具体计算过程可参考AVIFF指南。

此外，对于往复泵，影响管道失效可能性（LOF）的因素还有机械激励与往复泵压力脉动。对于机械激励，评估往复泵激励频率与管道系统固有频率是否避开，是否产生共振现象，以此评估LOF值。对于往复泵压力脉动，评估往复泵管道系统的压力脉动是否符合API 674标准的规定，以此评估LOF值。根据管道共振分析和往复泵管道系统的压力脉动计算，相关结果符合规定要求。经过计算分析，将文中往复泵管道系统的失效可能性列于表2。

由表2的结果可知，存在0.3≤LOF<0.5。按照AVIFF指南，此往复泵管道系统不会出现主管线振动问题，但需要对管道上的小支管进行评估。因此，若小支管振动符合要求则管道系统的设计是合理的。此外，LOF值一般不允许大于0.5，如果大于0.5则建议使用计算流体动力学方法和有限元法对管道进行更精确地计算和分析［11］。如果LOF值超出要求，在设计时可以通过改变管道支架的跨距、管道壁厚等方法来减小管道失效的可能性。

5 小支管振动分析

小支管指的是直径小于等于DN 50或分支管直径与主管直径的比值小于0.1的小管，这些小支管一般是取样管、仪表管线等［12］。根据流致振动分析可知，注水系统往复泵管道的小支管需要进行振动评估，避免小支管由于振动在根部发生疲劳破坏［13］。往复泵管道的小支管模型如图4所示。

根据AVIFF指南，小支管振动分析也是在研究管道失效的可能性（LOF）。首先，根据小支管布置类型选择分析方案，并以对应的分析方案进行振动评估；接着，评估管道尺寸的LOF值和管道位置的LOF值；最后，取两种LOF值中的较小值进行小支管振动评估。具体评估过程可参考AVIFF指南。

根据AVIFF指南的评估方案，文中小支管在没有支架时，其LOF值为0.568。由于小支管的LOF值介于0.4～0.7，因此判断存在较大的振动疲劳风险。接着，选择给小支管添加支架，并进行分析。经过AVIFF指南的方案分析，小支管的LOF值仍为0.568，表明小支管存在较大的振动疲劳风险。因此，建议将主管道的支架进行加固设计［14］，同时做斜拉筋加固小支管，将小支管和主管绑在一起，避免小支管振动。

6 结束语

为了某油田群域开发项目海洋石油平台的注水系统能够安全、可靠运行，建立了注水系统往复泵管道的计算分析模型，利用CAESAR Ⅱ和AFT Impulse软件对管道模态和不平衡力响应进行了计算，并且根据AVIFF指南对流致振动和小支管振动进行了分析。针对计算分析过程中存在的振动问题，提出了调整、改进方案。分析结果表明，管道设计和支架布置符合振动要求，能够保证注水系统运行的可靠性。此外，本课题为类似的管道振动分析提供了方案和思路。

参 考 文 献

［1］ 郝伟华，朱强，周兵.海洋石油平台注水系统往复泵管系振动的原因及对策［J］.才智，2011（9）：242.

［2］ 于成龙，魏彦，胡晓明.往復式压缩机系统管道振动分析［J］.中国海洋平台，2007，22（6）：52-56.

［3］ 卢泓方.往复泵管道系统应力及振动分析［D］.成都：西南石油大学，2016.

［4］ 王春霞.基于CAESAR Ⅱ的FPSO货油卸载系统管道应力分析［J］.中国海洋平台，2020，35（1）：75-78.

［5］ Energy Institute.Guidelines for the avoidance of vibration induced fatigue failure in process pipe work［M］.London：Energy Institute，2008.

［6］ 张红娟.往复泵管道振动分析与改造措施［J］.化工设计，2000，10（4）：12-15.

［7］ PAUL C H.Compressor Handbook［M］.New York：McGraw?Hill Professional，2001.

［8］ 王振锋.往复压缩机管道振动分析及消振技术研究［D］.西安：西安交通大学，2008.

［9］ 朱俊华，战长松.往复泵［M］.北京：机械工业出版社，1992.

［10］ 王立文，苏欣平，邢志伟，等.往复泵并联系统液流固有频率的计算与实验研究［J］.机床与液压，2008，36（8）：97-99.

［11］ 周凯.水下管线的流体振动分析［J］.海洋工程装备与技术，2018，5（S1）：48-52.

［12］ HARPER C B，ENG P.Integrity evaluation of small bo? re connections （branch connections）［C］//9th Confer? ence of the EFRC.Vienna，2014.

［13］ 曾明星，潘树林，陈刚.大型活塞式压缩机管道振动原因分析与减振技巧［J］.化工设备与管道，2004，41（5）：32-33.

［14］ 赵波，张磊，樊文斌，等.往复式压缩机橇小支管振动与抑制研究［J］.海洋工程装备与技术，2019，6（2）：499-503.

（收稿日期：2022-05-25，修回日期：2023-03-10）

作者简介：刘吉飞（1974-），高级工程师，从事海洋石油开发工程总体布置、管道布置等工作。

通讯作者：王勇（1982-），研究员，从事泵及管道系统应力分析工作，wylq@ujs.edu.cn。

引用本文：刘吉飞，雷俊杰，纪志远，等.海洋石油平台注水系统往复泵管道振动分析［J］.化工机械，2023，50（2）：256-259；277.