[发明专利]内输气液两相段塞流的海底管道悬跨段振动特性分析方法

说明书

本发明涉及一种内输气液两相段塞流的海底管道悬跨段振动特性分析方法，包括步骤：1)建立内输气液两相段塞流的海底管道悬跨段横流向振动分析模型：2)判断海底管道悬跨段的边界条件；如果海底管道悬跨段模型两端视为简支，进行步骤3)；如果海底管道悬跨段视为位于弹性地基上且具有轴向速度的非均匀物体，进行步骤4)；3)基于内输气液两相段塞流的海底管道悬跨段横流向振动分析模型，计算内输气液两相段塞流的海底管道悬跨段的振动响应，进行步骤5)；4)改写内输气液两相段塞流的海底管道悬跨段横流向振动分析模型控制方程，计算内输气液两相段塞流的海底管道悬跨段的振动响应；5)分析内输气液两相段塞流的海底管道悬跨段的振动响应。

技术领域

本发明涉及一种海底管道悬跨段的振动研究方法，尤其涉及一种内输气液两相段塞流的海底管道悬跨段振动特性分析方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展与进步，人类对海洋油气资源认知水平的不断提高，海洋油气勘探开发范围已由浅海延伸到深海甚至超深海。在海洋石油、天然气勘探开发中，油气集输问题一直是世界石油工业与海上油气田开发研究的热点与重要课题之一，而海底油气输送管道是海洋石油与天然气工业中比较重要的组成部分。海底油气输送管道连接海底油气田与海洋平台以及输送系统，由于海底油气输送管道的存在，使海洋油气集输系统与油气储运系统紧密连接，也使得整个海上油气田能够与陆上石油工业紧密结合。

为了使海底管线在安装和运营期间有更高的可靠度，必须尽量减少可能引起破坏的危害因素。但由于海底管道所处的位置特殊，长期受到海流的冲刷、淘蚀作用，另外因海底表面地形不平整，不可避免地造成了海底管道悬跨段的存在。而悬跨段的出现改变了管线所承受的荷载形式和应力状态，海底管道的很多破坏是由悬跨段引起的。尤其是海水在海流运动作用下流经悬跨段时，常伴随着周期性的漩涡脱落，引发悬跨管段的周期性振动，这种由漩涡脱落激发的周期性振动称为涡激振动。研究表明，海底管道悬跨段产生的涡激振动是管道失效破坏的最重要原因；同时，在管内介质流经挠曲的管道时，也会引起管道的附加振动。事实上，当有内流存在时，管道的固有频率将会降低，这使得管道对更低频率的振动将产生响应，对管道的疲劳寿命也有较大的影响。

当前，单相流体管道的振动问题已得到广泛研究，多相混输管道的研究则较少，主要是由于相对于单相输流管道，多相介质的存在使得各相的流动特性难以预测，且相与相之间存在分界面，多相流的流动不稳定。多相流动的不稳定性与管道振动之间的相互作用在很大程度上改变了管道系统的动力学特性。由于流体介质各相的流速和持液率在时间和空间上分布不均匀，流动状态与各参数时刻改变，致使多相流动引起的振动问题极其复杂。其中，当管道内的多相流为气液两相流时，气相和液相的密度、速度等参数也存在较大差异。对于气液两相流诱发振动的问题，现有理论多集中于换热器中气液两相流横掠管束的振动研究，而针对内流内输气液两相流海底管道的振动研究相对甚少。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种内输气液两相段塞流的海底管道悬跨段振动特性分析方法，结合海底输液管道悬跨段振动方程和尾流振子模型，考虑管内介质以及海流共同影响，分析海底管道悬跨段的振动响应，弥补现有研究的不足，可以作为海底管道结构设计及疲劳分析等的基础。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种内输气液两相段塞流的海底管道悬跨段振动特性分析方法，包括以下步骤：

1)建立内输气液两相段塞流的海底管道悬跨段横流向振动分析模型：

其中，m_e＝C_Mρ_eD²/4；Ω_f＝2πStU/D；q＝2C_L(x,t)/C_L0