水平彎管內(nèi)氣液流動(dòng)對(duì)管道振動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究

1、水平彎管內(nèi)氣液流動(dòng)對(duì)管道振動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究鐘興福 吳應(yīng)湘 李東暉 李志彪（中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，北京海淀區(qū)北四環(huán)西路15號(hào)，100080）摘 要通過(guò)水平彎管內(nèi)氣液兩相流的實(shí)驗(yàn)研究，分析了管道內(nèi)流體流動(dòng)參數(shù)對(duì)管道振動(dòng)的影響，給出了在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)影響管道振動(dòng)的一些認(rèn)識(shí)。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)液相流量固定不變時(shí)，氣相流量的逐漸增加時(shí)，管道振動(dòng)逐漸減弱。而當(dāng)氣相流量固定不變時(shí)，隨著液相流量的增加，管道振動(dòng)逐漸加劇，而且振動(dòng)振幅出現(xiàn)極大值，隨后管道振幅減小，但振動(dòng)頻率增大。關(guān)鍵詞：水平管 兩相流 振動(dòng) 檢測(cè)（一）前 言石油天然氣、化工管路經(jīng)常因?yàn)楫a(chǎn)生的不穩(wěn)定流動(dòng)以及流體流向改變、管線變徑等情況而引起管路

2、振動(dòng)，如果處理不好，將嚴(yán)重影響管路的安全運(yùn)行，因此管線振動(dòng)問(wèn)題越來(lái)越引起人們重視，但目前人們對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究還主要集中于由機(jī)械振源引起的管線振動(dòng)問(wèn)題。而工程實(shí)際中有一類管線，管線內(nèi)的介質(zhì)是氣、液兩相流，管線兩端既無(wú)泵，也無(wú)壓縮機(jī)，卻發(fā)生了劇烈的振動(dòng)。引起這類管線振動(dòng)的原因很多，不易分析， 以前曾用理論分析的方法分析過(guò)管線內(nèi)的流體振源1，但由于分析中采用某些簡(jiǎn)化及假設(shè)，其結(jié)果只能作為參考。為了全面分析這類管線振動(dòng)的機(jī)理，以便采取合理措施減輕管線振動(dòng)。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)一段氣液兩相流管線的流體流動(dòng)激發(fā)的振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究分析。通過(guò)改變氣液相的配比流量和含率，在管線中觀察到不同的流型，流動(dòng)穩(wěn)定后采

3、用激光測(cè)距方法，測(cè)量管線在不同氣液配比流量和流型下的位移，分析了流體流動(dòng)參數(shù)對(duì)管線系振動(dòng)的影響，計(jì)算出了流體流動(dòng)激發(fā)的管線位移、幅值等。從計(jì)算結(jié)果看出，流體流動(dòng)對(duì)管系的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有著重要的影響，在管道設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮，管流的壓力、速度、密度等參數(shù)隨時(shí)間周期性的變化是引起管道振動(dòng)及其附屬設(shè)備振動(dòng)的主要原因之一。（二）試驗(yàn)系統(tǒng)及方法實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的多相流動(dòng)環(huán)路裝置上完成的，裝置中管道由全透明的有機(jī)玻璃制成。整個(gè)流程管線為內(nèi)徑為50mm，長(zhǎng)達(dá)28m，試驗(yàn)介質(zhì)為：空氣、水、油。氣水分別由壓縮機(jī)和水箱供應(yīng)，經(jīng)過(guò)各自的流量計(jì)后通過(guò)t型管匯合，流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段后被分離，水流回水箱以備循環(huán)使用，空氣排

4、入大氣。透明有機(jī)玻璃管有助于更好的觀察氣水兩相流動(dòng)的流動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行時(shí)，氣相表觀流速可達(dá)05m/s，液相（油/水）表觀流速在0.61.2m/s范圍內(nèi)可調(diào)。圖1為實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)段部分示意圖，圖1 a為實(shí)驗(yàn)段ac實(shí)物照片，圖1b為實(shí)驗(yàn)段ac放大的示意圖。氣液兩相流水平彎管段的上游a和下游c相距1m ，a面距流體入口約22m，下游c面距出口約5m。在ac兩個(gè)采集面上分別安裝了壓力傳感器，以獲得采集面上壓力波動(dòng)信號(hào)。同時(shí)，在兩個(gè)采集面的之間安裝了引壓管，通過(guò)引壓管分別接入到差壓傳感器，以測(cè)出氣液兩相流動(dòng)時(shí)管道底部的差壓降波動(dòng)信號(hào)，采用霍尼韋爾24pc差壓傳感器。b點(diǎn)為振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)，是從ac的中間點(diǎn)引

5、出的支點(diǎn)，b點(diǎn)同管道ac剛性連接，當(dāng)兩相流體從a端流向c端時(shí)管道發(fā)生振動(dòng)，通過(guò)測(cè)量b點(diǎn)在x、y、z方向的振動(dòng)位移，就得到管道在三個(gè)方向上的振動(dòng)情況。振動(dòng)位移采用optoncdt 1401激光器測(cè)量，激光測(cè)距分辨率為20m，測(cè)量精度為0.01fso。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)改變氣液相的配比流量和含率，在管線中會(huì)觀察到不同的流型，等某一種流動(dòng)穩(wěn)定后，觀察記錄流型，同時(shí)測(cè)量管線在不同氣液配比流量下的壓力、差壓、振動(dòng)位移的信號(hào)，所有測(cè)量傳感器信號(hào)統(tǒng)一由daqp-12h數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為50hz。本次實(shí)驗(yàn)是在保持液相流量（4，6，10，20，40，60，70，單位：%25m3/h）不變的情況下，逐

6、漸增大氣相流量（10，50，100，200，300，400，單位：%25 l/min），等流動(dòng)穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄。本文中直接采用計(jì)量?jī)x表給出的計(jì)量單位，若無(wú)特別說(shuō)明，液相流量w單位為：%25m3/h，氣相流量g單位為%25 l/min。a、實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)段ac實(shí)物照片 b、實(shí)驗(yàn)段ac放大的示意圖圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖（三）管道中的流型分析在兩相流動(dòng)過(guò)程中，由于管道內(nèi)流體中各相和各組分流體的相速度、密度、粘度及表面張力等的差異，使得兩相流在流動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)不同的流型，這不但影響到兩相流系統(tǒng)的流動(dòng)特性、傳熱傳質(zhì)性能、振動(dòng)特性，而且影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性和運(yùn)行效率。眾所周知，當(dāng)管流的壓力、速

7、度、密度等參數(shù)隨時(shí)間周期性變化時(shí)，出現(xiàn)流體脈動(dòng)，段塞流型就是一種典型的流體脈動(dòng)，它是引起管道振動(dòng)及其附屬設(shè)備振動(dòng)的主要原因之一。圖2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)的流型圖為了對(duì)由于管線流體因素引起的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，我們先對(duì)實(shí)驗(yàn)管中的流型做了詳細(xì)的觀察和記錄，圖2給出了實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)的流型圖，橫軸為液相水的流量，縱軸為氣相空氣的流量，實(shí)驗(yàn)中觀察到的流型由泡狀流、彈狀流、段塞流、層狀流、波狀流，根據(jù)流型圖，便可判斷并配比出所需要流體的流型。由于重力的作用，氣相較多地分布在管道上部，液相則較多地分布在管道底部，按通常對(duì)氣液兩相水平流動(dòng)定義了如下五種流型：1) 泡狀流：氣相以分離的氣泡散布在連續(xù)的液相內(nèi)，氣泡趨于

8、沿管道頂部流動(dòng)。這種流型在含氣率低時(shí)出現(xiàn)。2) 彈狀流：在波狀流中，當(dāng)波增長(zhǎng)到與管道頂部表面接觸，將位于管道上部的氣相分割成氣彈時(shí)，就形成了彈狀流。3) 層狀流：在氣液流量均較小時(shí)，液相在下部氣相在上部開(kāi)流動(dòng)，兩相間有較光滑的界面。4) 波狀流：當(dāng)氣相流量較大時(shí)，氣液分層面上沿流動(dòng)方向呈現(xiàn)波浪形。5) 塞狀流：小氣泡結(jié)合成大氣泡，如栓塞狀，分布于連續(xù)的液相內(nèi)。大氣泡也趨向于沿管道頂部流動(dòng)。流型不僅可以直接觀察，也可以從測(cè)量信號(hào)中簡(jiǎn)介分析得到。由于水平管中不同流型下壓降波動(dòng)不同，壓力的波動(dòng)在一定程度上反映了管道內(nèi)流體的流動(dòng)狀況。比如段塞流時(shí)壓力波動(dòng)較大，圖3為w=4、g=50時(shí)同步測(cè)量的管道在y

9、，z方向振動(dòng)位移及流動(dòng)壓力波動(dòng)響應(yīng)，而流型、壓力以及管道振動(dòng)是相互對(duì)應(yīng)的，此時(shí)在內(nèi)徑50mm的水平管中，呈現(xiàn)塞狀（液塞和氣塞）流動(dòng)過(guò)程，氣塞長(zhǎng)度大約9-13m左右,氣塞尾部拖曳較長(zhǎng)，而水塞較短，氣/水塞出現(xiàn)的頻率大約0.14hz，這與psd分析結(jié)圖3a w=4，g=50時(shí)，y，z方向振動(dòng)位移及壓力波動(dòng)橫軸：時(shí)間（1/50 s）,縱軸：振動(dòng)位移（mm）圖3b 典型壓力波動(dòng)（w=4，g=50）橫軸：時(shí)間（1/50 s）,縱軸：表壓（kpa）圖3c 壓力波動(dòng)曲線的psd分析結(jié)果f0.14hz（w=4，g=50）橫軸：頻率（hz），縱軸：能量圖3段塞流時(shí)的壓力波動(dòng)及管道再y，z方向的振動(dòng)響應(yīng)果相符（如

10、圖3c），水塞長(zhǎng)度大約3-4米，水塞中伴有小氣彈, 水為連續(xù)，在沒(méi)有氣塞或液塞時(shí)，水位大約在2/5管的位置，一個(gè)大的水塞經(jīng)過(guò)以后，有一部分水回流。從圖3b中可以看出，液塞段ac和氣塞段ce構(gòu)成了一個(gè)完整的段塞流過(guò)程。這里首先分析液塞段ac，然后分析氣塞段ce。在ac段，a點(diǎn)是液塞前端，c點(diǎn)是液塞的后端。當(dāng)液塞到達(dá)傳感器取壓點(diǎn)時(shí)，壓力從低值點(diǎn)a急劇增加到一個(gè)高值點(diǎn)c，由于管道中液塞前后兩端不同形狀、不同壓力，所以從a點(diǎn)到c點(diǎn)的過(guò)程中，液塞前端由于含氣量的不同而造成壓力從a點(diǎn)到b點(diǎn)的波動(dòng)，從b點(diǎn)到c點(diǎn)的過(guò)程是純液塞的流動(dòng)過(guò)程，壓力波動(dòng)很小，并急劇上升。當(dāng)液塞ac離開(kāi)管線時(shí)，壓力才開(kāi)始降低，并進(jìn)入到

11、氣塞階段。在ce段，c點(diǎn)是氣塞前端，也是液塞的后端，e點(diǎn)是氣塞的后端，也是液塞的前端。當(dāng)氣塞到達(dá)傳感器取壓點(diǎn)時(shí)，壓力從高值點(diǎn)c逐漸降低到一個(gè)低值點(diǎn)e，由于管道中一個(gè)氣塞中不同位置的含液量不同，因此從c點(diǎn)到e點(diǎn)的過(guò)程中，氣塞壓力波動(dòng)比液塞大，在整個(gè)氣塞的流動(dòng)過(guò)程ce中，壓力波動(dòng)一直很大,下降比較緩慢。當(dāng)氣塞ce離開(kāi)管線時(shí)，壓力才又開(kāi)始上升，并進(jìn)入到液塞階段。（四）兩相流動(dòng)引起水平彎管的振動(dòng)分析管道系統(tǒng)的振動(dòng)一般是由機(jī)械振動(dòng)、流體振動(dòng)、管系自身的振動(dòng)或地震等引起，流體振動(dòng)又包括流體脈動(dòng)、汽液二相流振動(dòng)、高速流振動(dòng)、振動(dòng)瞬變沖擊、管外流體振動(dòng)等2。本文研究過(guò)程中，引起管道振動(dòng)的主要原因有流體脈動(dòng)、氣

12、液兩相流動(dòng)、高速流動(dòng)。圖3a分別給出了管道中段塞流動(dòng)時(shí)壓力波動(dòng)響應(yīng)以及管道在y，z方向的振動(dòng)響應(yīng)。從圖中可以看出，為當(dāng)液塞到達(dá)時(shí)測(cè)量點(diǎn)時(shí)（圖3b中液塞段ac），管道振動(dòng)位移達(dá)到最大值，而氣塞對(duì)管道振動(dòng)的貢獻(xiàn)不是很大，液塞過(guò)后，振動(dòng)逐漸減小。圖4給出了保持液相流量w=4不變的情況下，逐漸增大氣相流量g=50，100，200，300，測(cè)量的x，y，z 方向的振動(dòng)位移響應(yīng)?？梢钥闯霎?dāng)氣相流量的逐漸增加時(shí)，管道振動(dòng)逐漸減弱。 圖5給出了保持氣相流量g=50不變的情況下，逐漸增大液相流量w=4，6，20，40，70，測(cè)量的x，y，z 方向的振動(dòng)位移響應(yīng)。從中可以看出，隨著液相流量的增加，管道振動(dòng)逐漸加劇

13、，而且振動(dòng)振幅出現(xiàn)極大值，隨后管道振幅減小，但振動(dòng)頻率增大。 x 方向振動(dòng)位移(mm)y方向振動(dòng)位移(mm)z方向振動(dòng)位移(mm)保持液相流量w=4不變的情況下，逐漸增大氣相流量g=50，100，200，300，測(cè)量的x，y，z 方向的振動(dòng)位移；橫軸：時(shí)間（1/50 s）,縱軸:振動(dòng)位移（mm）圖4 液相流量不變，逐漸增大氣相流量時(shí)管道在各方向的振動(dòng)響應(yīng)x方向振動(dòng)位移(mm)y方向振動(dòng)位移(mm)z方向振動(dòng)位移(mm)保持氣相流量g=50不變的情況下，逐漸增大液相流量w=4，6，20，40，70，測(cè)量的x，y，z 方向的振動(dòng)位移，橫軸：時(shí)間（1/50 s）,縱軸:振動(dòng)位移（mm）圖5 氣相流量

14、不變，逐漸增大液相流量時(shí)管道在各方向的振動(dòng)響應(yīng)（五）結(jié)論氣液兩相流在管道中的混合流動(dòng)是石油化工裝置中常見(jiàn)流動(dòng)過(guò)程，在氣液流動(dòng)過(guò)程中，由于流動(dòng)參數(shù)、管道結(jié)構(gòu)以及布置方式的改變，使得部分管道產(chǎn)生較嚴(yán)重的振動(dòng)。微弱的管道振動(dòng)不會(huì)對(duì)設(shè)備帶來(lái)?yè)p害，但較強(qiáng)烈的振動(dòng)可能對(duì)管道結(jié)構(gòu)以及上下游設(shè)備造成損傷，甚至停運(yùn)。本文通過(guò)水平彎管內(nèi)氣液兩相流的實(shí)驗(yàn)研究，只給出了一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)管道內(nèi)流體流動(dòng)參數(shù)對(duì)管道振動(dòng)的影響的機(jī)理還沒(méi)做進(jìn)一步的分析，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)液相流量固定不變時(shí)，氣相流量的逐漸增加時(shí)，管道振動(dòng)逐漸減弱。而當(dāng)氣相流量固定不變時(shí)，隨著液相流量的增加，管道振動(dòng)逐漸加劇，而且振動(dòng)振幅出現(xiàn)極大值，隨后

15、管道振幅減小，但振動(dòng)頻率增大。從測(cè)量結(jié)果看，流型、壓力等流動(dòng)參數(shù)同管道振動(dòng)有著一致響應(yīng)的關(guān)系，其內(nèi)在的關(guān)系有待于進(jìn)一步的研究。致謝：本文的流型實(shí)驗(yàn)以及分析過(guò)程中得到了simon philip（school of chemical engineering and analytical science，the university of manchestermanchester m60 1qd，united kingdom）的幫助，在此深表感謝。參考文獻(xiàn)1) 譚平，付行軍等，電廠輸水管系振動(dòng)分析，汽輪機(jī)技術(shù)，vo1.46, no.2,2004. 2) 張都清 ，張廣成等，電廠中汽水管道的振動(dòng)原因及

16、對(duì)策，山東電力技術(shù)，vo1.47, no.1,2006.the vibration of the horizontal syphon pipeline in gas-liquid flowzhong xingfu wu yingxiang lidonghui li zhibiao (institute of mechanics, chinese academy of sciences no.15 zhongguancun road, beijing 100080 e-mail: xfzhong)abstract gas-liquid flow can occur in horizontal,

17、vertical or inclined pipelines. in particular, the horizontal pipelines, the gas-liquid flow can cause large vibration of pipelines because of flow parameter and pipe structure. this amplitude and frequency of vibration depends upon the range of flow rate (low, intermediate and high). and this vibra

18、tion can cause mechanical damage to pipeline connections and supports. therefore, vibration of pipelines is required to be reduced with the possible future gas liquid flows during the life of the pipe. in this paper，the vibration characteristics of the pipeline in gas liquid flow are investigated. the pipeline vibrat