三-八输气管道穿越河流悬空长度安全分析-论文.pdf

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1、★石油化工安全环保技术★2014年第30卷第1期PETROCHEMICALSAFETYANDENVIRONMENTALPROTECTIONTECHNOLOGY0三一八输气管道穿越河流悬空长度安全分析李颖栋，林冬孝，李欣，李欣欣，娄敏(1．中海石油管道输气有限公司，海南海口570105；2．中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛266580)摘要：以三一八输气管道的悬空段为研究对象，建立了悬空段振动方程，用Hermit插值法离散得到其有限元形式，把避免出现涡激振动作为控制务件，采用Matlab编

2、制输气管道悬空计算程序，确定不同流速下管道失效的悬空临界长度。结果表明，三一八输气管道在汛期河水湍急时实际悬空长度已接近或超过悬空临界长度，已严重影响到管道的安全运行，建议对三一八输气管道及时进行悬空治理，从而保障输气管道的安全运行。关键词：输气管道河流穿越悬空临界长度安全Z中海石油管道输气有限公司的三八输气管道于1996年4月2913投产，是莺歌海崖13．1气田开采的配套项目，管道主干道全长116km。输气管道沿规划指定路道穿越大型河流6条，中小型河流7条，譬如穿越的白沙河河面宽度20m，由于上

3、下游采沙，导致近年来河流改道，水土流失严重，汛期河水大涨时输气管道发生了跨河面悬％(6lOt+V616x)zdxrS，~z／6tdx+mr62z／6tz空、漂移，已严重影响到管道的安全运行，一旦图2(a)管内流体微元受力图图2(b)管壁单元受力图发生油气管道失效，势必造成油气田停产、污染F—PAaz／O一m(O／O+环境，直接的经济损失就很大。为此，本文针对VO／O)z—mg=0(1)三一八输气管道进行悬空长度安全分析，为悬空管管道微元在方向的振动微分方程：道治理提供科学依据。0Q／o+TOz／O

4、。一F—rs0z／Ot—l管道悬空段振动方程m，az／Ot一mg+F=0(2)式中：F——单位长度管壁作用在流体微元上的如图1所示输气管道初始轴线方向为X轴方液体压力；向，y轴在水平面内垂直于X轴并与来流方向相P——流体压强；同，z轴与重力方向相反。设管道外径为D，内——管道内横截面积；径D，悬空段长度为，J，在管道处取微元，m——单位长度管道内部流体质量；并把流体微元从管道微元上分离出来。流体微元——管内流体流速；受力如图2(a)，管道单元受力如图2(b)。。}心}／z(，t)一77777—。收

5、稿日期：2013—10—20。’J作者简介：李颖栋，男，2002年毕业于中国石油大图1输气管道悬跨段示意学(华东)油气储运工程专业；主要从事石油天然气储运工程工作，工程师。E—mail：Liyd3@12no—流体微元在方向的振动微分方程：★石油化工安全环保技术★2014年第30卷第1期g——重力加速度；<0．(6)Q——管道横向剪切力；——漩涡脱落频率是指单位时间内漩涡发——管道轴向力；放的数量，以表示：——管道结构阻尼系数；：(7)m，——单位长度管道质量；F——管外流体作用在单位长度管道上的5

6、，——Str0uhal数，一般取为0．2；竖向力，包括升力、浮力、流体阻力和流——来流流速，体附加惯性力，即：D——管道外径，F=FL+PgA一r，dz／Ot—msOz／Ot(3)——管道悬空段白振频率。式中：F——流体作用在管道上的升力，需要根据管道自振方程求解。令式(4)右端FL=CLpU2D／2；项为零，并忽略阻尼的作用，得到管道悬空段动C——升力系数；力特性方程：mOz／Ot+(m．v2+一)02z／Ox+P——管外流体密度；．A——管道外横截面积；EIOz／Ox=0(8)rr——流体阻尼

7、系数；本文采用有限元的方法计算管道悬空段自振C——附加质量系数，取为1．0；频率，因此首先需要把管道悬空段动力特性方程m，——流体作用在单位长度管道上的附进行离散。从输气管道悬跨段任取一单元，长度加质量，mj,=CmpD／4。为f，Z(i=1、2、3、4)分别表示节点1，2的位考虑到管道中剪力、弯矩与变形的关系，即移和转角，如图3所示。Q=一OM／Ox=一EIOz／Ox，联立式(1)、(2)，消去变量F、Q，并将式(3)代人，整理得输流管道横向振动微分方程：ZmOz／Ot+(r+r，)Oz／Ot+

8、2mVOz／OxOt+(m，v2+尸A—r，)02z／O+EIO4Z／0=F￡+PAg—mg—m图3管道单兀，g(4)其中m=m+m+mr。取Hermit插值函数如下：输气管道悬空段的边界条件介于铰支和固支Ⅳ．：1—3z2／1+2z3／1之间，基于铰支理论的管道临界悬空长度计算要Ⅳ^：一2z2／1+／f比固支理论计算出来的悬空长度小，所以本文输Ⅳ^：3z2／l一2z3／1气管道悬空段按照铰支理论进行计算。铰支理论对应的边界条件表达式为：N4=一／1+／f则管段内任一点位移Z(，t)