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基于ANSYS的管道流致振动分析1 前言核电站管道系统布置中，大量采用孔板作为节流装置或流量测量装置。
孔板对流体的扰动会导致局部回流和旋涡的出现，引起管内的局部压力脉动，从而造成管道系统出现振动和噪声，严重情况下会导致结构开裂和流体泄漏，造成巨大经济损失。
为从根本上避免孔板诱发振动对结构完整性的威胁，需要在设计阶段就充分考虑流致振动影响，但由于流致振动问题的复杂性和技术手段的限制，目前缺乏可以指导工程设计的通用研究成果。
由于管道流体作用在管道结构上的流体激励是随机的，必须采用随机振动分析方法对管道响应进行计算。
本文利用孔板诱发流体脉动压力的试验测量结果，采用ANSYS 软件的随机振动分析功能，对孔板扰流诱发的管道振动响应进行了计算，并分析了脉动压力的相关性对管道振动响应的影响。
由于ANSYS 软件的随机振动分析功能有些理论和使用上的限制，文中还介绍了使用ANSYS 软件计算管道流致振动响应过程中的一些特殊处理方法。
2 孔板诱发脉动压力的功率谱密度在用随机振动理论对孔板诱发的管道流致振动响应进行计算之前，需要获得作用在管道内壁的脉动压力功率谱密度函数(PSD)。
本文在实验测量结果的基础上，根据均方值与自功率谱密度的关系式，通过推导及假设获得了脉动压力场所有位置的自功率谱密度;互功率谱密度根据ANSYS 程序中的空间相关模型获得。
关于实验的具体描述见参考文献，关于激励模型的建立见参考资料。
2.1 脉动压力的自功率谱密度实验测得的脉动压力均方值沿管道环向近似于均匀分布。
不同的轴向测点测得的均方值如图1 所示，图中反映了孔板对流体产生了明显局部扰动，且孔板对下游的扰动比上游大，产生的脉动压力的峰值产生在测点5 位置(孔板后158.4mm)。
忽略孔板影响范围之外的脉动压力，并根据均方值沿轴向的分布形式，假设均方根值由测点2 位置线性增加到测点5，再由测点5 线性减小到测点7。
注：孔板位置的横向坐标为0，测点沿流动方向排号，孔板前两个测点，孔板后6 个测点图1 各轴向测点处的压力脉动均方值由均方根值与自功率谱之间的关系，并根据均方根值上述的分布规律，认为脉动压力的自功率密度在同一管道截面上各个位置均相同，沿管道轴向的分布情况与均方值的分布情况一致，不同轴向位置处的自功率谱密度均由测点5 位置的自功率谱密度沿谱曲线的纵轴缩减得到，缩减比例由均方值沿管道的轴向分布确定。
高温高压气井完井工艺介绍
高温高压气井是指井底温度高于150℃，井口压力高于70MPa的气井。
这类气井的开发难度较大，需要采用特殊的完井工艺来确保井口安全和生产效率。
下面将介绍高温高压气井完井工艺的主要内容。
1.井口安全措施
高温高压气井的井口安全措施是完井工艺的重中之重。
首先，需要在井口设置防喷器和防爆器，以防止井口喷出高温高压气体和引起爆炸。
其次，需要在井口设置安全阀，当井口压力超过设定值时，安全阀会自动打开，释放部分气体，以保证井口安全。
2.井筒完井
井筒完井是指在井筒内部设置完井管柱，以保证井筒的完整性和稳定性。
在高温高压气井中，井筒完井的重要性更加突出。
井筒完井需要选择高强度、高温耐受性好的材料，如钛合金、镍基合金等。
同时，需要采用特殊的完井管柱设计，以适应高温高压环境下的井筒变形和应力变化。
3.井底完井
井底完井是指在井底设置完井装置，以保证井底的安全和生产效率。
在高温高压气井中，井底完井需要采用特殊的装置，如高温高压阀
门、高温高压泵等。
同时，需要对井底进行特殊的处理，如加强井底固化、防腐蚀等。
4.井口生产控制
高温高压气井的生产控制需要采用特殊的控制系统，以确保井口生产效率和安全。
控制系统需要具备高温高压环境下的稳定性和可靠性，同时需要具备远程监控和控制功能，以便及时处理井口异常情况。
高温高压气井完井工艺是一项复杂的工程，需要采用特殊的技术和装备。
在完井过程中，需要注重井口安全、井筒完整性、井底安全和生产控制等方面的问题，以确保高温高压气井的安全和生产效率。
高温高压气井完井工艺介绍高温高压气井完井工艺介绍高温高压气井是指井身内部的温度和压力较高的气井，在完井过程中需要特殊注意。
本文将介绍高温高压气井完井工艺，包括工艺流程、材料选择、垂直井段完井和水平井段完井等内容。
一、工艺流程高温高压气井完井流程包括以下步骤：1、钻井和固井前期准备工作：井深确认、井眼直径确定、井眼清洗、井内管柱设计和材质选择、井口装备及固井液、球皮相关物料选择。
2、井下水平井段完井：包括套管下入加积清洗泥浆，水平近段放线聚合物物料、远段啮合工艺流程。
3、井下垂直井段完井：包括套管下入、喷砂、完成水泥浆固井、压裂等工序。
4、固井质量控制及完井流体性能监控：测试工具的应用，完井过程现场液体检测。
5、井筒待完井区域的加固：包括井壁处理和油管环保附着水平井段放线。
6、井口安全事项的安装：防喷器、管线及翻译装备的防爆和避风措施。
二、材料选择在高温高压气井完井过程中，材料的选择很重要。
以下是一些材料选择建议：1、钻井、完井管材料：要求正确选择材料，按设计完井压力要求设计，耐高温、耐腐蚀、耐磨损，避免选择劣质管材。
2、固井液：要求选择高温材料和加高压消泡剂剂量，同时要确保固井水泥浆使用合格、无松散泥层等。
3、完井液：高压液体选用密度大、黏度小的高压石油液体，也可以选择氮气气体。
4、水平井段放线材料：具有良好的抗拉力和耐高温性能的材料，例如高强度聚酰胺。
5、其他材料：防喷器、管线及其它翻译装备需要选择高温、高压耐受性好的材料。
三、垂直井段完井1、套管固定：要选择耐高温、耐腐蚀、强度高的材料。
在套管下入的时候需要注意尺寸，以保证套管能够顺利下入，避免套管因太大或太小而造成完井失败。
2、压裂：压裂技术能够有效提高井壁固定性，防止井壁塌陷。
要注意选择合适的压裂液和压裂参数，可以使用经过模拟和模拟试验的缝隙固结压裂液，同时要确保压裂参数在固井参数内，以确保压裂效果。
四、水平井段完井1、井内完井压力控制可使用压缩空气或压缩氮气来取代液体物料。
天然气压缩机管路系统气流脉动及管道振动研究天然气压缩机管路系统气流脉动及管道振动具有重要的研究意义。
在天然气输送和压缩过程中，气流的不稳定性和管道的振动会影响系统的正常工作，并可能导致系统的故障和安全事故。
因此，对于天然气压缩机管路系统气流脉动及管道振动的研究具有重要的实际应用价值。
首先，天然气压缩机管路系统气流脉动的研究旨在分析气流的流动特性和不稳定性。
气流脉动是指在管道中传输的气体由于流动的不稳定性而引起的气体压力和速度的波动现象。
气流脉动在管道系统中的传播会导致系统的压力波动，甚至引起压力脉冲，进而影响系统的正常工作。
因此，研究气流脉动的产生机制和传播规律，对于提高天然气压缩机管路系统的安全性和稳定性具有重要的意义。
其次，对于天然气压缩机管路系统管道振动的研究则主要关注管道的振动特性及其对系统的影响。
管道振动是指在天然气压缩机管路系统中，由于气体流动、压缩机运转和管道的外界扰动等因素引起的管道的振动现象。
管道振动会导致管道结构的疲劳和损伤，进而影响系统的性能和安全。
因此，通过研究管道的振动特性和分析振动源的产生机制，可以为天然气压缩机管路系统的设计和维护提供重要的参考依据。
为了研究天然气压缩机管路系统气流脉动及管道振动，可以采用实验和数值模拟等方法。
实验可以通过建立实际的天然气压缩机管路系统模型，在实际工况下进行观测和测量，以获得系统的实际运行情况。
同时，可以采用传感器等设备对管道振动进行监测和测试，以获取振动的频率、振幅和相位等参数。
基于实验结果，可以进一步分析气流脉动和管道振动的机理和特性，并提出相应的控制和改进措施。
另外，还可以使用数值模拟方法对天然气压缩机管路系统进行数值建模和仿真。
数值模拟可以基于流体力学和结构力学等理论，建立系统的数值模型，并通过数值计算方法求解系统的运动方程和边界条件，从而得到系统的气流脉动和管道振动的数值解。
通过数值模拟可以模拟不同工况下系统的运行情况，预测系统的气流脉动和管道振动的趋势和规律，并优化系统的结构和控制参数。
第３Ｏ卷第６期 振动与冲击 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨ０ＣＫ
高压气井完井管柱系统的轴向流固耦合振动研究 王宇 ，樊洪海 ，张丽萍 ，杨行 ，冯广庆 （１．中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京１０２２４９； ２．中国石油塔里木油田分公司，库尔勒８４１０００）
摘 要：目前针对石油完井管柱的研究没有考虑瞬变流诱发的管柱运动，而实际的管柱与管内流体存在相互影 响、相互作用。对完井管柱系统流固耦合振动响应进行了初步分析与探索，给出了适用于气井完井管柱流固耦合分析的 数学模型，提供了采用特征线法对耦合模型进行解耦以及采用插值方法进行数值求解的具体过程，并以现场数据为例，预 测分析了天然气不稳定流动引起的流体压力、管柱应力、管柱振动速度的耦合响应过程。研究结果表明：天然气不稳定流 动使管柱处于交变应力状态，并诱发管柱往复运动，这将加剧完井管柱结构的疲劳破坏与磨损破坏。该结果对预防完井 管柱先期实效有实际工程意义。 关键词：高压气井；完井管柱；流固耦合；特征线法；不稳定流动；响应 中图分类号：０３５３．４ 文献标识码：Ａ
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｆｌｕｉｄ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ ｓｔｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ ｗｅｌｌ ＷＡＮＧ Ｙｕ ，Ｆａｎ Ｈｏｎｇ—ｈａｉ ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉ－ｐｉｎｇ ，Ｙａｎｇ Ｈａｎｇ ，ＦＥＮＧ Ｇｕａｎｇ—ｑｉｎｇ （１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２４９，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ Ｔａｒｉｍ Ｏｉｌｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｋｏｒｌａ ８４１０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ａｎｄ ｔｕｂｉｎｇ ｓｔｒｉｎｇ ｏｎ ｍｕｔｕａｌ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ ｗｅｌｌ ｗａｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｌｏｗ ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｇａｓ—ｆｉｌｌｅｄ ｔｕｂｉｎｇ ｓｔｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｆｌｕｉｄ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｔｈｅｎ ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｌｉｎｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｐｉｐｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｐｉｐｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｔｏ ｔｈｅ ｔｏ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｗｅｒｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ａ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ ｗｅｌ１．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｆｌｕｉｄ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｌｌ ａｇｇｒａｖａｔｅ ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ ｓｔｒｉｎｇ’Ｓ ｆａｔｉｇｕｅ ｄａｍａｇｅ ａｎｄ ｗｅａｒ ｄａｍａｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ ｗｅｌｌ；ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ ｓｔｒｉｎｇ；ｆｌｕｉｄ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｌｉｎｅｓ； ｕｎｓｔｅａｄｙ ｆｌｏｗ；ｒｅｓｐｏｎｓｅ
高压气井完井管柱是油气水等地层流体产出和地 面工作液注入产层的通道，主要由油管、安全阀、伸缩 节、滑套、封隔器、密封插入管、射孔枪等部件构成，其 简化结构如图１。天然气气流从井底流到井口的这一 过程中，由于温度压力变化、管径变化、阀门操作、气嘴 节流等因素使完井管柱内的流体处于不稳定流状态， 并诱发完井管柱与管内流体一起耦合振动。严重的耦 合振动将导致管柱破坏、管柱泄漏、封隔器失封等事 故。近年来，油气田的多口高产油气井发生了的管柱 破坏事故大多与此有关 。然而，目前完井管柱力学 （油管柱）研究没有考虑瞬变流诱发的管柱与流体之间 基金项目：国家重大油气专项示范工程项目（２００８ＺＸ０５０４６—０４） 收稿日期：２０１０—０８—０３修改稿收到日期：２０１０—１０—２９ 第一作者王宇男，博士生，１９８２年生 的动力耦合作用：①考虑 管内流体对井下管柱的影 响的研究主要基于两端支 撑管道的横向自由振动模 型，分析内流对管柱固有频 率及对横向稳定性的影 响 －４ ７，由于该模型仅把管 内流体当成填充质量处理， 即只考虑流体惯性对振动 自振特性的影响，不是真正 意义上的流固耦合模型，所 以不能体现流体与结构之 间的动力耦合作用。②管
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图１高压气井完井 管柱示意图 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ ｓｔｒｉｎｇ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ ｗｅｌｌ
内流体考虑成稳定流动流体，即流速、压力、密度不随 时问变化，管柱应力与变形分布为静态曲线，即只是井 第６期 王字等：高压气井完井管拄系统的轴向流固耦合振动研究 ２０３ 深的函数，而与ｎＣｆ．ｑ无关，不考虑天然气从井底到井口 存在不稳定流动引起的动态响应 ～。 在已有研究成果基础上，通过采用特征线法对耦 合模型进行数值响应计算，预测分析天然气瞬变流激 励引起的管柱与流体的响应，对完井管柱系统实际存 在的耦合动力作用进行初步分析与探讨。 管道系统主要的流固耦合机理包括 ：Ｃ【）泊松耦 合（Ｐｏｉｓｓｏｎ ｃｏｕｐｌｉｎｇ），由流体波动压力引起的管壁环向 应变通过泊松比诱发管壁轴向应变；②摩擦耦合 （Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｕｐｌｉｎｇ），通过流体粘性摩擦力所致的流固 接触边界耦合；③连接部耦合（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｃｏｕｐｌｉｎｇ），管 道结合部（接头、闸阀、水利机械等）产生的流体动压力 对管柱施加轴向载荷引起管柱运动，管柱运动又引起 动压力的变化。其中泊松耦合和摩擦耦合分布于整个 管道，具有沿程性，体现在耦合的数学模型中；而结合 部耦合是一种局部耦合，用耦合边界条件来体现。 １ 完井管柱系统流固耦合模型 ①完井管柱线弹性、小变形、薄壁、各向同性的垂 ②由于马赫数较小，天然气在完井管柱内部为等 ③考虑管内天然气、油管套管环空完井液的粘性 针对流体瞬变流诱发的输送流体管道系统耦合振 动的研究，Ｓｋａｌａｋｌ１０＂Ｊ首次建立了考虑流固耦合的四方 程模型，即扩展的水锤模型，该模型的正确性得到了大 量学者的验证。目前广泛采用的耦合振动模型是一组 双曲型偏微分方程 “＇他，模型的控制方程包括：液体状 态方程、连续流方程、流体与管柱的轴向与径向运动方 程、管柱的几何与物理方程，以及流体与管道接触界面 处的动力、运动耦合边界条件。模型由四个方程构成， 两个流体方程与两个管柱方程相互耦合，该模型体现 了流体与管柱之间的泊松耦合与摩擦耦合， ， ＝ ｎ 一去ＴＯ－ｂ＂Ｏｔ Ｐ Ｐ （１）一一一＝∥Ｓ¨●，’一一 ｌ Ｊ Ｊ ｒ ８ｚ ｒＲ 、＋ 管柱轴向应力一位移关系方程： 警一 Ｅ坚Ｏｔ＋ Ｅ旦ｅ七１ ｅ Ｏｔ＝０（４） ． 。 、 ＋ 式中：Ｐ和 分别是天然气的压力变量和流速变量； 和 ：分别是管道轴向速度变量和轴向应力变量；ｒ 管 道壁面流体切应力；Ｅ和 分别是管柱的弹性模量和泊 松比；Ｒ和ｅ分别是管道内半径和壁厚；ｐｒ流体密度；ＪＤ 管道密度；Ｋ流体体积压缩模量，ｇ重力加速度。０管 道轴线与水平线的夹角。切应力的表达式为：
丁 Ａ （５） 其中：Ａ是达西摩阻系数；Ｖｒ ，＝Ｖ—Ｕ ，是流体、管壁轴 向相对运动速度，绝对值符号保证切应力总是与流动 方向相反。 １．３气井完井管柱流固耦合四方程模型 已有耦合模型（１）～（４）的推导过程采用了液体 状态方程，不考虑管外流体的摩阻。在已有模型的基 础上，将气体状态方程Ｐｊ＝Ｐ／ＺｂＴ代入、同时考虑油套 环空的流体摩阻对管柱运动的影响，重新推导了适用 于气井完井管柱流固耦合四方程模型。对于薄壁管
道，ｅ／Ｒ＜＜Ｉ，将式（２）中的 改写为２ ，垂直气 井０＝９０。，式（１）～式（４）最后可改写为： 流体轴向运动方程：
＋ ：一 二 ＋。ＩＪ＂Ｏｔ Ｐ Ｏｚ ４Ｒ
（６）一＋一一＝一一十 Ｉ¨Ｊ
ｆ ｕ 、
流体连续性方程：
＋（ １＋２…Ｒ）ＯＰ一２ｖ ０／．ｔｚ＝０ （７）
ｇ一 ８ｐＰｅ
（８）
管柱轴向应力位移关系方程： 警一古 ＋丛 ＝０Ｏｔ Ｅｅ Ｏｔ （９） ８ｚ Ｅ 、
其中：天然气的密度Ｐ，＝Ｐ／ＺｂＴ，是时问与空间的函数， ｚ天然气压缩系数， 温度，ｂ气体常数；Ａ，是天然气的 摩阻系数；Ａ ，是油管套管的环形空间中充填的完井液 的摩阻系数； 天然气体积压缩模量，对于等温压缩过 程，Ｋ＝Ｐ¨ ，是时间与空间的函数。
管柱轴向运动方程： ２ 耦合模型特征线法求解 一 警 ｉＪ１…）
用特 萎
一兰 一 ＾一 ＝ 程 方●一 舫 运 轴 管
