天然氣處理工程聲致振動管線的初步篩選方法

王 毅 高建林 代長林 郭 禮 宋光紅

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司， 四川 成都 610041

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天然氣處理工程聲致振動管線的初步篩選方法

王 毅 高建林 代長林 郭 禮 宋光紅

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司， 四川 成都 610041

在天然氣生產中，氣相管道上的降壓元件在壓降和流體流量較大時會產生噪聲，較大的噪聲會引發管道振動，強烈的聲致振動可能導致管道疲勞失效或斷裂破壞。在工程設計階段對管道進行聲致振動分析能有效地減少聲致振動失效帶來的損失。在國外，管道聲致振動分析研究開展較早，大型項目要求在工程設計階段對管道進行聲致振動分析，而國內則鮮有輸氣管道聲致振動分析的研究報道，大型項目也極少要求對管道進行聲致振動分析。在研究文獻和工程實踐的基礎上，結合天然氣處理工程實例，提出了在工程設計階段聲致振動管線的初步篩選方法和步驟，旨在呼吁人們加強對聲致振動管線分析的重視，同時也為工程人員提供一些工程經驗。更重要的是，聲致振動管線的初步篩選為聲學振動管線的詳細分析奠定了基礎。

輸氣管道；壓降；噪聲；振動

0 前言

在天然氣生產中，管道受自身和外部條件等影響會發生振動。若管線長期處于振動狀態，在應力集中部位將會出現疲勞，可能導致管道破壞，引發安全事故，如圖1所示[1]。管道振動強烈時還可能造成斷裂破壞。2010年，英國健康與安全管理局曾發布數據顯示，英國北海海上平臺油氣工業發生破壞造成的所有損失中有20 % 來自管道振動導致的疲勞失效；西歐陸上油氣工業發生破壞造成的損失也有10 %～15 % 來自由管道振動導致的疲勞失效[2]。因此應提高對管道振動的重視。

管道振動分析屬于管道應力分析范疇。一般而言，管道應力分析分為靜力分析和動力分析：靜力分析是指在靜力荷載的作用下對管道進行力學分析，并進行相應的安全評定；動力分析則主要指往復式壓縮機和往復泵管道的振動分析、管道的地震分析、水錘和沖擊荷載作用下管道的振動分析[3]。除上述常見振動分析類型外，還有流致振動分析和聲致振動分析。國外學者已進行了大量的流致振動分析研究[4-7]，而且一般工程項目都要求對管道進行流致振動分析。對于聲致振動分析，早在1985年比利時的歐洲石油公司環境健康安全組織(The Oil Companies’ European Organisation for Environment,Health and Safety，簡稱CONCAWE)就提出了控制聲致振動的設計導則，即CONCAWE 85/52報告。2000年，The Marine Technology Directive(MTD)發布了避免管道振動的一系列設計導則[8]，并于2008年由Energy Institute改版后重新發布[9]。該系列設計導則被國外研究學者及工程師普遍認可并用于管道聲致振動分析。國外許多學者也結合具體案例進行了管道聲致振動分析，并提出了一些預防措施[1,10-12]。國內不少學者和工程師也進行了管道流致振動分析的研究[13-16]，一些大型項目也開始要求對管道進行流致振動分析，而管道聲致振動分析的研究則鮮有報道。

在輸氣管道中，安全閥、控制閥、限流孔板等存在壓力變化的管道元件在壓力發生較大變化或管道內流體流速過大時會產生噪聲，已有不少學者對噪聲的產生機理進行了研究[17-19]。當噪聲能量達到一定程度時沿管壁傳播就會引發管道振動，這種現象稱為聲致振動(Acoustic Induced Vibration，簡稱AIV)[9]。噪聲主要是由于高速流體撞擊管壁，流體湍動混合或限流元件下游沖擊波等原因造成，產生噪聲的大小與降壓元件的壓降和流體流速等密切相關。高頻率的聲致振動對管路十分不利，主要可能導致管道疲勞失效，由于振動頻率較高，造成管道失效的時間非常短暫(通常僅為幾分鐘或幾小時)[20]，因此，有必要在設計和生產過程中將管道聲致振動情況加以考慮。

圖1 振動導致管道失效

1 聲致振動關鍵點位

聲致振動雖然可能引起管道較大破壞，但并非在管道的任何位置都易發生破壞。管路發生聲致振動時容易遭到破壞的位置稱為聲致振動關鍵點位(AIV Critical Location)。Burullus Gas公司[1]認為，直管一般不會發生聲致振動失效，容易發生聲致振動疲勞失效的管道主要為大口徑薄壁管，發生的位置主要是在管路中的不對稱焊接點。幾何不連續的對稱焊接點處由于存在應力集中也易發生聲致振動疲勞失效，如三通焊接點、小支管連接點和管道支架焊接點等。此外，壓降較大的管道元件，如安全閥、限流孔板等，其下游管道的上述關鍵點位也易發生聲致振動疲勞失效。

2 聲功率計算

判斷管線發生聲致振動時是否失效首先需要計算關鍵點位的聲功率(PWL)。Energy Institute導則[9]給出了聲致振動管線聲功率的計算公式。根據Energy Institute導則，單個噪聲源(安全閥、限流孔板等)產生的聲功率可由式(1)計算：

(1)

式中：PWL(source)為噪聲源聲功率，dB；p1為降壓元件上游壓力，Pa；p2為降壓元件下游壓力，Pa；W為質量流量，kg/s；Te為降壓元件上游溫度，K；Mw為流體的相對分子質量，g/mol；SFF為聲速流校正因子，當聲速流存在時SFF=6，否則SFF=0。

噪聲沿管道傳播時會發生衰減，至下一個焊接不連續點處衰減后的噪聲功率可由式(2)計算。由式(2)可見，噪聲從噪聲源起沿管道傳播50倍直徑長的距離后其聲功率衰減值為3 dB。

(2)

式中：PWL(discontinuity)為焊接不連續點的噪聲聲功率，dB；Ldis為噪聲源與焊接不連續點之間的距離，m；Dint為管道內徑，mm。

當待評價處受多個噪聲源共同影響時，總的噪聲功率可由單個噪聲源的聲功率疊加計算，見式(3)：

(3)

式中：PWL(discontinuity,total)為焊接不連續處的總聲功率，dB；PWL1(discontinuity)為焊接不連續處由噪聲源1引起的聲功率，dB；PWL2(discontinuity)為焊接不連續處由噪聲源2引起的聲功率，dB。

3 聲致振動判定準則

本文中的聲致振動管線的初步篩選主要依據Energy Institute導則[8]進行，以管線聲功率是否超過155 dB為主要界定依據來進行聲學管道的初步篩選。在進行詳細的聲致振動管線分析時，根據Energy Institute導則還需要考慮管道長度、管徑、支管連接形式、管道材質以及是否存在補強降噪設施等因素，計算出管道失效的可能性(Likelihood of Failure，簡稱LOF)。

4 管線篩選

在工程設計階段，通常使用聲致振動管線分析表(Screening List for Acoustically Induced Vibration Study)來給出管系的聲致振動情況。其目的在于使業主或施工人員能夠清晰了解聲致振動對整個管系的影響，并能夠快速找到聲致振動影響的關鍵位置和關鍵管線，以便在施工或操作過程中進行針對性處理。

制作聲致振動管線分析表時，其關鍵在于確定聲致振動管線的篩選方法和步驟。聲致振動管線的初步篩選主要考慮兩個要點：一是噪聲源產生的噪聲大小以及沿管道傳播時噪聲的衰減情況；二是管壁焊接不連續點的連接形式。篩選過程可由以下七個步驟組成：

1)根據管道及儀表流程圖P & ID找出潛在的噪聲源，如一些常見的降壓元件安全閥、限流孔板、控制閥等。

2)制作聲致振動管線篩選表。在完成模板制作后，根據工藝管線說明表(Piping Line List)等信息完善相應數據，并將噪聲源所在管線和其他管線進行區分標識。

3)根據P&ID圖紙找出與噪聲源所在管線存在焊接不連續點的下游分支管線，并在聲致振動管線篩選表中與噪聲源所在管線做相同標識。

4)根據式(1)計算噪聲源的聲功率。

5)對聲功率達到155 dB的噪聲源所在管線進行再次標識，初步列為聲致振動關鍵管線。聲功率低于155 dB的噪聲源所在管線則為非聲致振動關鍵管線。

6)根據式(2)計算焊接不連續點處的噪聲功率。若同一焊接不連續點受多個噪聲源共同影響，則按式(3)計算。

7)聲功率達到155 dB以上的焊接不連續點為聲致

振動關鍵點，其所在管線列為聲致振動關鍵管線。聲功率低于155 dB的焊接不連續點所在管線則為非聲致振動關鍵管線。

5 工程實例

某海外煤層氣項目Feed設計階段部分管線的聲致振動初步篩選見表1。該項目有壓縮機、火炬放空總管、段塞流捕集器等聲致振動敏感裝置和管線。由表1可見，需填充的管線信息主要有：管線號、管內徑、聲致振動噪聲源、噪聲源上下游壓力、流量、溫度和摩爾質量。聲功率根據上述式(1)～(3)計算所得。

表1 聲致振動管線初步篩選表

管線號管內徑/mm噪聲源Y/N噪聲源名稱p1/kPap2/kPa?Δp㊣/kPaW/(kg·h-1)Te/KMw/(g·mol-1)?PWL㊣/dB聲致振動詳細分析Y/N*0001273.0YPV01113502970838077967303.616.46163Y0002333.5YPSV01477062470872188338.016.46167Y0003364.3YPSV02143001041419697839364.316.46171Y0004303.3YRO01269079261182070318.016.46168Y0005205.0YRO027008561527216318.016.46158Y0006303.3NN---96967316.816.46-N0007381.0YPV0233003000300145111316.016.46136N0008153.9YPSV0347702247489287318.016.46149N000949.3YRO0360021338724313.016.4689N0010590.6Y**---6848364.316.46156Y 注:*噪聲源聲功率大于155dB的管線需要進行聲致振動詳細分析。**噪聲源存在于上游管線。

圖2 聲致振動關鍵管線分析3D示意圖

由表1可見，對于安全閥PSV 01，當流量為72 188 kg/h，壓降為4 708 kPa時在噪聲源處產生的噪聲聲功率為167 dB，超過155 dB，所以PSV 01所在的管線0002被初步篩選為聲致振動關鍵管線。管線0005上有噪聲源RO02(限流孔板)，當流量為27 216 kg/h，壓降為615 kPa時，噪聲源噪聲聲功率為158 dB，超過了155 dB，所以管線0005被初步篩選為聲致振動關鍵管線。管線0010為火炬放空總管，管線上沒有噪聲源存在，但其與聲致振動關鍵管線0005相連接，連接點出的噪聲聲功率可由式(2)算出。從圖2可以看出，管線0005與管線0010連接處到噪聲源RO02的距離為8 850 mm，計算可得出連接處的噪聲功率為156 dB，因此，該連接點為聲致振動關鍵點，管線0010為聲致振動關鍵管線。管線0011和0012雖然也分別與管線0010相連接，但由于上游無噪聲源存在，所以其連接點非聲致振動關鍵點。

6 結論

高頻率聲致振動容易導致管道發生疲勞失效，因此在工程設計階段非常有必要對管道進行聲致振動分析，尤其對一些易發生聲致振動破壞的管線，如火炬放空總管、壓縮機出口管線等。本文依據Energy Institute導則，結合工程實踐提出了在工程設計階段聲致振動管線初步篩選的一般方法和步驟，并列舉相關工程實例進行說明，旨在為工程設計提供一點微薄經驗。

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2015-11-25

中國石油集團科技重大專項350×104t/a天然氣液化關鍵技術與裝備國產化研究(2009-1805 E)

王 毅(1987-)，男，四川南充人，助理工程師，碩士，主要從事管道應力分析工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.011