基于FPSO压载水系统管路支架整体水锤效应分析.pdf

第45卷第2 2 期2023年11月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.22Nov.,2023基于FPSO压载水系统管路支架整体水锤效应分析李秀，窦培林，赵世发，刘亚娇(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江2 12 0 0 0)摘要：合理分析管系的水锤效应，对管系的安全性、经济性都有着十分重要的意义。目前对水锤效应的研究往往只考虑流体与管道之间的作用情况，忽略了管系中管道与支架的整体性。为更加准确的计算管系水锤效应发生界面的水锤压力大小，以某深水通用性FPSO管道支架参数为基础，设计了一种易于简化计算的管系模型，通过对比分析仅考虑管道内流体、，考虑管道内流体与管道耦合以及管道内流体与管路支架整体系统双向流固耦合时，水锤效应的情况。结果表明，仅考虑管道内流体、考虑管道内流体与管道耦合时，对水锤压力大小影响不大。当管道内流体与管路支架整体系统双向流固耦合时，计算结果有较为明显的降低（在计算工况下降低约6.0 6%），其原因在于管道支架在水锤效应发生时，产生了一定的变形（在计算工况下最大位移为0.0 47 2 m）。关键词：水锤效应；FPSO压载水管系；管路支架整体性；双向流固耦合；支架变形中图分类号：TH38文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 2-0 10 5-0 5Analysis of integral water hammer effect of pipeline support(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212000,China)Abstract:Reasonable analysis of water hammer effect of pipeline system is of great significance to the safety and eco-nomy of pipeline system.At present,the study of water hammer effect often only considers the interaction between fluid andpipeline,ignoring the integrity of pipeline and support in the pipeline system,In order to more accurately calculate the waterhammer pressure at the interface where the water hammer effect occurs in the pipeline system,a pipeline model that is easyto simplify the calculation is designed based on the parameters of a deep-water universal FPSO pipeline support.Throughcomparative analysis,the water hammer effect is considered when only the fluid in the pipeline is considered,the fluid andpipeline coupling in the pipeline are considered,and the two-way fluid solid coupling between the fluid in the pipeline andthe overall system of the pipeline support is considered.The results show that only considering the fluid in the pipeline andconsidering the coupling between the fluid in the pipeline and the pipeline has lttle influence on the water hammer pressure.When the fluid in the pipeline and the overall system of the pipeline support are coupled in a two-way fluid solid way,thecalculation results have a significant reduction(about 6.06%in the calculation condition),because the pipeline support has acertain deformation when the water hammer effect occurs(the maximum displacement is 0.0472 m in the calculation condi-tion).Key words:water hammer effect;FPSO ballast water piping;pipeline support integrity;two-way fluid structurecoupling;support deformation0引言管道系统作为水利、交通运输等领域内重要流体介质的运输媒介，由于大高差、停泵、闭阀等原因，收稿日期：2 0 2 2-11-0 3基金项目：江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX21_3503）作者简介：李秀（1998），男，硕士研究生，研究方向为船舶管路。文献标识码：Ain ballast water system based on FPSOLI Xiu,DOU Pei-lin,ZHAO Shi-fa,LIU Ya-jiaodoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.22.019会产生水锤效应，水锤对管道系统的寿命、安全性等方面有着很大影响，因此准确的水锤计算对管系十分重要-2 。X i 等 3 对石油工程油管的偏心水锤特性，通106 过测试装置、粒子图像测速仪和瞬态压力测量系统进行分析，发现随着偏心距的增大，油套环空内外壁的压力增大，出现水锤现象。Micha等 4 通过在管道内插人弹性管，利用理论分析、实验测试和数值模拟等方法，发现加人弹性管的管道水锤压力增长明显降低。张巧玲等 5 基于特征线法，建立了考虑非恒定摩阻的含气瞬变流模型，对含气疏水管道的水锤特性进行了分析；郭强等 6 对厚壁输水管道在考虑流固耦合情况下的水锤和振动特性进行了分析。王祺武等 7 通过实例计算，对调节阀门全开工况下的关阀水锤进行计算分析，并对管路中的水锤压强进行改善，分析不同控制方式下，对于水锤情况的改善效果，表明单阀，双阀以及三阀调节对于管路中水锤问题都有出色的控制效果。水锤效应在很多领域都有至关重要的影响，因此各国的专家学者对于水锤现象都进行了大量研究，对水利、交通运输等领域的发展起着重要的推动作用 8-10 。通过对相关文献阅读可发现，目前的研究只考虑了管道与管道内流体对水锤效应的影响，而忽略了管系中管道支架这一影响因素。本文为简化复杂的管路停泵水锤模拟过程，以某深水通用型FPSO管路系统参数为设计依据，设计了一种管型以简化数值仿真难度，并对典型的停泵水锤情况下，支架对水锤效应的影响情况进行分析，为实际工程中对水锤效应的准确分析提供参考。1模型建立1.1数值模型本文涉及的管系参数均来源于某深水通用型FPSO压载水管路系统，系统中的流体介质为水，可视为不可压缩流体。其中，管路截面上的流动差异对计算结果影响较小，是可忽略的!。基于一维水锤方程和特征线法，建立实验研究的数值计算模型。流体的动量方程和连续性方程为 12 H8x2DH=0。8x式中：g为重力加速度；H为水头压力；v为流速；x为轴向间距；t为时间；f为流阻系数；为水锤传VK/p播速度,a=KDV1+ESC量；p为流体介质的密度；D为管道直径；E为管道材料的弹性模量；8 为壁厚；c为管道的支撑系数，取0.91。舰船科学技术引入特征值入=g/a，则式（1）和式（2）可转化为两组微分方程：8dHdvfvl=0,十a dtdt2DC+dx=+a。dt8dHdv十Cadtdt2Ddx=-a。dt通过式（3）和式（4）可知，管道中水流的压力会以波的形式传递，其传递速度为。而压力值的大小则等于2 个方向（+a/-a）的水锤波叠加。将管道在x方向离散成N等分，每等份的长度为x，将时间步长取为t。如果t=x/a，则网格的对角斜率为=1/a或-1/a，分别满足式（3）、式（4）的第二个方程。将速度v用流量Q代替，沿特征线对式（3）式（4）的第一个方程进行差分。由当前时刻节点i-1处的压力Hi-1、流量Qi-1和节点i+1处的压力Hi+1、流量Qi+1，迭代求出下一时刻节点i出的压力H,和流量QioH;=(Cpi+CMi),22B(Cpi-CMi)。(Cpi=Hi-1+Qi-1(B-RlQi-1l),(CMi=Hi+1+Qi+1(B-RIQi+il)。B=a/gA,(R=fAx/2gDA?。式中：A为管道截面积；B和R为常数；Cpi和CMi均为计算的过程量。1.2管系模型建立为更好地分析管道支架对水锤效应的影响，利用vv=0,(1)(2)其中K为流体介质的弹性模第45卷(3)v以=0,(4)(5)(6)(7)Ansys软件进行管系与管道水流的流固双向耦合计算，由于常见管系停泵水多产生于水泵处，需重点研究的边界面属于变界面情况，水泵处的水锤压力监测以及双向流固耦合的过程十分复杂，对计算机的运算能力要求太高。因此提出一种基于某深水通用型FPSO压载水管系参数设计的简化水锤计算模型，在简化计算的同时，更好地模拟水锤产生的过程及不同算例形式对水锤大小的影响，以得出具有普遍参考意义的研究结果。如图1所示，模型为对称三通管结构，有水泵连接口（入水口）提供泵水压力，在水锤监测界面监测第45卷水锤压力，其管系各部分参数如表1所示。此外，由海上移动平台入级规范及相应计算准则，FPSO压载水管网系统水泵扬程为45m，因此可选择泵压为450000Pa的水泵113。李秀，等：基于FPSO压载水系统管路支架整体水锤效应分析-outletoutlet2022/10/5 11:47wallBinletwall-fsiDoutlet支架1107wall000Z一水锤监测界面支架4图1水锤计算简化模型示意图Fig.1 Simplified model of water hammer calculation表1管系各部分参数表Tab.1 Parameters of all parts of the pipeline system参数数值管道直径/mm406管卡圆环直径/mm448管托高度/mm400管道壁厚/mm20管卡圆环厚度/mm管系总高/mm10624管卡圆环宽度/mm150管托宽度/mm150管道材料玻璃钢管卡材料结构钢管托材料结构钢2管系水锤效应数值仿真2.1基于Fluent管系水锤流体仿真通过SolidWorks建模软件，基于图1建立三维模型，导入Fluent软件中，抑制掉管道和支架部分，进行流体仿真（计算模型见图2）。设置其人口压力为45000Pa，时间步为2 0 0 0 步，步长0.0 1s，在管系正常运行10 s后闭阀（Fluent中通过Event命令进行模拟）以进行试算。为更好地了解水锤情况，选择wall-fsi界面进行压力监测，其结果如图3所示。通过监测数据其水锤压力最值为-2.40 910 7 Pa，出现在10.0 1s时刻。此外，由图3及监测具体数据可知，当管系运行6 s时，管系内水流水压趋于稳定，因此在6 s时刻停泵即可模拟管系水流稳定后停泵较为准确的水锤压力值。在后续的双向流固耦合计算中为减小运算量，设置运算时间为12s，在6 s时停泵。2.2将支架简化为约束的双向流固耦合管系水锤仿真通过AnsysWorkbench模块，利用SystemCoupling建立Fluent与Transient Structure的双向流固耦合系统，wall-fsi支架201000水泵连接口（入水口）证1000参数inlet3.51.75图2 Fluent流体仿真计算模型Fig.2 Fluent fluid simulation calculation model支架3-5.00000010:0000001500000020.000000数值参数数值13管托厚度/mm137.0/m5.250250000000图3管系流体仿真wall-fsi界面水锤压力随时间变化图Fig.3 Water hammer pressure at wall-fsi interface of pipe systemfluid simulation versus time将由图1建立的计算模型导人模块当中，并在Fluent与TransientStructure模块中分别抑制固体和流体部分并将支架以固定约束的形式代替。通过表1数据建立EngineeringData后，设置其时间步数为12 0 0 步，时间步长为0.0 1s，在6 s时刻停泵，计算12 s的管系水锤情况，并监测wall-fsi界面的水锤压力，通过监测数据其水锤压力最值为-2.40 510 7 Pa，出现在6.0 1s时刻。2.3考虑管道支架整体性的双向流固耦合管系水锤仿真考虑支架的影响，将固定支撑施加在支架管托地面上，如图4所示。设置其时间步数为12 0 0 步，时间步长为0.0 1s，在6 s时刻停泵，计算12 s的管系水锤情况，可得其wall-fsi界面的水锤压力随时间变化情况，并通过监测数据可得其水锤压力最值为-2.2 6 3107Pa，出现在6.0 1s时刻。3不同计算形式结果对比分析通过计算结果可知，监测界面的水锤压力变化主要集中在停泵（6 s时刻）前后的1s时间范围（5.9 16.10s），将该时间段的结果进行整理，如表2 所示，51015Times/s20108 图4考虑管道支架整体性耦合仿真TransientStructureFig.4 Calculation model of transient structure module consideringintegratedcoupling of pipe support其结果如图5所示。通过表2、图5可得，在Fluent单独计算、不考虑支架影响的流固耦合计算以及考虑支架影响的流固耦合计算，不考虑支架影响（将支架简化为约束）的计算结果与采用单独Fluent计算的结果差异性很小，但当考虑支架影响时，监测界面水锤压力有所下降。如图6，在Fluent单独计算、不考虑支架影响的流固耦合计算以及考虑支架影响的流固耦合计算时，其监测界面的最大水锤压力分别为-2.40 9107Pa、-2.40 510 7 P a、-2.2 6 310 7 P a。在考虑支架影响的流固耦合计算时，最大水锤压力相较于Fluent单独计算，其水锤压力减小了6.0 6%。为进一步了解其水锤压力结果差异的原因，对表2停泵前后0.1 s时间段监测界面wall-fsi 的压力进一步探究，结合停泵前后0.1s时刻和停泵时刻的压力云图（见图7），可发现在停泵前后的0.1s时刻内，管系的压力变化请况是非常明显的，在停泵之后，管系内的压力迅速由正压变成负压，且最大压力出现在停泵处和wall-fsi监测界面。而后，管道内压力逐渐稳定，水锤效应消失。另外，通过压力云图可知，管系内的水压沿乙轴基本对称，这也表明了简化的计算模型计算的可行性；对3种不同计算方式下的计算结果整体观察可发现，在Fluent单独计算、不考虑支架影响的流固耦合计算的各个时间点应力大小是相似的，而在考虑支架影响的计算形式中在停泵（发生水锤效应）前的应力情况与前2 种计算形式是相似的，但在水锤产生后应力大小与前2 种计算形式差异较大。这也表明，管道本身与管道内部流体的相互作用对水锤大小的影响很小，而管道支架是一个相对而言较大的影响因素。对于考虑支架影响的流固耦合情况下计算形式，舰船科学技术表2 不同计算方式下监测界面水锤压力数据表固定支撑1Tab.2Water hammer pressure data of monitoring interface underB:瞬态结构固定支撑时间：12 s2022/10/513:50固定支撑固定支撑401.75模块计算模型第45卷differentcalculation methods监测界面（wall-fsi）水锤压力大小/Pa与停泵节点固定支撑2时间间隔Fluent单独计算-0.10295883.5Z-0.09-0.08-0.07一固定支撑3-0.063.57.0/m5.25流固耦合（不考虑支架）295 734.4295 864.9295756.0295845.8295 773.2295 828.8295 787.5295 809.6295 801.2-0.05295 798.5-0.04295 780.10.03295 764.10.02295741.5-0.01295735.20.00295 707.40.012.4091070.02-724909.60.03-138547.40.04-28 462.80.05-3 634.40.062.669.00.074588.40.085351.50.095671.60.105818.5-Fluent calculated separatelyFluid structure coupling(without support)Fluid structure coupling(considering support)0-5000.00010000.000-15 000.00020.000000250000000.100.0500.050.10Distance to pump stop time图5不同计算方式下监测界面水锤压力数据图Fig.5 Water hammer pressure data of monitoring interface underdifferent calculation methods在Transient Structure模块中观察其管道支架的变形情况，如图8 所示。垂向布置的2 个管道支架（支架1和支架2）基本无变形产生，而位于水锤发生界面附近所布置的管道支架（支架3和支架4）发生了较大变流固耦合(考虑支架）295 736.3295754.4295772.8295 790.0295800.0295825.8295822.8295 844.2295 843.1295858.6295 861.6295881.0295879.6295906.5295907.1295927.5295929.62.4051072.263107761 497.1-736510.3-173 831.9-176201.639200.942136.6-6965.7-9003.81690.893.94401.42.957.85428.14037.95858.94511.86021.64838.2第45卷Fluid structure coupling(considering support)05000000-1000000015000000-2000000025.000000图6 不同计算方式下管系最大水锤压力值图Fig.6 Maximum water hammer pressure of pipeline system underdifferent calculation methods5.090李秀，等：基于FPSO压载水系统管路支架整体水锤效应分析Fluentcalculated separatelyFluid structure coupling(without considering the support)109.及考虑支架影响的流固耦合计算等计算形式，对特定工况下监测界面（wall-fsi）和管道水压力进行了计算仿真。通过计算分析，可得出以下结论：在Fluent单独计算形式和不考虑支架影响的流固耦合计算形式下，管系的监测界面（wall-fsi）的水锤压力以及管系在停泵前后0.1s的管系水压力大小差异不大；而考虑支架影响的流固耦合计算的计算形式表明监测界面的水锤压力大小有所下降，相较于Flu-ent单独计算，其水锤压力减小了6.0 6%，表明支架对2.263E7-2.409E7-2.405E7Maximumwater hammerpressure管系水锤压力具有消减作用。通过对考虑支架影响的流固耦合计算时，支架变形情况进行研究，可发现位于水锤发生界面附近所布置的管道支架（支架3和支架4）发生了较大的变形。其最大变形为0.0 47 2 m，表明支架对管系水锤压力具有消减作用主要是由于在水锤产生时，支架产生变形，缓解了管系的水锤压力。Wuo-BiPaeo.1sbefore pumpstop图7 考虑支架影响的流固耦合计算时管道水压力图Fig.7 Water pressure diagram of pipeline during fluid structurecoupling calculation considering support influenceBracket 2Z0.03600.0262070.031400.020966Bracket3 and 40.0104030.0157240.0052415oMin图8 水锤效应发生时管系中各支架变形情况图Fig.8Deformation of supports in pipe system whenwater hammer effect occurs形，且最大变形发生在管道支架的管卡处，其中最大变形量达到了0.0 47 2 m。表明，在发生水锤时，支架发生一定的变形量，有一定缓冲作用，会消减水锤效应产生时水锤压力的大小，从而对管系水锤情况产生影响。4结语本文基于某通用型FPSO压载水管段参数，设计了一种易于计算的简化管系水锤压力计算模型，通过Fluent单独计算、不考虑支架影响的流固耦合计算以Wall-fiiPationot pipeliuPump stoptimeWid-6iiLPalBracket 1B:Tranikent StructuralTypeTotal DedermationTotalDeformationUntm202/10/11626Time601#.047173M0.041932LhmofXz.moctie ef pipeline0.1s afterpump stop参考文献：1 LI Y,HU X,ZHOU F,et al.A new comprehensive filteringmodel for pump shut-in water hammer pressure wave signalsduring hydraulic fracturingJ.Joumal of Petroleum ScionceandEngineering,2021:109796.2 MIAO Y,QIU Z,ZHANG X,et al.Effects of a water hammerand cavitation on vibration transients in a reservoir-pipe-valvesystemJ.Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej iStosowanej(PTMTS),2021,59(4).611-622.3 XI B,WANG C,XI W,et al.Experimental investigation on thewater hammer characteristic of stalling fluid in eccentric cas-ing-tubing annulusJ.Energy,2022,253:1-13.4 MICHA,KUBRAK,APOLONIUSZ,et al.Water hammerphenomenon in pipeline with inserted flexible tubeJ.Journalof Hydraulic Engineering,2020,146(2):1-11.【5张巧玲，黄铋匀，杨振东，等.基于特征线法的含气输水管道水锤特性分析 J.农业工程学报，2 0 2 2,38(5)：7 9-8 6.【6 郭强，周建旭，黄亚，等。考虑流固耦合的厚壁输水管水锤和振动特性分析 .农业工程学报,2 0 2 0,36(2 1):137-144.【7】王祺武,李志鹏，朱慈东,等.重力流输水管路阀门调节与水锤控制分析 .流体机械，2 0 2 0,48(6)：38-43+50.8 GROUP L W.Pipeline pressureJ.LPG World,2011(21):17.9陈旭云,张健，俞晓东，等.考虑爆管工况的长距离供水工程水锤防护研究 .人民黄河,2 0 2 1,43(7):145-148+159.10孙哲豪，吴旭敏，陈丽芬，等.高扬程小流量加压供水工程水锤防护设计研究 J.灌溉排水学报，2 0 2 0,39(S2):66-71+75.11】陈亚飞，顾卫国,王德忠,等.球型调节阀关阀水锤效应的试验研究与数值计算 .排灌机械工程学报，2 0 2 1,39(10):1027-1032.12王学芳.工业管道中的水锤 M.北京：科学出版社，1995.13 林杨豪杰.通用型FPSO关键管网系统水锤分析及优化防护研究 D.镇江：江苏科技大学.