柱塞流和水锤荷载的应力模拟方法

　　0 引言

　　对于水利和石油化工等行业， 柱塞流、 水锤等偶然荷载的影响广泛存在， 它以冲击荷载方式作用于管系， 对其造成很大危害， 为确保系统的安全和稳定运转， 必须进行合理的管道布置和支架设计，并应用专业软件进行严格应力校核[1]。目前，详细研究和阐述柱塞流和水锤荷载分析处理方法的文献尚不多见， 因此本文应用管道应力分析软件CAESARⅡ， 结合PYRENEES FPSO 项目上部模块的管道应力分析实例， 详细介绍了柱塞流和水锤荷载在应力分析中的模拟方法，以供参考。该FPSO位于澳大利亚西北海域，水深200 m， 共包括10个油气水处理上部模块，设计寿命25 年。

　　1 理论介绍

　　1.1 柱塞流和水锤的产生及破坏

　　柱塞流是两相流体高速传输过程中经常发生的流型， 即气体和液体交替流动， 充满整个管道流通面积的液塞被气团分割， 在管道出口处交替出现断流、 大液塞以及强烈的气体脉动， 使油气混输管道和下游设备承受间歇性应力冲击， 同时， 柱塞流所造成的冲击力会恶化管道中各部件的工作条件， 因此要充分考虑柱塞流对管道的破坏作用[2-3]。

　　水锤是指水在压力管道中流动时， 当遇到阀门突然关闭 (或开启)， 水泵突然停机 (或启动) 时，水的流速发生急剧变化， 从而引起管道中流动的液体压力发生反复的、 急剧的周期性变化。 此时压力会有一个急剧的升高， 其数值将大大超过正常工作压力， 并伴随着管壁的扩张和收缩， 产生强烈的振动和噪音， 有如管道受到锤击[4]。

　　水锤发生时， 会产生一个很大的压力跃升， 使管壁材料、 管道上的设备及附件承受很大的压力，可导致严重的变形以致破坏。 同时， 高频交变荷载作用在管壁上， 加之强烈的振动和流体的冲击， 严重危及到管道系统和有关设备的安全运行， 特别是在大流量、 高流速的长管中以及输送水温高、 流量大的水泵中更为突出。 因此， 在进行管道应力计算时要充分考虑可能产生的水锤力， 这对保障管道系统的安全运行具有重要意义。

　　1.2 柱塞流冲击力和水锤力的计算

　　1.2.1 柱塞流冲击力

　　柱塞流荷载作用于管道的形式如图 1 所示， 通常管道中流体改变方向时， 在弯头处流体动量会发生变化， 对弯头产生作用力， 作用力的大小等于给定时间内动量的变化， 见式(1)。

　　式中F_R———流体对弯头的作用力/N;

　　P———动量/N·s;

　　t———时间/s;

　　ρ———流体密度/(kg/m³);