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1、气液两相流管道振动测试分析曹建强;郝点;秦金【摘 要】对大型多相流实验管道进行了振动测试和分析,用双通道数据采集器对单 相气和两相流进行了频谱测试.通过频谱分析,分析了管内为单相气和气液两相流时 振动频谱信号的异同,发现在单相气中加入液相后,振动频谱频带范围明显变宽,振动 能量值变大.期刊名称】石油和化工设备年(卷),期】2010(013)012【总页数】4页（P49-51,48）关键词】 气液两相流;管道;频谱分析;测试【作 者】 曹建强;郝点;秦金【作者单位】 中国石油大学（华东）机电工程学院,山东东营 257061;中国石油大学（华东）机电工程学院,山东东营 257061;中国石油大学（
2、华东）机电工程学院,山东东营257061正文语种】 中 文气液两相混合物在管道中的流动是石油化工装置中常见的流体流动过程之一，具有与单相流动所不同的许多复杂因素。气液两相流体在管道中输送时流动形态复杂多变，各不完全相同，可形成多种流型，各处的密度不完全相同，在流体流动速度和流动方向发生变化时会引起管道系统的剧烈振动。为搞清振动的原因，以便采取措 施减轻管线的振动，应当对管线内的流体振源进行分析。1 管道中流体的流型划分和振动原因1.1 流体的流型划分气液混合物在水平管道中流动时，曼德汉流型图（图 1）将其区分成 6 种不同的流型：泡状流、段塞流（块状流）、层状流、波状流、段塞流（塞状流）和环雾
3、状流。图1 曼德汉水平管流型判别图1.2 气液两相流管道振动原因对于气液两相流管道，管道系统振动的成因十分复杂。一般来说，主要的诱因可能 来自系统中设备的外部动力，也可能是管道输送的气液两相流动产生的复杂作用力。同时，管外的随机载荷作用也可能引起管道的振动，但这种振动大多时间短暂并很 快消失，故一般不予考虑。具体分析两相流管线振动原因，需从以下三个方面考虑：（1）两相流体脉动变化；（2）两相流管道内部流体的流动状况；（3）管道系统 的机械动力不平衡。2 测试参数及方案测试对象：某大型多相流实验环道。测试仪器：测试采用PL302双通道数据采集器/频谱分析仪和恩泰克PM（Predictive Ma
4、intenance）基本状态监测软件，传感器采用加速度传感器。测试参数：振动速度有效值，pm/s ;振动加速度有效值（电压输出），pv;测试方向：管道水平方向和垂直方向。测试工况：水平管道系统分两种方案进行测试。一种是测试水平管道内只有气体时的振动信号，另一种是测试水平管道内气体和液体以不同量混合时的振动信号。具体的气液流量组合形式如表1所示。测得水平管处的振动响应情况，得到振动速度、加速度频谱。表1水平管测试工况列表工况气量（Nm3/h ）液量（m3/h ）流型1 450 0 2600 04 450 0.6 波状流5 600 0.6波状流3 测试结果及分析3.1 实验中所用流体机械简介此次实
5、验中给气体增压用的压缩机为V-13/12.5型往复压缩机，排气量13m3/min，排气压力12.5x105pa,实际转速525 r/min，双缸作用。往复压缩机转速频率：f1=525/60=8.75Hz脉动主激发频率：fr=n m/60=（525x2）/60=17.5Hz式中：n压缩机转速,r/min ; m激发频率的阶次，单作用缸m = 1 ,双作用缸 m=2。输送液体由单级单吸清水离心泵进行。离心泵的实际转速为2850 r/min，叶片数为5。离心泵转速频率：f2=2850/60=47.5Hz叶轮旋转扰动频率：ft二f2xm1=47.5x5=237.5Hz式中：ml离心泵的叶片数。3.2
6、单相气管道振动频谱分析在进行频谱分析前，首先分析所有可能引起管道振动的因素，有两相流不稳定流动 因素、管道自身的自由振动以及管外的随机载荷作用。由于管外随机载荷作用而引 起的振动大多短暂且很快消失，故一般不予考虑。振动测试获得的典型单相气管道速度频谱图和加速的频谱图如图2、图3、图4、 图5所示。图2 单相气（450）水平速度谱图3 单相气（600）水平速度谱图4 单相气（450）水平加速度谱图5 单相气（600）测点6加速度谱由图2 和图 3 可知，当水平管内为单相气体时，振动的速度谱频率成分简单，振动能量集中，振动谱线多分布在220Hz范围内。单相气流量为450Nm3/h时， 速度频谱的峰
7、值频率为8.75Hz，最大幅值106.211pm/s ；单相气流量为 600Nm3/h时，速度频谱的峰值频率为8.75Hz，最大幅值216.061pm/s。由计 算可知，单相气管道振动典型速度谱的峰值频率恰恰是往复压缩机的转速频率 8.75Hz ，表明单相气管道的振动主要是由压缩机间歇排气产生的气流脉动引起的。从加速度频谱可以看出，频率范围在0 5000Hz，能量谱线大多集中在500 2000Hz范围内。当单相气流量增加时，有能量谱线分布在更高的频率下。 对比能量谱密度值，在单相气流量为 600Nm3/h 时的速度谱能量值为 295.935pm/s,明显高于单相气流量为450Nm3/h时的14
8、6.576pm/s,表明单 相气流量为 600Nm3/h 的管道水平方向的振动更为剧烈。3.3 气液两相流管道振动频谱分析在气量600Nm3/h，液量0.6m3/h的流量下，气液两相流管道振动速度谱和加速度谱如图6和图7液两相流在直管段和弯管段的振动速度谱如图8和图9所示。图 6 水平方向速度谱图 7 水平方向加速度谱图 8 弯管段速度频谱图图 9 直管段速度频谱图从速度谱上看，两相流管道振动速度谱的成分复杂，振动谱线多分布在0 15Hz范围，最大速度幅值112.381pm/s,能量值197.969pm/s,并且出现了4.875Hz、9.8Hz和12.0Hz频谱成分，这是与单相气管道速度谱不同
9、之处。由图7可知，加入液相后管道振动加速度谱的频带范围明显变宽，频率范围0 15000Hz，其峰值频率为 2.50KHZ，振幅为 55.194pv,在 8000 10000Hz 范围 内出现了密集的谱线，在更高的频率下也有能量分布，这是与单相气管道加速度谱 有明显差别的地方。其原因可能是，加入液相后气液两相在相界面相互扰动而引起 的高频振动。当单相气体积流量为600Nm3/h时，振动加速度能量值为83.778pv,当加入 0.6m3/h的液相后，能量值明显增大，变为165.522pv,说明加入液相后，振动 变得更剧烈。3.4 直管段和弯管段的振动频谱分析在气量450Nm3/h，液量0.6m3/
10、h的流量下，气由图8可知，弯管段的振动速度频谱复杂，峰值频率为11.875Hz，对应幅值 154.100pm/s,在2535Hz频率段也有密集谱线分布。原因是流体在流经弯管 时速度的变化率过大，弯管的内壁受到很大的稳态及瞬态的液动力，从而对管道产 生较大的冲击和摩擦而引起管道振动，其激振频率较大。由图9可知，直管段的振动速度频谱成分较少。原因主要是两相流体在流动过程 中沿程有压力损失，所以在直管段的气流压力脉动作用减弱。4 结论（1）管道内介质为单相气和气液两相流时，频谱有明显区别。单相气管道振动加 速度谱的频带范围是0 5000Hz，能量集中在500 2000Hz频率段内，而加入定量的液体之
11、后，频谱频带范围变宽，在0 15000Hz范围内都有能量分布， 在高频处出现了密集谱线；且加入液相后，管道振动的能量值增大，振动更剧烈。（2）在相同的气液体积流量下，弯头处的振动频谱复杂，振动强度要明显强于直 管段。直管段的振动是由管内流体的压力脉动引起的，弯头处的振动主要是由流体 动量矢量改变对管道内壁产生的动态冲击力引起的。参考文献1 姜淑卿译管线中的气液两相流动J国外油田工程，1995 （ 11 ）, 42-46.2 王树立，赵会军弯管中的气液两相流水击现象J.西安石油大学学报（自然 科学版），2005，20（1）：2-4.3 Wylie E B, Streeter V.L.Fluid Transients J.New York:McGraw-Hill, 19784 许超洋气液两相流混输管道振动分析研究D 山东东营：中国石油大学（华 东），2007.林宗虎.管路内气液两相流特性及工程应用M.西安：西安交通大学出版社， 1992.
