压裂高压管汇的振动控制技术研究

摘要

压裂高压管汇在作业过程中，由于受到高压流体脉动和泵体所传递振动的共同作用易产生较大的振动，严重时会造成管汇及其支撑基础的损坏。随着大排量、高压力压裂作业装备的逐渐推广，压裂高压管汇的振动控制要求进一步提高。本文结合具体的工程实践，对压裂高压管汇进行了振动机理及振动控制研究。 首先，深入研究了管汇流致振动的基本机理。采用合理的近似模型技术建立了高压管汇的数学模型，利用流体力学和流固耦合动力学的相关理论知识得出了高压管汇的运动微分方程，并阐明了流固耦合数值求解的理论基础。 其次，对陆地压裂高压管汇进行了模态和瞬态响应分析。通过模态分析得出了其约束湿模态的各阶固有频率及振型；瞬态响应分析结果表明，支管振动主要是由高压泵体传递的振动引起，而并泵管振动是高压流体脉动和泵体所传递振动的共同作用结果。 再者，通过合理的试验方案对陆地压裂高压管汇进行了振动试验测试。对试验数据进行了时域和频域处理，其数据与仿真模拟响应结果的相对误差小于20%，充分证明了仿真模拟方法的准确性。 最后，对海上压裂高压管汇进行了模态和瞬态响应分析。采用与陆地压裂高压管汇相同的仿真方法，对海上压裂高压管汇进行仿真模拟，得出其低阶约束湿模态频率分布在20~41Hz范围内；通过对比管汇添加隔振器前后的瞬态响应分析结果，证明了合理添加隔振器的减振策略对振动抑制的有效性。此外，还编写了“海上压裂高压管汇减振系统”软件，对海上压裂作业高压管汇减振系统的构建进行辅助设计。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究背景

1.1.3 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 管道振动的数理模型

1.2.2 压力脉动诱发管道振动

1.2.3 支承连接设备传递的振动

1.2.4 管道振动控制技术

1.2.5 压裂作业管道振动的研究现状

1.3 论文研究内容及结构框架

1.3.1 论文研究内容

1.3.2 论文组织结构

第二章 高压管汇振动数学模型

2.1 高压管道模型

2.2 流体单元动力学分析

2.3 管道单元动力学分析

2.4 管道运动微分方程

2.5 管道振动的数值解法

2.5.1 流固耦合结合面需满足的条件

2.5.2 流固耦合求解的有限元方程

2.5.3 管道振动耦合求解的收敛标准

2.6 本章小结

第三章 陆地压裂高压管汇振动响应仿真模拟

3.1 高压管汇结构组成

3.2 高压流体相关参数的确立

3.2.1 压裂液物理参数

3.2.2 高压作业泵排出压力与流速计算

3.2.3 高压管汇作业参数监测

3.2.4 计算与测试参数对比

3.3 模态分析

3.3.1 模态分析步骤

3.3.2 自由模态仿真结果

3.3.3 约束模态仿真结果

3.4 瞬态响应分析

3.4.1 确定求解控制参数

3.4.2 定义边界条件

3.4.3 仿真结果分析

3.5 本章小结

第四章 陆地压裂高压管汇振动响应试验测试

4.1 试验测试条件

4.2 数据处理方法

4.2.1 消除多项式趋势项

4.2.2 平滑处理

4.2.3 频域滤波

4.2.4 二次积分

4.3 振动响应结果的时域分析

4.3.1 钢丝绳减振器约束下的振动响应测试

4.3.2 固定约束下的振动响应测试

4.3.3 两种约束下的响应结果对比分析

4.4 固定约束下振动响应结果的频域分析

4.4.1 主要测点频域响应分析

4.4.2 管汇整体频域响应分析

4.4.3 试验与仿真结果对比

4.5 本章小结

第五章 海上压裂高压管汇的振动控制

5.1 模型建立

5.2 模态分析

5.2.1 约束位置的确立

5.2.2 仿真结果

5.3 固定约束下的振动响应分析

5.3.1 施加载荷

5.3.2 响应结果

5.4 添加隔振器的振动响应分析

5.4.1 隔振原理

5.4.2 隔振器参数的确定

5.4.3 响应结果

5.5 压裂高压管汇减振系统辅助设计软件

5.5.1 软件概述

5.5.2 功能介绍

5.6 本章小结

全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢