天然气管道跨越结构清管动力响应实验及理论研究

开展天然气管道跨越结构在清管过程中的动力响应实验及理论研究，分析跨越结构在清管时的振动频率、振幅和应力变化规律，以确定管道跨越结构在清管过程中的临界荷载状态，保障管道跨越结构的安全运行。采用相似原理，通过室内实验研究清管器、液弹与跨越结构的相互作用及清管荷载变化规律。以斜拉索和悬索两种典型高次超静定、高柔性的跨越结构为研究对象，考虑清管过程中的荷载分布、结构变形与受力之间的协调性，基于多相流理论和结构振动分析理论，建立描述其在清管过程中的动力响应数学模型，采用非线性有限元方法求解模型。以补偿器为立式的四川涪江斜拉索管道跨越结构和补偿器为卧式的南广河管道跨越结构为例，进行静态和动态实验，采用环境随机激励法测量跨越结构的自振频率、振幅、阻尼比及钢丝绳内力；针对不同的水量和清管速度，在清管过程中测量1/2跨、1/4跨、1/8跨、塔架及补偿器处的位移和钢丝绳内力，以检验、完善理论和方法的正确性。

针对天然气管道跨越结构在清管过程中的大变形和振动问题，以悬索和斜拉索管道跨越结构为对象，采用实验、理论和数值模拟相结合的方法，研究了跨越结构清管动力响应机理，建立并求解了液固耦合清管动力响应模型，提出了跨越结构清管过程安全评价方法，验证了理论方法的准确性。（1）基于相似原理，以怒江悬索跨越结构和南广河斜拉索跨越结构为原型，搭建了室内实验平台，测试了42组工况下的清管动力响应行为，揭示了清管载荷与跨越结构动力响应的耦合作用机理，发现了跨越结构在清管过程中的位移、加速度的振动频率和振幅特征，得到了管道变形位移与管道长度、管径和清管参数之间的关系，为建立和求解清管动力响应模型奠定了基础。（2）针对清管过程中管道位移不断变化且与清管载荷相互耦合的特点，基于管道变形曲线方程、清管器和液弹流动的质量守恒、动量守恒方程，建立了管道动态变形条件下的清管载荷分布模型，为确定清管动力响应模型的加载条件提供了依据。（3）根据动力响应微分方程，建立了跨越结构受力分析模型；以管道位移为耦合参数，实现了清管载荷模型和受力分析模型的耦合，建立了跨越结构液固耦合动力响应模型；（4）针对模型的高次超静定、高度非线性特点，研究了以管道位移为迭代变量，基于弱耦合原理和预测-校正法的求解方法，以及该方法在有限元软件中的实现途径。（5）基于上述方法，分析了怒江、澜沧江悬索跨越结构和南广河斜拉索跨越结构的最大清管位移，悬索和斜拉索跨越结构模拟值与实验值之间的最大相对偏差为分别为2.4%和7.0%；以涪江和南广河跨越结构为对象，开展了4种工况下的清管动力响应现场测试，静态拉索力的模拟值和实验值的最大相对偏差为7.32%，最小值为1.34%，清管位移的最大相对偏差为5.32%，验证了理论方法的准确性；模拟结果表明，部分工况下怒江和澜沧江跨越结构的管道和桁架会发生应力超限，但最大应力小于材料的屈服强度；南广河跨越结构中管道和缆索的最大位移达到1.488m，管道的应力超过了许用应力和管材的屈服强度;清管过程中跨越结构不会发生共振。成果揭示了天然气管道跨越结构在清管过程中的位移、应力、振动特征，完善了清管气液两相流与跨越结构间的液固耦合分析理论和方法，解决了如何准确描述跨越结构在清管过程中动力响应行为的问题，为天然气管道跨越结构安全清管方案的制定提供了理论和技术支撑，也为相关标准、规范的改进和完善提供了依据。