tumnigИзвестия высших учебных заведений. Нефть и газOil and Gas Studies0445-01083033-8174Industrial University of Tyumen10.31660/0445-0108-2025-1-100-112tumnig-1294Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ, СООРУЖЕНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ СИСТЕМ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТАDESIGNING, CONSTRUCTION AND OPERATION OF PIPELINE TRANSPORT SYSTEMОценка влияния параметров многофазной жидкости на собственные частоты колебаний надземных промысловых трубопроводовEvaluation of the influence of multiphase fluid parameters on the natural frequencies of above-ground field pipelinesЧеренцовД. А.CherentsovD. A.

Черенцов Дмитрий Андреевич, кандидат технический наук, доцент кафедры транспорта углеводородных ресурсов

Тюмень

Dmitry A. Cherentsov, Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of Transportation of Hydrocarbon Resources

 

ПироговС. П.PirogovS. P.

Пирогов Сергей Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры прикладной механики

Тюмень

Sergey P. Pirogov, Doctor of Engineering, Professor at the Department of Applied Mechanics

 

pirogovsp@tyuiu.ruТюменский индустриальный университетРоссияIndustrial University of TyumenRussian FederationТюменский индустриальный университет; Государственный аграрный университет Северного ЗауральяРоссияIndustrial University of Tyumen; State Agrarian University of the Northern Trans-UralsRussian Federation20252402202501100112Copyright © Черенцов Д.А., Пирогов С.П., 20252025Черенцов Д.А., Пирогов С.П.Cherentsov D.A., Pirogov S.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tumnig.tyuiu.ru/jour/article/view/1294

Наиболее распространенным способом строительства промысловых трубопроводов на вечной мерзлоте является надземная прокладка на опорах. Величина пролета между опорами должна определяться с учетом условия отстройки от резонансных частот при вихревом возбуждении от ветровой нагрузки. Определению собственных частот посвящено большое количество исследований, однако влияние многофазной жидкости не рассматривалось.

Цель работы — определение влияния параметров многофазной жидкости на собственные частоты колебаний надземных промысловых трубопроводов.

В качестве ведущего метода используется решение дифференциального уравнения математической модели поперечных деформаций стержня при воздействии продольных усилий.

Результаты исследования показали, что изменение собственных частот при изменении параметров транспортируемой многофазной жидкости не выходит за границы значений частот, учитывающих перекачиваемую жидкость как дополнительную массу без учета давления и с учетом максимально допустимого давления, на которое был рассчитан трубопровод. Также изменение обводненности и газового фактора влияет на плотность общего потока и, как следствие, изменяется масса перекачиваемой жидкости, которая по сравнению с внутренним давлением оказывает большее воздействие.

Практическая значимость работы заключается в необходимости правильного расчета частот колебаний для определения оптимальной расстановки опор наземных трубопроводов.

The most common method for constructing field pipelines on permafrost  is above-ground installation on supports. The span between these supports must be determined  to avoid resonance frequencies caused by vortex excitation from wind loads. While many studies have aimed to determine natural frequencies, the impact of multiphase fluids has not been thoroughly explored.

The purpose of the study is to determine how the parameters of multiphase fluids influence the natural frequencies of oscillations in above-ground field pipelines.

As a leading method, we use solution of the differential equation of the mathematical model of transverse deformations of a rod under the influence of longitudinal forces.

The study found that changes in natural frequencies resulting from changes in the parameters of the transported multiphase fluid remain within a manageable range. This assessment considers the fluid solely as an additional mass, both under no pressure conditions and at the maximum allowable pressure for which the pipeline was designed. Additionally, changes in water cut and gas factor affect the density of the overall flow, which, in turn, alters the mass of the transported fluid. This change in mass has a greater influence on natural frequencies than internal pressure.

It is demonstrated that, when determining the placement of supports for above-ground field pipelines, it is essential to use the natural frequencies that account for the additional mass, considering both no-pressure and maximum-allowable-pressure conditions.

частоты свободных колебанийсобственные частотынадземный трубопроводмногофазная жидкостьматематическая модельчисленные методычисленные экспериментыfrequencies of free vibrationsnatural frequenciesabove-ground pipelinemultiphase fluidmathematical modelnumerical methodsnumerical experimentsReferencesСА 03-003-07. Расчеты на прочность и вибрацию стальных технологических трубопроводов : нормативные документы межотраслевого применения по вопросам промышленной безопасности и охраны недр : дата введения 2006-1127 / Российская ассоциация экспертных организаций техногенных объектов повышенной опасности. – Изд. официальное. – Москва : Стандартинформ, 2007. – 72 с. – Текст : непосредственный.SA 03-003-07. Raschety na prochnost' i vibratsiyu stal'nykh tekhnologicheskikh truboprovodov: normativnye dokumenty mezhotraslevogo primeneniya po voprosam promyshlennoy bezopasnosti i okhrany nedr (2007). Mosсow, Standartinform Publ., 72 p. (In Russian).СТАРТ-ПРОФ (версия R 4.87). – Текст : электронный // НТП Трубопровод : сайт. – URL: https://www.truboprovod.ru/software/startSTART-PROF (versiya R 4.87). (In Russian). Available at: https://www.truboprovod.ru/software/startЧеренцов, Д. А. Определение частот свободных колебаний надземных участков трубопроводов, транспортирующих несжимаемую жидкость / Д. А. Черенцов, С. П. Пирогов. – DOI 10.31660/0445-0108-2023-3-84-94. – Текст : непосредственный // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. – 2023. – № 3 (159). – С. 84–94.Cherentsov, D. A., & Pirogov, S. P. (2023). Determination of the natural frequencies of the above-ground sections of pipelines transporting an incompressible fluid. Oil and Gas Studies, (3), pp. 84-94. (In Russian). DOI: 10.31660/0445-0108-2023-3-84-94Феодосьев, В. И. О колебаниях и устойчивости трубы при протекании через нее жидкости / В. И. Феодосьев. – Текст : непосредственный // Инженерный сборник. – Москва : Изд-во АН СССР. – 1951. – Т.10 – С. 169–170.Feodos'ev, V. I. (1951). O kolebaniyakh i ustoychivosti truby pri protekanii cherez nee zhidkosti. Inzhenernyy sbornik. Tom 10. Moscow, AN SSSR Publ., pp. 169-170. (In Russian).Ефимов, А. А. Свободные колебания подводных нефтепроводов / А. А. Ефимов. – Текст : непосредственный // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. – 2008. – № 1 (67). – С. 49–55.Efimov, A. A. (2008). Svobodnye kolebaniya podvodnykh nefteprovodov. Oil and Gas Studies, (1(67)), pp. 49-55. (In Russian).Ильин, В. П. Исследование свободных колебаний кривой трубы с потоком жидкости / В. П. Ильин, В. Г. Соколов. – Текст : непосредственный // Успехи строительной механики и теории сооружений : сборник научных статей : к 75-летию со дня рождения В. В. Петрова / Российская академия архитектуры и строительных наук, Саратовский государственный технический университет. – Саратов : СГТУ, 2010. – С. 88–93.Il'in, V. P., & Sokolov, V. G. (2010). Issledovanie svobodnykh kolebaniy krivoy truby s potokom zhidkosti. Uspekhi stroitel'noy mekhaniki i teorii sooruzheniy: sbornik nauchnykh statey: k 75-letiyu so dnya rozhdeniya V. V. Petrova. Saratov, Saratov State Technical University Publ., pp. 88-93. (In Russian).Соколов, В. Г. Уравнения движения криволинейного участка трубопровода с потоком жидкости / В. Г. Соколов, А. В. Березнев // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. – Текст : непосредственный. – 2004. – № 6. – С. 76–80.Sokolov, V. G., & Bereznev, A. V. (2004). Uravneniya dvizheniya krivolineynogo uchastka truboprovoda s potokom zhidkosti. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Neft' i gaz, (6), pp. 76-80. (In Russian).Соколов, В. Г. Решение задачи о свободных колебаниях криволинейных участков трубопроводов с протекающей жидкостью / В. Г. Соколов, А. В. Березнёв. – Текст : непосредственный // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. – 2005. – № 1(49). – С. 80–84.Sokolov, V. G., & Bereznev, A. V. (2005). Reshenie zadachi o svobodnykh kolebaniyakh krivolineynykh uchastkov truboprovodov s protekayushchey zhidkost'yu. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Neft' i gaz, (1(49)), pp. 80-84. (In Russian).Зарипов, Д. М. Нелинейные колебания трубопровода под действием внутреннего ударного давления жидкости / Д. М. Зарипов. – Текст : непосредственный // Труды Института механики Уфимского научного центра РАН. – Уфа : Гилем, 2016. – Вып. 11. – С. 136–140.Zaripov, D. M. (2016). Nelineynye kolebaniya truboprovoda pod deystviem vnutrennego udarnogo davleniya zhidkosti. Trudy Instituta mekhaniki Ufimskogo nauchnogo tsentra RAN. Vyp. 11. Ufa, Gilem Publ., pp. 136-140. (In Russian).Миронов, М. А. Вынужденные изгибные колебания трубы с потоком жидкости / М. А. Миронов, П. А. Пятаков, А. А. Андреев. – Текст : непосредственный // Акустический журнал. – 2010. – Т. 56, № 5. – С. 684–692.Mironov, M. A., Pyatakov, P. A., & Andreev, A. A. (2010). Forced flexural vibrations of a pipe with a liquid flow. Acoustical Physics, 56(5), pp. 739-747. (In English).Шакирьянов, М. М. Пространственные хаотические колебания трубопровода в сплошной среде под действием переменного внутреннего давления / М. М. Шакирьянов. – Текст : непосредственный // Известия Уфимского научного центра РАН. – 2016. – № 4. – С. 35–47.Shakiryanov, M. M. (2016). Spatial chaotic vibrations of a pipeline in the continuous medium under the impact of alternating internal pressure. Izvestiya Ufimskogo nauchnogo tsentra RAN, (4), рр. 35-47. (In Russian).Пространственные непериодические колебания трубопровода под действием переменного внутреннего давления / Р. Ф. Ганиев, М. А. Ильгамов, А. Г. Хакимов, М. М. Шакирьянов. – Текст : непосредственный // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2017. – № 2. – С. 3–12.Ganiev, R. F., Il’gamov, M. A., Khakimov, A. G., & Shakiryanov, M. M. (2017). Spatial aperiodic vibrations of the pipelines under transient internal pressure. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 46(2), pp. 87-95. (In English).Черенцов, Д. А. Mатематическая модель манометрической пружины в вязкой среде / Д. А. Черенцов, С. П. Пирогов, С. М. Дорофеев. – Текст : непосредственный // Вестник Тюменского государственного университета. Физикоматематическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. – 2014. – № 7. – С. 234–241.Cherentsov, D. A., Pirogov, S. P., & Dorofeyev, S. M. (2014). Mathematical model of manometric spring in a viscous medium. Tyumen State University Herald. Physical and Mathematical Modeling. Oil, Gas, Energy, (7), pp. 234-241. (In Russian).Чуба, А. Ю. Определение собственных частот колебаний изогнутых труб некругового поперечного сечения / А. Ю. Чуба, Н. И. Смолин, С. П. Пирогов. – Текст : непосредственный // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. – 2007. – № 1 (61). – С. 77–82.Chuba, A. Yu., Smolin, N. I., & Pirogov, S. P. (2007). Opredelenie sobstvennykh chastot kolebaniy izognutykh trub nekrugovogo poperechnogo secheniya. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Neft' i gaz, (1(61)), pp. 77-82. (In Russian).Пирогов, С. П. Уравнения математической физики в задачах трубопроводного транспорта нефти и газа : учебное пособие / С. П. Пирогов, Д. А. Черенцов, К. С. Воронин ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Тюменский индустриальный университет. – Тюмень : ТИУ, 2019. – 96 с. – Текст : непосредственный.Pirogov, S. P., Cherentsov, D. A., & Voronin, K. S. (2019). Uravneniya matematicheskoy fiziki v zadachakh truboprovodnogo transporta nefti i gaza. Tyumen, Industrial University of Tyumen Publ., 96 p. (In Russian).Брилл, Дж. П. Многофазный поток в скважинах / Дж. П. Брилл, Х. Мукерджи ; перевод с английского Ю. В. Русских ; под редакцией М. Н. Кравченко. – Ижевск : Институт компьютерных исследований, 2006. – 384 с. – (Библиотека нефтяного инжиниринга). – Перевод изд.: Multiphase flow in wells / James P. Brill, Hemanta Mukherjee. Richardson, 1999. – Текст : непосредственный.Brill, J. P., Mukherjee, H. (1999). Multiphase flow in wells. Richardson, 384 p. (In English).Рабинович, Е. З. Гидравлика : учебник / Е. З. Рабинович. – Москва : Недра. – 1974. – 296 с. – Текст : непосредственный.Rabinovich, E. Z. (1974). Gidravlika. Moscow, Nedra Publ., 296 p. (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.