振動檢測在海洋平臺完整性管理中的應用

王 喆，周大林

WANG Zhe, ZHOU Da-lin

（海洋石油工程股份有限公司 維修公司，天津 300461）

0 引言

中國的海洋石油平臺有上百座，如何保障這些平臺的安全平穩運行是石油生產的首要問題之一。平臺完整性管理是中海油針對這一問題提出的海洋平臺壽命延長評估的新概念。海洋平臺主要由鋼結構和設備構成，其完整性管理也從這兩方面入手。動態振動檢測是一種新興的檢測方法，其在設備和結構的檢測方面有獨到的優勢。這種檢測方法和其他NDT檢測方法，以及有限元分析的結合，將使得海洋平臺完整性管理得到較為全面的保障。

1 現狀分析

動態振動檢測方法是利用振動分析儀檢測振動信號，并將其轉換為時域和頻域的信號，分析人員根據時域和頻域的信號圖進行計算分析，確定設備或結構的內部狀態。對于發電機、泵等旋轉類設備，動態振動檢測是不拆開設備即可檢測評估的唯一方法，且其評估可信度很高。對于海洋石油平臺，設備的停機拆檢將會導致平臺停產，產生的損失以每天上百萬計，動態振動檢測分析將節省這部分損失；對于海洋平臺靜結構，目前有三類檢測，其主要手段是無損檢測NDT和ACFM檢測，這些檢測有很多弊端，如檢測需要挨個位置檢測效率太低、不可用于水下結構檢測(ACFM可用于水下檢測，但只可檢測表面裂紋)等。動態振動檢測可以整體評估海洋平臺的整體性能，且可以用于水下檢測。

2 應用分析

下面以某海洋石油平臺為例介紹動態振動檢測評估技術在實際施工中的應用。

該平臺是由于投產時間較長，平臺上大型設備振動劇烈，平臺主結構也振動明顯，整個平臺安全性堪憂。整個平臺的整治方法是檢測振動設備，分析其振動原因，解決設備存在的問題，解決設備隱患；平臺結構振動檢測評估，根據振動信號分析各階振動模態，找出振動源以及結構振動幅度，從而評估平臺的整體性能，并根據評估結果對局部結構進行進一步的NDT檢測和維護。

2.1 設備的完整性管理

設備存在裂紋、不同軸等問題會嚴重縮短設備壽命，而設備又不能隨時拆檢，動態振動檢測技術提供了一項非常好的解決手段。其主要作業步驟為：

資料準備收集工作：

設備原始振動譜（最好能有），設備維修史（每臺設備每次頻譜記錄勿丟失），有關工程數據（特征頻率、響應頻率、設備資料），負載參數是否有變化

檢測前隔離震動，減少干擾

傳感器安裝位置:在各個軸承位置成90°布置兩個。

參數設置：

采樣頻率應為信號最大頻率的10倍左右

檢測的動態參數：幅值、頻率、相角、振型

檢測的靜態參數：偏心位置、軸向位置、偏心度、差脹、機殼膨脹、對中

其他需記錄的參數：轉速、溫度

提高作譜質量的幾個方法：

1）檢測結果噪聲太大可考慮用周期性脈沖信號與之同步

2）概率密度函數、自相關函數、互相關函數可使周期性成分更明顯

3）參數選擇時應注意避免混淆、泄露、柵欄效應

4）異常點的去處、中心化處理、消除趨勢項

5）減小帶寬（但會使得相應時間增大）

6）如果想分析某一頻率的信號，可使得截取信號長度是該頻率信號周期的整數倍。

詳細分析依據：

以軸不平衡、不重合舉例說明由信號圖分析設備故障遵循的規律

軸不平衡（通常產生較高的諧波就應該是不平衡）出現的信號圖：

1）以轉速為頻率的正弦振動曲線

2）隨轉速的變化振幅變大

軸不重合出現的信號圖：

存在一個大的二次諧波成分和較高的軸向振平（特點）（一般在中頻）

維修：

判斷是否維修應根據國際公布的振動判斷標準（P191）P223P224和以前的振動測量數據

振動增加并超出2個以上的標準偏差，就認為是一個故障征兆。（振動級達到6～10分貝）維修后：

重新記錄頻譜并存檔，做好設備趨向記錄卡

2.2 平臺結構的完整性管理

查找平臺主結構的結構圖紙及其三維圖。

根據圖紙，對檢測工況、檢測參數設置、傳感器布置位置、檢測點數量等施工技術步驟進一步確認。

海上施工，根據平臺結構的特點，對主要采集位置（震動明顯區域和承重構件）進行動態振動信號的采集。掌握平臺可檢測區域的振動情況。

其中布點位置的選取的參考方法是：選擇主梁的交接點、對平臺主結構進行ANSYS有限元模態分析，找出振幅較大的中心點。

記錄平臺主結構振動信號的時域、頻域數據。

在風浪較大時和風浪較小時進行兩種工況的信號采集。（平臺上各設備正常運行）

提交采集到的信號數據進行分析。

確定平臺的振動幅值是否在規范接受的范圍內；

確定主要振動頻率，找出振動源；

根據分析結果對局部結構進行NDT檢測或ACFM檢測；

將平臺振動的數據與根據原設計資料建模的有限元分析數據進行比較，分析評估確定平臺的結構狀態。

由于平臺每一層甲板都焊接在立柱上，因此可單獨對每一層甲板進行建模分析，對立柱與甲板的連接處用全約束固定，以模擬實際情況。下面以平臺的某一層甲板為例，進行說明。該甲板是一層8米*6米的甲板，其圖紙如圖1所示。

圖1 甲板結構示意圖（俯視圖）

ANSYS建模主要參數：建模過程梁選用BEAM188單元，鋼板選用SHELL63單元；對立柱位置進行全約束；分析選用模態分析，分析階數為前5階（由于鋼結構一般體積重量很大，所以較低的階數即可反應結構的主要狀態）

經計算后，列出固有頻率如下，可以看出大型結構的固有頻率一般較低。該結構的固有頻率為1.1908HZ，二階固有頻率為1.2314HZ。

圖2 固有頻率匯總

圖3是該層甲板的一階振型，可以看出該平臺結構的固有頻率為1.191HZ，振幅較大的地方容易出現在邊緣。

圖3 平臺某層甲板的一階振型

3 結論

海洋平臺完整性管理是近年來中國海洋石油產業提出的新理論，振動檢測技術能有效地完成這一任務。將振動檢測分析技術與有限元分析、無損檢測、ACFM檢測等多種手段相結合，將使得海洋平臺完整性管理的保障手段更為全面。

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