模態(tài)分析技術(shù)在解決平臺甲板高振動問題中的應(yīng)用

王永順（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

模態(tài)分析技術(shù)在解決平臺甲板高振動問題中的應(yīng)用

王永順
（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

摘 要：隨著近些年海洋石油工業(yè)的蓬勃發(fā)展，部分海上平臺的現(xiàn)有設(shè)施已經(jīng)滿足不了產(chǎn)量、工藝流程上的要求，所以海上平臺設(shè)施改造的項目越來越多。但是在許多改造項目中，由于受眾多因素的影響，只考慮到了滿足工藝流程的需求，卻對設(shè)備下方的甲板等鋼結(jié)構(gòu)方面考慮不周，造成設(shè)備附近甲板出現(xiàn)高振動，無法保證設(shè)備正常運行。本項目通過運用模態(tài)分析技術(shù)至少能使注水泵甲板振動降低50%以上，電機軸承壽命至少可提高為原甲板結(jié)構(gòu)作用下的2倍以上。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析；注水泵甲板；高振動

1 背景

某海洋平臺注水泵甲板自2009年改造投用后，四臺注水泵在累計運轉(zhuǎn)時間不到半年的情況下，電機軸承相繼出現(xiàn)故障，設(shè)備布局圖如圖1所示（紅線部分為新增加的甲板及支撐）。

狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)人員運用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進行頻譜分析認為，電機軸承內(nèi)外滾道存在嚴(yán)重故障。從拆下的軸承上看，主要問題是軸承內(nèi)外滾道上存在凹痕。而且從日后每次拆下的電機軸承來看，基本都是同一問題。從設(shè)備檢修歷史來看，在2012-2013兩年時間里4臺機組共進行了大大小小近40次維修（包括電機和泵部分的維修）。拆檢下的電機軸承如圖2所示。

2 模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用

目前狀態(tài)監(jiān)測已有技術(shù)只是針對設(shè)備本身進行診斷分析，但是鑒于海上平臺的特殊性，所有設(shè)備都是整體安裝在鋼結(jié)構(gòu)甲板上，一旦甲板存在某些問題，也會造成設(shè)備的頻繁損壞，不僅浪費大量的人力物力，還嚴(yán)重影響平臺的安全生產(chǎn)。所以說目前狀態(tài)監(jiān)測已有手段已不能滿足實際需求。該項目是以模態(tài)試驗分析為基礎(chǔ)，豐富狀態(tài)監(jiān)測的技術(shù)手段，增加對設(shè)備撬塊及甲板進行分析評估的能力，建立起一套先進、穩(wěn)定、可靠的甲板分析評估技術(shù)。

2.1 模態(tài)分析技術(shù)的引進

我公司為了徹底解決因平臺注水泵甲板高振動造成電機軸承頻繁失效的問題，保證平臺設(shè)備的安全生產(chǎn)，引進了模態(tài)分析技術(shù)，并出海進行甲板測試。

甲板模態(tài)測試采用工作模態(tài)分析方法（OMA），通過A-P231A/B兩臺電機同時運轉(zhuǎn)狀態(tài)下測量甲板上各點的振動響應(yīng)，以測點2為參考點，獲得其余測點相對參考點的傳遞率進行模態(tài)參數(shù)識別來得到結(jié)構(gòu)的頻率、阻尼及振型等模態(tài)參數(shù)，如圖3所示。

2.2 測試結(jié)果

通過平臺振動與模態(tài)測試，及結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測多年監(jiān)測的設(shè)備振動歷史數(shù)據(jù)可得到以下結(jié)論：

（1）電機振動存在隨轉(zhuǎn)頻的周期性振動，且地腳振動值與軸承處振動值接近，主要由甲板振動傳遞、支撐剛度薄弱或不均勻所致；

（2）A-P231B單獨運行時對A-P231A影響較大，最大處在電機負荷端垂直方向烈度達3.0mm/s，此時極易出現(xiàn)點蝕磨損，且各工況下電機軸承均已出現(xiàn)少量磨損；

（3）振動大小變化明顯，呈周期性變化（周期37S），電機發(fā)出‘嗡嗡’聲音，231A停機后此現(xiàn)象消失，因此電機存在拍振問題；同時電機振動受到風(fēng)載和海浪的低頻調(diào)制影響；

（4）電機在各種工況下均存在左右擺動現(xiàn)象，其主要原因是由于電機左右支撐剛度分布不均勻所致，左右擺動影響電機電磁力發(fā)生變化引起電機振動，導(dǎo)致軸承承受載荷增大，縮短軸承壽命；

（5）電機除存在左右擺動現(xiàn)象外，還存在上下扭動現(xiàn)象，其主要原因是由于電機支撐的對角線上剛度不均勻造成的，電機上下扭動也會導(dǎo)致軸承承受載荷增大，縮短軸承壽命。

2.3 優(yōu)化策略

由測試和仿真結(jié)果可知，電機前端振動較大和電機左右兩端支撐剛度不均勻，導(dǎo)致電機出現(xiàn)左右擺動和上下扭動現(xiàn)象。針對上述現(xiàn)象，振動優(yōu)化策略如下：

（1）通過改變甲板支撐來優(yōu)化甲板振型，使其振型更利于電機位置的振動；

（2）在保證甲板剛度的同時，盡可能均勻設(shè)計撬塊四個角附近的甲板剛度，以保證甲板在振動過程中盡可能減少對電機的影響。

2.4 改造方案

甲板上的一根支撐去掉，電機前端延伸兩根梁，泵處增加一根筋板，如圖4所示。

與原結(jié)構(gòu)振動進行對比，可以得出結(jié)構(gòu)在50Hz激勵作用下，甲板和電機的振動均得到較大幅度的降低，部分測點最大降幅超過90%，優(yōu)化后減振效果較為明顯。從CAE仿真測點振動數(shù)據(jù)來看，優(yōu)化方案相對原結(jié)構(gòu)有很大程度的改善，且優(yōu)化后電機振動均小于3mm/s，滿足振動要求，如圖5所示。

根據(jù)滾子軸承壽命計算公式：

從上述公式可以得出，優(yōu)化前后軸承的轉(zhuǎn)速、基本額定動載荷C不變，當(dāng)甲板振動降低50%以上，其對軸承的動載荷至少可降低20%以上。因此，可以得出在相同測試條件下，優(yōu)化后電機軸承壽命至少可提高為原甲板結(jié)構(gòu)作用下的2倍以上。

經(jīng)過現(xiàn)場結(jié)構(gòu)整改后，甲板的振動高點降振幅度超過50%，局部可達70%，電機軸承運行時間已超過一年，目前狀況良好。

參考文獻

[1]趙得有，金咸定.船體振動學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[2]韓國明，劉玉民，譚鈞.試驗?zāi)B(tài)分析與有限元耦合技術(shù)[J].機械強度，1990 （02）：11-14.

中圖分類號：TV312

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：王永順，男，天津市濱海新區(qū)、中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，工程師、學(xué)士，研究方向：狀態(tài)監(jiān)測、模態(tài)分析。