模態分析技術在解決平臺甲板高振動問題中的應用

王永順（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452）

模態分析技術在解決平臺甲板高振動問題中的應用

王永順
（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452）

摘 要：隨著近些年海洋石油工業的蓬勃發展，部分海上平臺的現有設施已經滿足不了產量、工藝流程上的要求，所以海上平臺設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，卻對設備下方的甲板等鋼結構方面考慮不周，造成設備附近甲板出現高振動，無法保證設備正常運行。本項目通過運用模態分析技術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構作用下的2倍以上。

關鍵詞：模態分析；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時間不到半年的情況下，電機軸承相繼出現故障，設備布局圖如圖1所示（紅線部分為新增加的甲板及支撐）。

狀態監測技術人員運用狀態監測技術進行頻譜分析認為，電機軸承內外滾道存在嚴重故障。從拆下的軸承上看，主要問題是軸承內外滾道上存在凹痕。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 模態分析技術的應用

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

2.1 模態分析技術的引進

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，保證平臺設備的安全生產，引進了模態分析技術，并出海進行甲板測試。

甲板模態測試采用工作模態分析方法（OMA），通過A-P231A/B兩臺電機同時運轉狀態下測量甲板上各點的振動響應，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參數識別來得到結構的頻率、阻尼及振型等模態參數，如圖3所示。

2.2 測試結果

通過平臺振動與模態測試，及結合狀態監測多年監測的設備振動歷史數據可得到以下結論：

（1）電機振動存在隨轉頻的周期性振動，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，此時極易出現點蝕磨損，且各工況下電機軸承均已出現少量磨損；

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

（4）電機在各種工況下均存在左右擺動現象，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生變化引起電機振動，導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象外，還存在上下扭動現象，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致軸承承受載荷增大，縮短軸承壽命。

2.3 優化策略

由測試和仿真結果可知，電機前端振動較大和電機左右兩端支撐剛度不均勻，導致電機出現左右擺動和上下扭動現象。針對上述現象，振動優化策略如下：

（1）通過改變甲板支撐來優化甲板振型，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。

與原結構振動進行對比，可以得出結構在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%，優化后減振效果較為明顯。從CAE仿真測點振動數據來看，優化方案相對原結構有很大程度的改善，且優化后電機振動均小于3mm/s，滿足振動要求，如圖5所示。

根據滾子軸承壽命計算公式：

從上述公式可以得出，優化前后軸承的轉速、基本額定動載荷C不變，當甲板振動降低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，優化后電機軸承壽命至少可提高為原甲板結構作用下的2倍以上。

經過現場結構整改后，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[M].上海：上海交通大學出版社，2000.

[2]韓國明，劉玉民，譚鈞.試驗模態分析與有限元耦合技術[J].機械強度，1990 （02）：11-14.

中圖分類號：TV312

文獻標識碼：A

作者簡介：王永順，男，天津市濱海新區、中海油能源發展裝備技術有限公司，工程師、學士，研究方向：狀態監測、模態分析。