海洋平臺往復壓縮機組彈簧隔振設計與應用

黃業華 李國賓 戴國華

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452； 2.大連海事大學 遼寧大連 116026)

海洋平臺往復壓縮機組彈簧隔振設計與應用

黃業華1李國賓2戴國華1

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452； 2.大連海事大學 遼寧大連 116026)

為解決海洋平臺橇裝結構往復壓縮機組與安裝甲板結構存在剛性動態耦合的問題，根據隔振原理，提出了海洋平臺大型往復壓縮機組彈簧隔振基礎設計的具體計算方法和流程。以錦州25-1 CEPF平臺X-2502C壓縮機組為例，進行了壓縮機橇座結構設計及彈簧隔振器參數計算，采用有限元分析方法對往復壓縮機組彈簧隔振基礎進行了動力分析，并應用數據采集儀和速度傳感器對運行中的CEPF-X-2502C壓縮機組進行了現場測試。結果表明，本文提出的彈簧隔振設計方法較好地解決了壓縮機組與安裝甲板結構的剛性動態耦合問題，有效降低了壓縮機組動載荷對甲板結構的動力作用，實測隔振效率達85%以上，壓縮機組關鍵位置振動強度滿足要求。本文研究對海洋平臺大型往復壓縮機組結構設計與安裝具有一定的指導意義。

海洋平臺；往復壓縮機組；彈簧隔振設計；現場測試；錦州25-1 CEPF平臺

目前國內海洋平臺大型活塞往復壓縮機組通常采用橇裝結構,為提高壓縮機組的剛度，通過焊接方法與平臺甲板梁剛性連接[1-4]。現場應用表明，當同一甲板上安裝多臺壓縮機組且同時運轉時，壓縮機組之間會產生振動耦合，造成壓縮機組及甲板結構均出現振動過大的問題，影響壓縮機組的安全運行[5-9]。因此，如何妥善處理壓縮機組之間的振動耦合問題，保證海洋平臺大型活塞往復壓縮機組的安全運行，是目前國內海洋平臺大型活塞往復壓縮機組設計與安裝迫切需要解決的問題。

本文根據彈簧隔振原理，提出了海洋平臺大型往復壓縮機組彈簧隔振基礎設計的具體計算方法和流程。以錦州25-1CEPF平臺中壓壓縮機組為例，將彈簧隔振方法應用于壓縮機組結構的設計，通過現場振動測試對實際效果進行了分析，結果表明本文提出的彈簧隔振設計方法較好地解決了壓縮機組之間的振動耦合問題，對海洋平臺大型往復壓縮機組結構設計與安裝具有一定的指導意義。

1 彈簧隔振原理及設計方法

1.1 隔振的原理

采用彈簧隔振基礎的壓縮機組可簡化為一個單自由度隔振系統[9]，如圖1所示。從圖1可以看出，壓縮機組產生的激振力F1通過彈簧和阻尼傳遞到甲板上。與通過焊接剛性固定在甲板上的壓縮機組相比，傳遞到甲板上的動載力F2不等于F1，二者之比K=F2/F1，稱為傳遞系數。如果傳遞系數小于1，則甲板上承受動載力F2小于激振力F1。可見，隔振的前提是合理選擇彈簧和阻尼，使傳遞系數小于1。

圖1 壓縮機組單自由度隔振系統模型

根據單自由度隔振系統的模型可知，傳遞系數與壓縮機組的質量m、產生的激振頻率f、彈簧的剛度k和阻尼系數c存在一定的關系。如果彈簧隔振系統的固有頻率為f0，阻尼比為ζ，則有

(1)

(2)

式(2)中：ω為彈簧圓頻率，ω=2πf0。

傳遞系數K為

(3)

式(3)中：λ為激振頻率f與固有頻率f0之比，λ=f/f0。

圖2 K隨λ變化的曲線[10]

表1 不同頻率比時的傳遞系數和隔振效果

1.2 隔振設計方法

本文根據隔振原理對海洋平臺往復壓縮機組進行彈簧隔振設計，主要完成彈簧剛度和阻尼的計算，設計步驟如下：

1) 確定頻率比λ。根據隔振原理，對于低調諧，隔振彈簧的選取原則一般為取隔振彈簧的固有頻率f0等于激振頻率f的1/3～1/5，即λ=3～5，選擇隔振器時通常要求隔振效率要達到95%以上。

2) 確定隔振彈簧的固有頻率f0。根據壓縮機組的激振頻率f和頻率比λ計算隔振彈簧的固有頻率f0=f/λ。

3) 計算彈簧的剛度k。根據固有頻率f0，由式(1)計算彈簧的剛度k。

4) 計算彈簧的阻尼系數c。阻尼系數c=2mζω，考慮壓縮機組的振動特性，須取較大的阻尼比，ζ=0.1～0.2。

5) 確定彈簧隔振器的數量。選擇原則是使2組彈簧之間的間距不要太大，即讓2組彈簧之間基礎平臺的撓度不要太大，同時考慮彈簧的承重留20%的裕量。

2 海洋平臺壓縮機組彈簧隔振設計實例

2.1 彈簧隔振器基本參數

本文以錦州25-1油田CEPF平臺中層甲板上中壓壓縮機CEPF-X-2502C為例進行彈簧隔振設計。該壓縮機由功率1 050 kW、轉速980 r/min的電機驅動，為一級活塞往復式壓縮機。壓縮機設備總質量54.3 t，橇塊總質量78.3 t，壓縮機組總質量132.6 t。壓縮機在運行時的轉速為993 r/min，工作頻率f為16.55 Hz。

2.2 橇座結構設計

采用彈簧隔振設計的壓縮機組要求橇座必須具有足夠的剛度，以保證橇座上的設備振動滿足要求。本文在剛性基礎壓縮機組橇座結構的基礎上，通過在主橇的上下表面焊接一層30 mm厚鋼板來提高橇座的結構剛度，如圖3所示。這種結構的壓縮機組前6階固有模態均為剛體變形，避免了局部振型的產生。

圖3 CEPF-X-2502C壓縮機組彈性基礎橇座結構

2.3 彈簧隔振器參數計算

本項目壓縮機組激振頻率f=16.55 Hz，取彈簧振動頻率f0=3.5 Hz，則頻率比λ=4.7。壓縮機組的總質量m=132.6 t，根據式(1)計算得到所有彈簧隔振器的總剛度為64.06 kN/mm。

根據壓縮機組橇座的尺寸，取彈簧組數為12組，則每組彈簧的承重N=110.5 kN。由于要考慮彈簧的承重留20%的裕量，所以每組彈簧的承重為139 kN，每組彈簧的剛度k=5.34 kN/mm。

當機器低速回轉時，即在機器啟動或停機時，可能通過共振頻率，此時需要阻尼器來降低系統的振動。取阻尼比ζ=0.2，根據式(2)計算得到所有彈簧隔振器的阻尼系數為1 165.82 kN·s/m，則每組彈簧隔振器阻尼系數為97.15 kN·s/m。

2.4 動力分析

根據本項目壓縮機組橇座的結構，建立CEPF-X-2502C壓縮機組的有限元模型，如圖4所示。在有限元模型中，彈簧隔振基礎被簡化為一個XY平面內的板單元系統。根據所建立的有限元模型，計算該壓縮機組隔振基礎低頻范圍的固有頻率，結果見表2。

本項目壓縮機組的工作頻率為16.55 Hz，從表2可以看出：壓縮機組隔振系統的第1階振動模態頻率2.64 Hz，小于0.8倍工作頻率；而較接近工作頻率的第8階模態和第9階模態，頻率分別為13.30 Hz和18.79 Hz，前者小于0.9倍工作頻率，后者大于1.10倍工作頻率，二者均避開了壓縮機組工作頻率±10%的范圍。可見，該壓縮機組隔振系統的前20階固有頻率均能遠離壓縮機組的工作頻率，可避開引起劇烈振動的共振區域，振動特性優良，可不進行諧響應分析。

圖4 CEPF-X-2502C壓縮機組有限元模型

表2 CEPF-X-2502C壓縮機組隔振系統固有頻率

2.5 現場隔振測試與分析

為檢驗彈簧隔振的效果，應用DASP數據采集儀和速度傳感器對運行中的CEPF-X-2502C壓縮機組進行現場測試，通過采集的振動速度信號對隔振效果和振動強度進行分析。

1) 隔振效果。為分析彈性基礎支撐的壓縮機組振動傳遞特性，準確評價彈簧隔振效果，測點布置如圖5所示，測得的振動信號時域波形和頻譜如圖6所示。從圖6可以看出，由壓縮機組橇座傳遞到安裝甲板上的振動能量明顯衰減，根據實測信號計算壓縮機組橇座測點1振動信號速度有效值為1.46 mm/s，而與之相鄰的安裝甲板測點2的振動信號速度有效值僅為0.21 mm/s。可見，本項目壓縮機組彈簧隔振設計較好地解決了壓縮機組與甲板結構之間的剛性耦合問題。根據隔振效率計算公式可知，本項目壓縮機組彈簧隔振系統隔振效率達85%以上，隔振效果顯著。

圖5 CEPF-X-2502C壓縮機組彈簧隔振測點布置

圖6 CEPF-X-2502C壓縮機組彈簧隔振測點振動信號時域波形和頻譜

2) 振動強度。隔振設計的主要目的是解決壓縮機組與甲板結構之間的剛性耦合問題，但不能降低壓縮機組振動的響應值。因此，在評價隔振效果的同時，還必須對壓縮機組關鍵位置的振動強度進行測量，以保證壓縮機組的安全運行。分別隨機采集壓縮機橇、電機座、壓縮機座、壓縮機缸體、二層橇及安裝甲板測點處的振動速度信號，計算不同測點處振動速度信號有效值，結果如表3所示。從表3可以看出，本項目壓縮機組彈簧隔振不同測點處振動速度信號有效值均小于API 618標準規定的4.5 mm/s[11]，表明采用彈簧隔振基礎設計的壓縮機組關鍵位置振動強度滿足要求。

表3 CEPF-X-2502C壓縮機組彈簧隔振不同測點位置振動速度信號有效值

3 結論

根據彈簧隔振原理，提出了海洋平臺大型往復壓縮機組彈簧隔振基礎設計的具體計算方法和流程，并以錦州25-1CEPF平臺X-2502C壓縮機組為例，進行了彈簧隔振設計計算及工程應用研究。結果表明，本文提出的彈簧隔振設計方法較好地解決了錦州25-1CEPF平臺X-2502C壓縮機組與安裝甲板結構的剛性動態耦合問題，有效地降低了壓縮機組動載荷對平臺結構的影響，實測隔振效率達85%以上，壓縮機組關鍵位置的振動強度滿足相關規范要求。本文研究對海洋平臺大型活塞往復壓縮機組結構設計與安裝具有一定的指導意義。

[1] 岳前進，王勝永，樊哲良，等．番禺30-1導管架海洋平臺結構振動監測與安全分析[J]．海洋工程，2013,31(2)：41-44,60．

Yue Qianjin,Wang Shengyong,Fan Zheliang,et al.Vibration monitoring and safety assessment of PY30-1 jacket platform structure[J].The Ocean Engineering,2013,31(2):41-44,60.

[2] 張海云，董曉雨，高鵬．海洋平臺往復壓縮機組脈動和振動控制方法[J]．壓縮機技術，2010(5)：24-26．

Zhang Haiyun,Dong Xiaoyu,Gao Peng.Pulsation & vibration control strategies for reciprocating compressors on offshore platform[J].Compressor Technology,2010(5):24-26.

[3] 周亞軍，趙德有．海洋平臺結構振動控制綜述[J]．振動與沖擊，2004,23(4)：40-43．

Zhou Yajun,Zhao Deyou.Review on structural control for offshore platforms[J].Journal of Vibration and Shock,2004,23(4):40-43.

[4] SONG Qiong,ZHOU Dehui,NIU Baoliang,et al.Uncertainties in the vibration acceleration measurement[C]∥Instrumentation and Measurement Technology Conference,2004,1075-1078.

[5] 吳學敏，黃維平，滕文剛．深水頂張式立管參數振動與渦激振動耦合振動分析方法研究[J]．中國海上油氣，2014,26(4)：100-105．

Wu Xuemin,Huang Weiping,Teng Wengang.Study on analysis method for coupled vibration of parameter excited vibration and vortex-induced vibration on deep water top-tensed riser[J].China Offshore Oil and Gas,2014,26(4):100-105.

[6] 姜偉．懸臂式鉆井平臺懸臂梁振動特性研究[J]．中國海上油氣，2011,23(6)：391-397．

Jiang Wei.Study on vibration characteristics of cantilever beam of cantilever drilling platform[J].China Offshore Oil and Gas,2011,23(6):391-397.

[7] LI Huajun,JI Chunyan,LIU Zhen.Optimal design of active mass dampers for offshore structures[C]∥Proceedings of the 2002 International Symposium on Safety Science and Technology (2002 ISSST) Part A.Shandong,China,2002,383-387.

[8] 黃蓮英．平湖油氣田平臺天然氣壓縮機撬甲板的振動分析[J]．中國海洋平臺，2001,16(5/6)：54-57．

Huang Lianying.Analysis & treatment for the vibration on natural gas compressor deck of Ping-Hu oil and gas field[J].China Offshore Platform,2001,16(5/6):54-57.

[9] 尹學軍，孫明昌，羅勇，等．大型活塞式壓縮機鋼彈簧隔振基礎的設計與分析[J]．噪聲與振動控制，2009(增刊1)：104-108．

Yin Xuejun,Sun Mingchang,Luo Yong,et al.Dynamic response and measurement analysis of spring foundation for large reciprocating compressors[J].Noise and Vibration Control,2009(S1):104-108.

[10] 趙玫，周海婷，陳光治，等．機械振動與噪聲學[M]．北京：科學出版社，2004．

[11] American Petroleum Institute.API-618 Reciprocating compressors for petroleum,chemical,and gas industry services,5th edition[S].Washington,USA,2007.

(編輯：呂歡歡)

Design and application of spring vibration isolation for reciprocating compressors on offshore platforms

Huang Yehua1Li Guobin2Dai Guohua1

(1.TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China; 2.DalianMaritimeUniversity,Dalian,Liaoning116026,China)

In order to solve the problem of rigid dynamic coupling between the skid-mounted reciprocating compressors on offshore platform and the deck structures, based on the vibration isolation principle, the specific calculation methods and flow chart for designing spring vibration isolation of large reciprocating compressors was put forward. Taking the X-2502C compressors unit of JZ 25-1 CEPF platform as an example, the design of compressors skid structure and the calculation of spring isolation parameters were carried out. The dynamic analysis of spring vibration isolation foundation of reciprocating compressors was conducted with the finite element method, and the field testing on the running CEPF-X-2502C compressors was conducted with the data collection instrument and the speed sensor. The results showed that the problems of rigid dynamic coupling between the compressors and the deck structure can be solved by the spring vibration isolation design method proposed here. The effect of dynamic load of compressors on deck structures can be reduced effectively. The measured vibration isolation efficiency reached 85%; and the vibration strength of key positions in compressors meets the requirements. This study has certain significance for the structure design and installation of large reciprocating compressors on offshore platforms.

offshore platform; reciprocating compressors; spring vibration isolation design; field testing; JZ 25-1 CEPF platform

黃業華，男，教授級高級工程師,2011年畢業于西南石油大學油氣儲運專業，獲博士學位，現從事海洋石油開發工作。地址:天津市濱海新區海洋石油大廈A座(郵編:300452)。E-mail:huangyh@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0132-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.021

TB535+.1； TE974

A

2015-12-16 改回日期：2016-02-03

黃業華,李國賓,戴國華.海洋平臺往復壓縮機組彈簧隔振設計與應用[J].中國海上油氣，2016,28(3)：132-136.

Huang Yehua,Li Guobin,Dai Guohua.Design and application of spring vibration isolation for reciprocating compressors on offshore platforms[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):132-136.