海洋固定平臺模塊鉆機振動分析

(中海油能源發展裝備技術有限公司工程設計研發中心，天津 300452)

海洋固定平臺模塊鉆機振動分析

李彥麗

(中海油能源發展裝備技術有限公司工程設計研發中心，天津 300452)

針對海洋平臺模塊鉆機鉆井過程中發生的振動問題，以錦州25-1南油田某模塊鉆機為例，基于SACS結構分析程序對鉆機結構振動特性進行計算分析，主要包括鉆機整體結構自振特性以及主要振動設備支撐結構局部自振特性，為解決大型振動設備與結構共振問題提供分析基礎及數據參考。

模塊鉆機；振動分析；模態分析；SACS

海洋平臺模塊鉆機布置著轉盤、頂驅、振動篩、泥漿泵、柴油發電機組等激振設備，強烈的振動會引起設備連接螺栓斷裂；激振力振幅變大，造成其他設備損壞，噪聲損傷人員身體，并引起平臺結構疲勞損傷。對于振動問題，首先應分析振動產生的原因，再尋找相應的解決方法。為此，以錦州25-1南油田某模塊鉆機為例分析其整體及局部結構特性，為解決模塊鉆機的振動問題提供參考。

1 振動發生原因及解決方法

海洋模塊鉆機發生振動一般有以下3種原因：①設備振動頻率與甲板結構固有頻率相近或成倍數關系，稱為共振；②局部結構剛度偏弱，設備激勵過大使結構被動發生振動；③設備與基座的連接固定破壞。對于第①種振動原因，要進行甲板結構的動力特性模態分析，如果設備的振動頻率在結構自振頻率的±10%范圍內，那么可能發生共振。如果設備的振動頻率未在此范圍內發生振動問題，那么應從甲板結構梁的布置分析入手，分析設備支撐甲板剛度，同時觀察設備運轉時甲板的振動情況。如果是第②種原因引起，甲板會隨著設備振動而發生劇烈振動。對于第③種原因，觀察設備運轉時甲板振動情況，設備振動劇烈，但支撐結構振動平穩，主要原因是設備橇塊未與甲板主結構梁完全剛性固定，而是彈性連接，設備作為一個剛性體其周期性運動帶動跟他連接的物體發生耦合振動[1]。

避免共振的方法主要是在項目詳細設計階段，對結構進行動力模態分析，分析結構的固有頻率，盡可能遠離設備擾動力的頻率，避開共振區域。對于第②種原因引起的振動問題，首先支撐設備的甲板結構形式應合理，保證設備布置區域結構剛度的完整性，如出現了不連續梁削弱了結構整體剛性，造成甲板振動。對于第③種原因引起的振動，應及時發現撬座與設備及撬座與甲板結構之間出現松動的位置并進行剛性固定。

2 模態分析理論基礎

模態分析用來確定結構的固有頻率和振型，分析結果可在設計時避開相連設備振動頻率或者工作中最大限度的減少對這些頻率的激勵，從而消除過度的振動和噪聲，模態分析是動力響應分析的基礎。

模態分析的動力方程如下。

(1)

假定自由振動，并忽略阻尼，即

F(t)=0和C=0。

模態分析的動力方程簡化為：

(2)

對于線性分析，假定振動是簡諧的，則

u=u0cos(ωt)

(3)

將上式代入動力方程，得

(-ω2M+K)u0=0

(4)

對于非零解，則有

|K-λM|=0

(5)

3 模塊鉆機振動分析

海洋模塊鉆機布置在海洋平臺頂層甲板上，一般主要由3部分組成：鉆井設備模塊(DES)，鉆井支持模塊(DSM)和灰罐模塊(P-TANK模塊)。DES模塊由鉆臺和下底座組成，鉆臺在下底座的滑軌上實現平臺東西方向移動，DES整體在平臺主滑軌上進行南北方向移動，實現模塊鉆機對所有井口的鉆井、修井作業，見圖1。

海洋鉆修井機上主要的激振設備及對應的額定轉動頻率見表1。

圖1 海洋固定平臺模塊鉆機布置示意

表1 主要激振設備及其額定轉動頻率

轉盤荷載作用于鉆臺，具體位置在鉆臺的轉盤中心處；頂驅荷載作用于井架，激勵荷載位置沿頂驅滑軌垂向變化，水平位置在轉盤中心，可通過井架傳遞至鉆臺；振動篩設備作用于DES模塊的下底座結構，其布置見圖2。泥漿泵和發電機布置于DSM模塊下層甲板，其布置見圖3。

圖2 振動篩所在甲板的布置示意

3.1 建立計算模型

海洋模塊鉆機振動模態分析采用SACS分析軟件，分別建立DES井架、鉆臺、下底座、DSM模塊整體及局部計算模型，在模塊鉆機正常操作工況時其所有設備干重、濕重質量等均參與模態分析計算。

3.2 井架自振特性分析

井架為K形自升式套裝井架，高度約46 m，2層臺高度26 m。將井架結構進行簡化，建立接近實際結構的模型：①簡化為空間鋼架結構，②天車、2層臺總成等井架附件，建模時視其為集中質量施加在井架相應位置上[3]；③井架底部與鉆臺連接的4個節點只有Y向轉動自由度不被約束。

井架在最大鉤載作用時的前5階固有模態頻率計算結果見表2，前5階模態振型見圖4。

計算結果表明，第1階振型主要為井架左右方向的搖擺振動；第2階振型主要為井架繞Z軸的扭轉并伴有前后彎曲，第3階振型主要為井架繞Z軸扭轉伴左右彎曲，第4階振型主要為繞Z軸扭轉，第5階振型主要為上下振動。

表2 井架前5階固有模態頻率

圖4 井架模態振型

井架結構在最大荷載作用時的第5階固有頻率與頂驅的額定轉動頻率接近。因此，在模塊鉆機頂驅作業時，應注意監測井架振動情況[4]。

3.3 DES鉆臺面自振特性

海洋模塊鉆機最大轉盤荷載作用時，水平主軸間距為9.144 m，所有設備、管線重量荷載以weight形式加載在模型相應位置，4個與下底座連接的基座節點只有X向轉動自由度不約束[5]。

鉆臺在最大轉盤荷載作用時的前5階固有模態頻率計算結果見表3，前5階模態振型見圖5。

表3 鉆臺面前5階固有模態頻率

圖5 鉆臺面模態振型

計算表明，鉆臺結構第1階固有頻率與轉盤頻率接近。但在早期的鉆井作業中，作業方式為轉盤驅動，而目前鉆井作業基本都是頂驅驅動作業，因此不會與轉盤荷載的共振情況。

3.4 DES下底座自振特性

海洋模塊鉆機DES模塊鉆臺面通過4個基座與下底座相連接，2者之間不是剛性連接，如果計算DES模塊整體的自振特性，其結果并不能說明布置在下底座的激振設備是否可能會與模塊鉆機發生共振，DES下底座模型，前5階模固有表頻率計算結果見表4，前5階模態振型見圖5。

DES下底座主尺寸是14 m、9.144 m，4個與平臺主滑軌連接的基座節點只有Y向轉動自由度不約束。

表4 DES下底座前5階固有模態頻率

圖6 下底座模態振型

計算結果表明，DES模塊下底座的前5階模態自振頻率均與振動篩的額定作業頻率24.3 Hz相差較大，不會發生共振情況。

下底座振動設備振動篩放置在DES模塊下底座下層DES甲板，整體模態振型的DES下底座模態分析不能完全反映局部結構的振動特性，需要進行局部模態分析，其前5階固有模態頻率計算結果見表5。

通過振動篩甲板局部模型的模態計算，第1階模態振型主要為Z方向彎曲，第2階模態振型主要為X向彎曲伴有輕微Y向扭動，第3階模態振型主要是Z向彎曲伴有輕微Y向扭動，第4階模態振型主要是Z向彎曲，第5階模態振型主要是X方向扭轉。由計算結果可發現，只有第5階模態振型與振動篩的作業運轉頻率24.3 Hz接近，2者相差15.4%，大于10%，在振動篩作業時應注意觀測設備振動情況。由于不同平臺根據返回鉆井液的情況選擇振動篩的額定作業頻率會發生變化，在設計階段選擇振動篩型號時應核算放置振動篩的甲板自振特性，避免發生振動。

表5 振動篩局部甲板前5階固有模態頻率

3.5 DSM模塊自振特性

泥漿泵和發電機一般布置在DSM模塊的下層甲板，DSM模塊主軸間距尺寸為20 m，通過8個基座固定于組塊上甲板，模型中基座連接節點的約束情況為簡支，所有設備、管線、散料、鉆桿堆場荷載以weight形式加載在模型相應位置。經DSM模塊模態計算，其前5階固有模態頻率計算結果見表6，前5階模態振型見圖7。

計算結果表明，第1階振型主要為左右彎曲，第2階振型主要為X向扭動和Y向彎曲，第3階振型主要為Z向扭動，第4階振型主要為Y向扭動，第5階振型主要為X向扭動和Y向彎曲。DSM的前5階振動模態自振頻率與泥漿泵的額定作業頻率2.0 Hz、發電機的額定作業頻率35.0 Hz相差較大，整體DSM模塊與泥漿泵、發電機設備不會發生共振情況。

圖7 DSM模塊振型

對泥漿泵和發電機所在甲板進行局部模態分析，其前5階固有模態頻率計算結果見表7，前5階模態振型見圖8。計算結果表明，第1階振型主要表現為上下彎曲伴有輕微X軸扭轉，第2階振型主要為沿Y軸方向的扭轉伴有輕微Z向彎曲，第3階振型主要為左右彎曲，第4階振型主要為X方向扭轉，第5階振型主要為Z向彎曲伴有X方向扭轉。局部甲板的前5階自振頻率與泥漿泵的沖程頻率2.0 Hz相差較大，不會發生共振情況，但是泥漿泵橇中還包括電動機，電動機的額定作業頻率為16.7 Hz，局部甲板的第4、第5階振型自振頻率與之非常接近，因此在泥漿泵作業期間應注意監測下層甲板振動情況，在詳細設計階段盡量通過局部結構設計調整以避免發生共振。

表7 DSM模塊前5階固有模態頻率

圖8 DSM局部甲板振型

4 結論

1)對海洋模塊鉆機的激振設備所在模塊或局部甲板結構進行模態分析，得到前5階振型的自振頻率，為設備選型提供數據參考。

2)井架、振動篩需注意監測其振動情況。井架第5階自振頻率與頂驅額定作業頻率接近，DES模塊下底座放置振動篩的甲板結構第5階自振頻率與振動篩額定作業頻率接近。另外，DSM模塊下層甲板的泥漿泵除了泥漿泵沖程激振外還存在著電動機周期性荷載的激振源，且容易與局部甲板結構自振頻率接近。

3)應對海洋模塊鉆機上配置的大型振動設備撬塊做振動測試，預先掌握設備的振動特性。

4)在海洋模塊鉆機設計階段，應對可能發生較大振動的設備考慮進行周期性振動分析，對其支撐結構進行動力分析，避免出現劇烈振動影響鉆井作業。

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

[2] 徐田甜，穆頃.樂東15-1氣田平臺鉆修井機結構設計[J].船舶,2007(5):18-25．

[3] 胡朋,齊明俠.半潛式鉆井平臺上鉆機井架振動分析[J].石油機械,2010,38(11):1-4.

[4] 韓玉強.鉆井井架動力測試與綜合性能評價[J].機械科學與技術,2012,31(10):1649-1653.

[5] 楊超，范士娟.鉆機底座的振動分析[J].振動測試與診斷,2003,23(2):131-133．

Vibration Analysis for Modular Drilling Rig of Offshore Fixed Platform

LIYan-li

(CNOOC EnerTech Equipment Technology Research & Design Center, Tianjin 300452, China)

The vibration problem of the modular drilling rig (MDR) of offshore fixed platform in the progress of drilling was analyzed. Taking MDR of Jinzhou 25-1 south oilfield as example, the structural vibration characteristics of MDR were computed by SACS, including modal analysis for the whole structure and local structure used for supporting the vibration equipment. It can provide foundation of analysis and reference data for solve the resonance problem between vibration equipment and supporting structure.

modular drilling rig; vibration analysis; modal analysis; SACS

U661.44

A

1671-7953(2017)05-0065-05

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

李彥麗(1982—)，女，碩士，工程師

研究方向：海洋工程模塊鉆機結構設計