海洋油氣壓裂設(shè)備噪聲特性試驗研究

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(1. 中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 中石化石油工程機械有限公司 第四機械廠，湖北 荊州 434000)

隨著陸上油氣資源的逐漸減少，海洋油氣資源開發(fā)將是未來油氣開采的重要方向，對海洋油氣壓裂設(shè)備的需求也隨之增大。壓裂設(shè)備在運行過程中會輻射出較大的噪聲。目前，國內(nèi)的海上壓裂設(shè)備需要借助駁船或海洋平臺進行作業(yè)，在有限的空間內(nèi)，較大的噪聲會嚴重影響工作人員的正常工作與休息。因此，對壓裂設(shè)備噪聲及降噪方法的研究顯得尤為重要。

國外雖有成型的壓裂作業(yè)船，但由于技術(shù)封鎖無法借鑒[1]。國內(nèi)對海洋壓裂設(shè)備噪聲的研究相對較少，其它類似的研究方法可作為參考。張捷等基于現(xiàn)場測試，對350～400 km/h速度下的高速列車車內(nèi)觀光區(qū)噪聲特性進行分析，明確了車內(nèi)噪聲動態(tài)特性及其隨速度變化規(guī)律，并對噪聲評價方法進行了研究[2]；郭金泉對6HHE-VE6型壓縮機噪聲聲壓級、輻射聲功率和噪聲頻譜范圍進行了測量，分析了其噪聲頻譜分布規(guī)律[3]；唐鵬等[4]通過現(xiàn)場試驗對天然氣壓縮機的噪聲源及其特性進行分析，并對噪聲進行有效控制，顯著降低了壓縮機噪聲；石曉輝等通過發(fā)電機臺架噪聲試驗，研究了負載和空載時各個階次在不同轉(zhuǎn)速下對發(fā)電機輻射噪聲的影響程度[5]。

筆者以海洋油氣壓裂設(shè)備為研究對象，通過現(xiàn)場試驗，對1～6擋位下的噪聲進行測試分析，明確了各擋位下的噪聲頻譜特性，確定了噪聲較大的位置及產(chǎn)生原因，最后，用聲壓法(工程)計算得到壓裂設(shè)備輻射的聲功率，研究擋位變換對壓裂設(shè)備輻射噪聲的影響，為壓裂設(shè)備的降噪提供一定的參考。

1 海洋油氣壓裂設(shè)備噪聲測試

噪聲測試內(nèi)容包括：背景噪聲測試和單臺壓裂設(shè)備啟動下1～6擋的噪聲測試。測試儀器：DH5902數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、MPA傳聲器(9個)、傳聲器支架(8個)、風(fēng)球(9個)、繩子等輔助工具。利用支架將傳聲器固定在指定位置，對于無法使用支架固定的位置，借助繩子等輔助工具加以固定。使用前，用BSWA CA114聲級校準器對每個傳聲器進行聲學(xué)校準。建立九測點空間包絡(luò)基準體測試模型，即，先在被測壓裂設(shè)備周圍設(shè)定一個基準體(假想的、恰好包絡(luò)被測物的最小平行六面體)，在基準體周圍包絡(luò)被測設(shè)備、各邊平行于基準體的邊、與基準體各個面距離1 m的一個假想表面，在假想表面的中心和角上布置傳聲器。該布置方法涵蓋壓裂設(shè)備周圍重要位置，可用于測試研究整機噪聲特性。

壓裂設(shè)備測點布置如圖1所示，其中，4個較低位置的測點編號為別為1、2、3、4，5個較高位置的測點編號分別為5、6、7、8、9。

圖1 壓裂設(shè)備測點布置

2 壓裂設(shè)備噪聲特性研究

2.1 背景噪聲

首先對背景噪聲進行測試。在壓裂設(shè)備未啟動工況下采集180 s數(shù)據(jù)。

由于人耳能聽到的聲壓范圍非常大，用聲壓值來衡量聲音的強弱很不方便，所以引入聲壓級來描述聲音的強弱。聲壓級定義為聲壓的有效值與基準聲壓的有效值之比[6]，即：

(1)

式中：pe為測量聲壓；pr為參考聲壓，取值pr=2×10-5Pa，是人耳對1 Hz空氣聲所能感覺到的最低聲音的聲壓。

各測點聲壓值取均方根值，采用A計權(quán)聲級，由上式計算得到各測點背景噪聲聲壓級，如表1。

表1 背景噪聲聲壓級

背景噪聲測量的作用是對實際工況下的聲壓級進行修正[7]，具體修正值如表2所示。

表2 環(huán)境噪聲修正值 dB(A)

2.2 運行工況下噪聲特性

以3號機為測試對象，其位置以及測試工況如圖2所示。

圖2 測試對象和測試工況

對單機運行工況下1～6擋工況的噪聲進行測試，由于工況數(shù)據(jù)過多，以下僅列舉1擋和5擋工況下數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

1) 第1擋工況。

壓裂設(shè)備第1擋工況各個測點的1/3倍頻程頻譜圖如圖3所示。

根據(jù)聲波疊加原理[8]，大小相差10 dB的兩聲壓級疊加結(jié)果等于較大聲壓級。因此定義頻帶聲壓級最大值以下10 dB范圍內(nèi)的頻率區(qū)域為噪聲顯著頻段，該頻段噪聲主導(dǎo)了壓裂設(shè)備噪聲的總聲壓級水平，也決定了該機器輻射噪聲的特點[9]。該工況下噪聲顯著頻段如圖3所示。

圖3 1擋工況各測點噪聲1/3倍頻程頻譜

由圖3可知，1擋工況下噪聲顯著頻段為315～4 000 Hz，呈寬頻特性。該噪聲屬于明顯的機械性噪聲，由摩擦、磨損以及機構(gòu)間的力傳遞不均勻性產(chǎn)生。

各測點聲壓值取均方根值，采用 A計權(quán)聲級，計算得各測點噪聲信息如表3所示。

表3 第1擋工況各測點噪聲信息

由表3可知，測點1、2、3、4、9的聲壓級較大，這可能是因為測點1、2、3、4是處于較低位置的點，由于甲板的反射作用，使得噪聲聲壓級增大；發(fā)動機端測點4的聲壓級高于壓裂泵端測點2的聲壓級；其他點位于高處空曠位置，反射作用影響較小，噪聲聲壓級較小。

2) 第5擋工況。

壓裂設(shè)備五擋工況各個測點的1/3倍頻程頻譜圖以及噪聲顯著頻段如圖4所示。

圖4 5擋工況各測點噪聲1/3倍頻程頻譜

由圖4可知，5擋工況下噪聲顯著頻段為315～4 000 Hz，同1擋工況一致，該噪聲呈寬頻特性。計算得各測點噪聲信息及較1擋變化量如表4所示。

表4 第5擋工況各測點噪聲信息

由表4可知，測點1、2、3、4、9的聲壓級較大，原因與1擋工況一致；發(fā)動機端測點4的聲壓級高于壓裂泵端測點2的聲壓級；與1擋工況相比，各測點的聲壓級均有所增加，但增加量較小。

為研究壓裂設(shè)備擋位變化對噪聲的影響，做出各測點在各擋位下的聲壓級曲線如圖5所示。

圖5 不同檔位下各測點的聲壓級

由圖5可知，擋位的變化對噪聲的影響不明顯，可認為各擋位下噪聲是相同的。對比分析1～4測點，發(fā)現(xiàn)1、3測點聲壓級高于2、4測點，這可能是因為1、3測點位于2臺壓裂設(shè)備中間，由于反射作用導(dǎo)致聲壓級水平升高。

2.3 單機聲功率的計算

聲功率是描述特定聲源發(fā)出聲音能量級別的尺度，它是聲能的函數(shù)，為不受環(huán)境影響的常量，在聲學(xué)分析和噪聲控制方面有一定的優(yōu)越性[10]。工程中常采用聲壓法來計算設(shè)備穩(wěn)定工況下的聲功率。對聲功率計算時，首先要對環(huán)境聲場進行修正[11]。

聲功率Lw的計算可按下式計算：

式中：Lw為A計權(quán)聲功率級或倍頻程聲功率級，dB(A)；S為測量表面積，m2；S0為標準測量表面積，m2，通常取值為1 m2；K為倍頻帶的環(huán)境修正值。

根據(jù)上述理論計算得各擋總聲功率級如表5所示。

各擋聲功率1/3倍頻程頻譜如圖6所示。

由表5和圖6可知，在變換擋位后，輻射噪聲的聲功率基本不變，表明壓裂設(shè)備在各檔工況下輻射的聲能量是相同的，再次說明擋位變換對壓裂設(shè)備輻射噪聲無影響。

表5 各擋位總聲功率級

圖6 不同擋位聲功率1/3倍頻程頻譜

3 結(jié)論

本文基于現(xiàn)場測試，建立九測點空間包絡(luò)基準體測試模型，對海洋油氣壓裂設(shè)備的噪聲特性進行測試分析。明確了壓裂設(shè)備噪聲特性，研究了噪聲較大位置以及產(chǎn)生原因。通過對比各擋位下的聲壓級和聲功率研究了擋位變換對噪聲的影響。

1) 壓裂設(shè)備輻射的噪聲呈寬頻特性，是典型的機械性噪聲，由摩擦、磨損以及機構(gòu)間的力傳遞不均勻性產(chǎn)生，這為降噪研究提供一定的依據(jù)。

2) 較低位置噪聲聲壓級較大，可達100 dB(A)以上，這可能是因為甲板的反射作用，使得較低位置噪聲聲壓級增大。其中，2臺壓裂設(shè)備之間的噪聲最大，這可能是因為甲板和其它機組共同反射作用的結(jié)果；壓裂設(shè)備發(fā)動機端噪聲高于壓裂泵端的噪聲；其高處空曠位置處由于反射作用影響較小，噪聲聲壓級較小。

3) 對各擋位下的總聲壓級和總聲功率級的對比分析表明，擋位的變換對整機噪聲無影響。