海洋平臺(tái)注水增壓泵甲板振動(dòng)分析及處理方法

曹玉林，王永順

（1.中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司/渤中作業(yè)公司，河北 秦皇島 066000；2.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司,天津 300452）

1 背景

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高昂，不僅承靜載荷的作用，還要承載大量的動(dòng)態(tài)設(shè)備激勵(lì)、海風(fēng)和海浪等動(dòng)載荷的作用，受力情況異常復(fù)雜。其中設(shè)備引起的動(dòng)載荷影響范圍相對較小，但是最為普遍，發(fā)生概率較高。對平臺(tái)生產(chǎn)流程的安全運(yùn)行帶來不利影響。

某平臺(tái)注水增壓泵撬塊區(qū)域甲板一直存在高振動(dòng)問題，并且造成注水增壓泵組電機(jī)軸承和泵機(jī)械密封頻繁損壞，嚴(yán)重影響平臺(tái)的正常生產(chǎn)。本文針對上述存在的問題，進(jìn)行仿真分析，找出振動(dòng)原因，提出相應(yīng)的減振措施。

2 原因分析

由于海洋平臺(tái)所處環(huán)境，不可避免會(huì)遭受風(fēng)、浪、地震、海嘯等自然環(huán)境所帶來的沖擊，但平臺(tái)上機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)可人為的控制其振動(dòng)的大小。就機(jī)械設(shè)備所產(chǎn)生振動(dòng)的原因可以簡單概括以下3點(diǎn)：

2．1 設(shè)備加工和裝配誤差

由于加工和裝配產(chǎn)生的誤差,會(huì)造成設(shè)備內(nèi)部機(jī)構(gòu)各軸線不平行,導(dǎo)致泵與電機(jī)連接處聯(lián)軸器嚙合不好,引起振動(dòng)。一般情況下是先把設(shè)備分別加工好后,再用螺栓固定在撬塊上，通過添加墊塊來調(diào)平安裝面。由于加工孔距有偏差,或固定螺栓松動(dòng)，加上撬座本身不能保證平整度,因而很難保證機(jī)構(gòu)連接軸中心線平行,以致產(chǎn)生振動(dòng)。

2．2 設(shè)備安裝基礎(chǔ)剛度不足

機(jī)械設(shè)備安裝基礎(chǔ)，一方面是指安裝設(shè)備的撬塊，要有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證設(shè)備運(yùn)行時(shí)撬座不會(huì)產(chǎn)生大的變形，能給設(shè)備提供一個(gè)穩(wěn)定的工作環(huán)境；另一方面是指安裝設(shè)備撬塊的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)主梁足以支撐平臺(tái)上設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行而不發(fā)生大的變形。如果基礎(chǔ)不穩(wěn)定，設(shè)備運(yùn)行時(shí)將會(huì)產(chǎn)生不平衡力，這種不平衡力帶來的沖擊無法精確估計(jì)，因此產(chǎn)生的振動(dòng)也是不可估量的。對此建議平臺(tái)設(shè)計(jì)者借助有限元分析軟件，仿真模擬甲板結(jié)構(gòu)，進(jìn)行全面分析，使甲板結(jié)構(gòu)和撬塊有足夠的強(qiáng)度和剛度來支撐設(shè)備運(yùn)行，達(dá)到治標(biāo)又治本的目的。

圖1 泵現(xiàn)場狀態(tài)圖

圖2 注水增壓泵機(jī)組典型振動(dòng)頻譜圖

2．3 甲板上其他設(shè)備引起的耦合振動(dòng)

海洋平臺(tái)主體結(jié)構(gòu),各部分之間用焊接方式連接為一體。設(shè)備安裝極為緊湊，設(shè)備運(yùn)行時(shí)因其振動(dòng)不可避免會(huì)對周圍甲板，及相鄰設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)，從而通過結(jié)構(gòu)傳播振動(dòng)能量到甲板其他地方。我們知道，如果兩者頻率波動(dòng)方向一致且接近或相同，則會(huì)疊加，即所謂的共振，發(fā)生耦合振動(dòng)；若兩者頻率波動(dòng)方向相反，則會(huì)消減，即降低振動(dòng)。甲板上設(shè)備也存在這個(gè)規(guī)律，有些設(shè)備會(huì)發(fā)生振動(dòng)加強(qiáng)，有些設(shè)備可能會(huì)降低振動(dòng)。所以，我們必須從平臺(tái)結(jié)構(gòu)、撬塊、設(shè)備、管線等幾個(gè)方面進(jìn)行整體考慮，保證每個(gè)設(shè)備安裝基礎(chǔ)穩(wěn)定，設(shè)備自身振動(dòng)值滿足要求，這樣才可避免甲板上眾多設(shè)備之間發(fā)生耦合振動(dòng)。

圖2為某海洋平臺(tái)注水增壓泵機(jī)組典型振動(dòng)頻譜圖，在頻譜圖上主要以半倍頻諧波為主，由于鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)剛度分布及注水增壓泵機(jī)組本身質(zhì)量的影響，1X幅值被放大。幾臺(tái)注水增壓泵機(jī)組安裝在同一鋼結(jié)構(gòu)上，同時(shí)運(yùn)行，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速接近而不會(huì)完全相同，電機(jī)機(jī)組振動(dòng)并相互耦合產(chǎn)生較大的背景噪聲。

3 仿真分析

模態(tài)分析與有限元仿真技術(shù)是研究海洋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種現(xiàn)代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

3．1 仿真分析技術(shù)難點(diǎn)

設(shè)備振動(dòng)分析在海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較為困難,在運(yùn)用有限元分析軟件來模擬甲板振動(dòng)情況也存在技術(shù)難點(diǎn)：

（1）計(jì)算機(jī)對分析模型要求比較高，對復(fù)雜模型一般做簡化處理，去掉一些附屬結(jié)構(gòu)和開孔、倒角、圓角等結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)對機(jī)械結(jié)構(gòu)各種工況條件下的邊界條件及處理受制于各種客觀因素，趨于理想化設(shè)計(jì)，這種結(jié)果會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有偏差。

（2）很難確定設(shè)備激勵(lì)的大小，雖然有些設(shè)備廠家會(huì)提供一些設(shè)備激振力信息，但是跟設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在很大誤差, 因此設(shè)備激勵(lì)的選取尤為困難 ,需要經(jīng)過多次試算才找到反映實(shí)際振動(dòng)情況的激勵(lì)。

本文利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和有限元分析相結(jié)合的方法，對平臺(tái)注水增壓泵撬塊區(qū)域結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題進(jìn)行分析，找到問題原因所在，并提出整改方案和措施。

3．2 仿真分析過程

依據(jù)文獻(xiàn)中模型的建立方法，在有限元軟件中采用直接法建模。主要包括建立模型、邊界條件設(shè)置、模態(tài)分析振動(dòng)響應(yīng)分析等。模型和網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖3 甲板振動(dòng)仿真模型

圖4 甲板模態(tài)陣型圖

有限元仿真結(jié)果基本與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析一致，甲板振型表現(xiàn)為泵甲板整體彎曲變形，在不同的工況下，振型會(huì)發(fā)生局部的變化。甲板模態(tài)陣型圖如圖4所示。圖中局部模態(tài)頻率和振型與注水增壓泵撬塊甲板特征頻率和測試ODS振型相符。注水增壓泵的水平振動(dòng)主要是泵機(jī)組自身模態(tài)，垂直和軸向振動(dòng)則與甲板剛度有關(guān)。

通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析，注水增壓泵甲板區(qū)域存在整體性支撐剛度不足問題?？紤]到現(xiàn)場施工難度，及平臺(tái)現(xiàn)場實(shí)際結(jié)構(gòu)不具備對整體區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的條件，因此可以換一種方式，采用給機(jī)械設(shè)備和基礎(chǔ)間增加減振裝置來進(jìn)行處理。

4 改造方案

隔振裝置的使用在建筑、航空、船舶、汽車等領(lǐng)域非常廣泛。結(jié)構(gòu)隔振技術(shù)是在基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)之間，安裝隔振裝置，當(dāng)振動(dòng)波傳入基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)，利用隔振裝置消耗振動(dòng)能量，從而避免振動(dòng)能傳入主體結(jié)構(gòu)，減小主體結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)以及隔振部位的位移，有效降低設(shè)備振動(dòng)對主體結(jié)構(gòu)的影響，從而避免海洋平臺(tái)設(shè)備間發(fā)生振動(dòng)耦合。

根據(jù)上述分析，采用增加減振器的方式來達(dá)到預(yù)期的減振效果。減振器主要由阻尼器、彈簧和相關(guān)連接安裝件組成。它能緩和并且衰減設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊，降低平臺(tái)的動(dòng)應(yīng)力，有利于提高設(shè)備的使用壽命和操作穩(wěn)定性。

4．1 實(shí)施方案

在泵橇底部安裝減振器，通過計(jì)算，選擇JA型低頻阻尼彈簧減振器，如圖5所示。每臺(tái)泵使用6個(gè)減振器，4個(gè)限位裝置，并對泵體橇底部對應(yīng)減振器的6個(gè)位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)，減振器均安裝在泵橇底部。

圖5 減振器安裝布置圖

圖6 設(shè)備測點(diǎn)布置圖

4．2 改造結(jié)果

現(xiàn)場對泵撬塊底部安裝減振器后，進(jìn)行現(xiàn)場振動(dòng)測試評估，設(shè)備測點(diǎn)布置圖如圖6所示。

整改后設(shè)備局部振動(dòng)高點(diǎn)降幅在26%～79%之間，如表1所示。

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從改造結(jié)果可以看出，使用減振器結(jié)構(gòu)減振效果明顯。

5 結(jié)語

由于海洋平臺(tái)是特殊的鋼結(jié)構(gòu)裝置，各設(shè)備間空間有限，主體結(jié)構(gòu)無法加強(qiáng)自身來降低設(shè)備及甲板的振動(dòng)時(shí)，選擇在設(shè)備和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)間增加減振器，也是一種有效的減振方法。同時(shí)，減振器體積小，不占用設(shè)備空間,且安裝減振器整體施工量較小，工程費(fèi)用不大，工期可控，減振效果良好。此項(xiàng)技術(shù)可以逐步推廣到海洋平臺(tái)中，解決動(dòng)設(shè)備之間存在的共振問題。