LNG再氣化模塊動設(shè)備基礎(chǔ)及支撐結(jié)構(gòu)振動研究

張麗華，諸俊楷，徐海濤

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.北京數(shù)碼易知科技發(fā)展有限責(zé)任公司 鎮(zhèn)江分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

由動設(shè)備所引起的設(shè)備基礎(chǔ)及相連支撐結(jié)構(gòu)有害振動一直是海工平臺的關(guān)注焦點(diǎn)，針對性地形成可靠、高效的有害振動預(yù)報和評估方法，對保障海上作業(yè)人員和相關(guān)設(shè)備安全有著重要意義。

朱丹宸等利用Ansys Workbench軟件對軸承支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計算和傳遞函數(shù)的計算，分析了結(jié)構(gòu)振動傳遞趨勢。王德如等對海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力響應(yīng)分析，計算出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。王曉陽等采用有限元法對吊機(jī)封固裝置的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，得出滿足規(guī)范要求的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。李全超等研究了軸承支撐剛度、基座支撐剛度等支撐參數(shù)對系統(tǒng)振動固有特性,并提出軸系減振設(shè)計參數(shù)控制方向。馮亮等對柔性連接結(jié)構(gòu)以及剛性連接結(jié)構(gòu)的振動傳遞進(jìn)行了分析，得到抑制高頻振動的方法。ADILAH等根據(jù)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，提出了一種有效的浮式海上風(fēng)力渦輪機(jī)長期疲勞損傷評估方法。劉艷敏等對不同結(jié)構(gòu)形式電機(jī)基座在設(shè)備激勵下所引起的振動響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計算模擬，提出一種改進(jìn)優(yōu)化的側(cè)掛式電機(jī)基座結(jié)構(gòu)。屠艷等研究了鉆探船全船固有頻率與固有振型，將全船固有頻率與船上振動激勵源的激振頻率進(jìn)行對比分析，得到船體總振動固有頻率儲備系數(shù)。朱煜等對正常狀態(tài)和不同故障狀態(tài)下離心泵機(jī)組的軸向和徑向振動情況進(jìn)行試驗(yàn)測量和數(shù)據(jù)分析，獲得了正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的時域圖和頻譜圖，驗(yàn)證了基于振動分析方法的有效性。以上學(xué)者對于結(jié)構(gòu)振動問題進(jìn)行了研究，分析了振動趨勢，提出了相關(guān)優(yōu)化方案，但對振動問題僅采用有限元及模態(tài)分析方法進(jìn)行研究。

對此，本文基于SACS軟件的結(jié)構(gòu)分析，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)和指南對某浮式儲存及再氣化裝置(Floating Storageand Re-gasification Unit，F(xiàn)SRU)上的LNG再氣化模塊離心泵設(shè)備基礎(chǔ)及支撐結(jié)構(gòu)的振動問題進(jìn)行研究，建立等效模型，先后使用模態(tài)分析進(jìn)行共振判別、諧響應(yīng)分析的響應(yīng)判別，對可能的有害振動進(jìn)行預(yù)報和評估。

1 項目背景

再氣化模塊是液化天然氣FSRU上的核心工藝模塊。模塊中的核心設(shè)備LNG高壓供給泵能夠從儲罐中持續(xù)抽取低溫液體提供貨源，與之相關(guān)的動力安全評估對確保設(shè)備及結(jié)構(gòu)安全十分關(guān)鍵。該再氣化模塊整體的支撐結(jié)構(gòu)型式和設(shè)備布置見圖1。圖中，1號和2號LNG供給泵與方向坐標(biāo)一致，視圖中相互遮擋。

2臺離心泵通常同時啟動作業(yè)，也可單獨(dú)使用為后續(xù)工藝模塊提供LNG。2臺設(shè)備采用直立型整體化安裝，型號及相連基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式完全一致，前后串連布置在再氣化模塊的二層工藝甲板靠船尾區(qū)域。該設(shè)備工作時對由自身動力或周圍環(huán)境引起的最大振幅(機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形)上限要求較嚴(yán)格，因此配有可定期進(jìn)行系統(tǒng)升級的振動監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 LNG 再氣化模塊正視圖

2 等效模型建立

使用SACS軟件建立三維梁柱等效結(jié)構(gòu)模型，以設(shè)備基礎(chǔ)及相連結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)模擬區(qū)域，并保證整個模塊的縱橫梁結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量與實(shí)際情況保持一致。

在模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析中，將與設(shè)備基礎(chǔ)直接和間接相連Joint節(jié)點(diǎn)的、、方向位移取為主自由度222 000，同時設(shè)置模塊支腿與主甲板相連的節(jié)點(diǎn)為簡支邊界條件111 000。設(shè)置222 000的Joint節(jié)點(diǎn)詳細(xì)分布情況見圖2。圖中，“▽”表示節(jié)點(diǎn)已被選取平動主自由度，數(shù)字為節(jié)點(diǎn)編號。

圖2 泵設(shè)備基礎(chǔ)及支撐結(jié)構(gòu)三維立面圖及俯視圖

3 計算分析過程

3.1 模態(tài)分析

使用Extract Mode Shape模態(tài)分析模塊，根據(jù)重量控制報告，校對包含結(jié)構(gòu)、設(shè)備和油水在內(nèi)的各項重量分布，通過改變結(jié)構(gòu)密度的方式進(jìn)行施加。在設(shè)備質(zhì)心增設(shè)虛擬點(diǎn)，使用Joint Weight節(jié)點(diǎn)質(zhì)量加載功能輸入設(shè)備濕重，并使用虛擬高剛度桿件將虛擬點(diǎn)與整個支撐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)相連。通過擴(kuò)大計算的頻域范圍，求取模型的前40階模態(tài)振型及頻率，確保計算結(jié)果能覆蓋46.67～73.33 Hz對應(yīng)泵設(shè)備最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的工作頻域。具體設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備驅(qū)動電機(jī)及設(shè)備重量等技術(shù)參數(shù)

通過Mode Animation振型動態(tài)效果功能得到第31、36階結(jié)果分別對應(yīng)為設(shè)備基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的第1階和第2階自振頻率和模態(tài)振型，結(jié)果見圖3。

圖3 設(shè)備基礎(chǔ)及支撐結(jié)構(gòu)的前兩階自振頻率

離心泵的額定轉(zhuǎn)速=3 579 r/min下該系統(tǒng)1階激振頻率為=59.65 Hz，對比計算結(jié)果中的第1階結(jié)構(gòu)自振頻率56.287 Hz和第2階66.727 Hz可得，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)自振頻率與激勵頻率較接近，設(shè)備作業(yè)過程中有發(fā)生共振的風(fēng)險。根據(jù)這一情況，需使用諧響應(yīng)分析求取結(jié)構(gòu)在該激勵頻率的速度和加速度度響應(yīng)值，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)進(jìn)行校核。

3.2 諧響應(yīng)分析

因設(shè)備供 應(yīng)商無法提供準(zhǔn)確的不平衡力作為系統(tǒng)的載荷輸入，本文結(jié)合表1數(shù)據(jù)，采用美國認(rèn)證協(xié)會ACI 351.3R-04動力設(shè)備基礎(chǔ)推薦設(shè)計指南中推薦的式(1)求取激振力。

(1)

式中：為動力設(shè)備旋轉(zhuǎn)部分重量，該泵設(shè)備的旋轉(zhuǎn)重量約占干重的25%；為離心泵的額定轉(zhuǎn)速，取正常工作轉(zhuǎn)速3 579 r/min。

經(jīng)計算，=28.286 kN。

使用Engine Vibration機(jī)械強(qiáng)迫振動分析模塊進(jìn)行諧響應(yīng)分析。因外加激勵頻率相對較高，接近60 Hz，屬于高頻結(jié)構(gòu)振動問題，最終選取5%作為系統(tǒng)阻尼比。對模擬1號、2號泵設(shè)備質(zhì)心的虛擬點(diǎn)001和002分別施加和，作用力大小為，并同時考慮二者之間的0°、90°、180°和270°相位差共4種載荷工況，最終根據(jù)模擬計算結(jié)果選取位移響應(yīng)最大的相位同步工況作為校核重點(diǎn)。頻域范圍同樣選取2 800～4 400 r/min，求得基座區(qū)域范圍內(nèi)最大的位移Joint 0013的、、3個方向的位移隨頻率變化的曲線，見圖4。

圖4結(jié)果顯示，橫軸在額定轉(zhuǎn)速下對應(yīng)縱軸方向最大位移≈0.012 7 mm。計算顯示最大響應(yīng)點(diǎn)出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)與基座連接處。可能的原因是該區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)截面存在突變，后期設(shè)備調(diào)試過程中觀測到的振動幅度較大位置也同樣在這一區(qū)域。

3.3 校核準(zhǔn)則選取

離心式機(jī)械基礎(chǔ)振動通常的計算結(jié)果包含結(jié)構(gòu)位移、速度和加速度的響應(yīng)結(jié)果。考慮到浮式生產(chǎn)裝置海上作業(yè)環(huán)境的特殊性及旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備本身的可持續(xù)作業(yè)要求，本次計算結(jié)果的校核分別參考和對比了NORSOK-S002和PIP-STC01015規(guī)定的相關(guān)衡準(zhǔn)，具體判定標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖5。因選取的校核點(diǎn)基本都在設(shè)備基礎(chǔ)附近，選取曲線區(qū)域4，根據(jù)以往的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對于高頻振動，分別使用水平和垂直方向的加速度響應(yīng)值上限來進(jìn)行安全評估。

圖4 最大位移點(diǎn)的3個平動自由度位移

圖5 NORSOK-S002規(guī)定的水平和垂直方向加速度上限曲線

圖5中，根據(jù)人員長期工作或居住在某一區(qū)域的程度將校核標(biāo)準(zhǔn)分為以下5個等級：

區(qū)域1 中央控制室和生活區(qū)；區(qū)域2 工作間、實(shí)驗(yàn)室、控制室和辦公室；區(qū)域3化工工藝作業(yè)區(qū)、輪機(jī)設(shè)備操作間和鉆井區(qū)域；區(qū)域4振動設(shè)備的周邊作業(yè)區(qū)；區(qū)域5永久性無人員作業(yè)或維修的區(qū)域，針對長期在海上作業(yè)的油氣平臺，該等級通常適用于能夠被接受的振動幅值最大上限。

考慮到設(shè)備安全作業(yè)的要求中針對振動機(jī)械基礎(chǔ)及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)定，在動設(shè)備廠商無法提供保障設(shè)備安全下推薦的準(zhǔn)確數(shù)值情況下，采用以下穩(wěn)定振動速度上限作為衡準(zhǔn)對分析結(jié)果進(jìn)行校核：①離心式機(jī)械3.05 mm/s；②往復(fù)式機(jī)械3.81 mm/s。本文研究的設(shè)備為離心式LNG低溫液體泵，因此選擇A作為判定標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)相關(guān)動力分析式(2)和式(3)，分別輸入基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)附近關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移和系統(tǒng)激勵頻率=59.65 Hz換算得到速度響應(yīng)值和加速度響應(yīng)幅值，見表2。

=2π

(2)

(3)

從表2所列出的對比結(jié)果可以看出，使用NORSOK-S002校核加速度幅值，基本都能滿足要求，且有一定安全裕度，但是使用PIP-STC01015校核速度幅值的結(jié)果則很難全部滿足要求。NORSOKS-002主要考慮的是油氣平臺的結(jié)構(gòu)和人員安全，而PIP-STC01015主要考慮設(shè)備及其基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，考慮到本次使用公式計算的離心激振力相對較大，因此本文認(rèn)為校核結(jié)果表明，現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、該模塊結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計和總體布置能夠滿足動力設(shè)備正常工作時的振動要求，調(diào)試階段振動實(shí)測值也同樣滿足要求。

表2 1號離心泵設(shè)備的基礎(chǔ)及相連支撐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵Joint的振動校核對比

4 結(jié)論

(1)LNG再氣化模塊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案未考慮振動問題，通常是離心泵設(shè)備基礎(chǔ)及模塊支撐結(jié)構(gòu)出現(xiàn)有害振動的源頭。

(2)本文FSRU上的氣化模塊核心設(shè)備LNG供給泵的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計符合規(guī)范要求，無須在交船階段做補(bǔ)強(qiáng)或改造。但是考慮到在FSRU長達(dá)30 a營運(yùn)過程中，LNG供給泵自身軸系和零件可能存在磨損、結(jié)構(gòu)腐蝕甚至疲勞失效等問題，建議船東和設(shè)備廠商在裝置運(yùn)營和設(shè)備維護(hù)時復(fù)檢支撐結(jié)構(gòu)和設(shè)備底座的平整度、螺栓的緊固情況，以及相連管道、管閥及其他重要連接件的糾偏對位等。也可以根據(jù)現(xiàn)場的勘驗(yàn)情況考慮設(shè)備全壽命周期振動監(jiān)控系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化升級。

(3)在海工裝備的工程設(shè)計和施工階段對動設(shè)備基礎(chǔ)及其附屬結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行的分析和評估可以對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)化、設(shè)備的安裝調(diào)試及整個海工裝備的后期運(yùn)維起到輔助作用。