橇裝壓縮機(jī)振動(dòng)對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)影響分析

張國(guó)凍，于成龍，楊森，楊啟福，鄧冠華

中海油能源發(fā)展股份有限公司湛江采油服務(wù)文昌分公司（廣東湛江 524057）

國(guó)內(nèi)海上氣田開(kāi)發(fā)逐步趨于深水化、大型化、整裝化，對(duì)天然氣增壓設(shè)備的要求不斷提高。往復(fù)式壓縮機(jī)組作為重要的增壓設(shè)備正朝著橇裝化、復(fù)雜化的方向發(fā)展[1-4]，橇裝壓縮機(jī)組一般由滌氣系統(tǒng)、緩沖及壓縮機(jī)組、后冷卻系統(tǒng)、滑油分配系統(tǒng)等組成。由于往復(fù)式壓縮機(jī)固有的運(yùn)動(dòng)特性，在其高速運(yùn)行過(guò)程中容易產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題[5]。因氣田生產(chǎn)時(shí)需對(duì)高壓氣、濕氣、低壓氣等不同組分、壓力的氣體分別進(jìn)行增壓處理，氣田需布置多臺(tái)（套）不同的壓縮機(jī)組。大型的橇裝機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，會(huì)放大振動(dòng)問(wèn)題[6]，是平臺(tái)安全運(yùn)行一個(gè)不可忽略的隱患。引起振動(dòng)的原因有兩種：一種是平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)固有頻率與天然氣壓縮機(jī)的激勵(lì)頻率一致，發(fā)生共振[7-9]；另一種是天然氣壓縮機(jī)的激勵(lì)過(guò)大使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)[10-11]。為論證上述兩種振動(dòng)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響，基于有限元分析軟件ANSA、ABAQUS，對(duì)南海西部某氣田中心平臺(tái)的6 臺(tái)壓縮機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)特性分析，分析平臺(tái)整體震動(dòng)是否在ISO 6954—2000 振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)許可的4 mm/s范圍內(nèi)。

1 平臺(tái)壓縮機(jī)概況

南海西部某氣田中心平臺(tái)為8 腿平臺(tái)，水深117.7 m，平臺(tái)設(shè)上、中、下三層甲板。平臺(tái)共設(shè)有6臺(tái)橇裝式往復(fù)式壓縮機(jī)組，其中3臺(tái)濕氣壓縮機(jī)組X-2501A/B/C布置于標(biāo)高（+）24 m的中層甲板上，位于平臺(tái)主軸A、B，與副軸2.1至主軸3之間；1臺(tái)低壓氣回收往復(fù)壓縮機(jī)組X-2810布置于標(biāo)高（+）24 m的中層甲板上，位于平臺(tái)主軸A南側(cè)，與副軸2.3至主軸3之間；2臺(tái)干氣外輸往復(fù)壓縮機(jī)組X-2701A/B布置于標(biāo)高（+）18 m的底層甲板上，位于平臺(tái)主軸A、B，與副軸2.1至2.3之間。各壓縮機(jī)組相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各壓縮機(jī)組相關(guān)參數(shù)

平臺(tái)除上述壓縮機(jī)組外，還有凝析油外輸泵、甲醇及化學(xué)藥劑注入泵、開(kāi)閉排泵、火炬分液泵、生活海淡水泵等動(dòng)設(shè)備，這些設(shè)備最大功率均不超過(guò)150 kW，對(duì)平臺(tái)整體震動(dòng)影響較小，因此本次分析不考慮這些設(shè)備對(duì)平臺(tái)振動(dòng)的影響。

2 有限元模型

2.1 壓縮機(jī)模型建立

大型的橇裝式壓縮機(jī)組內(nèi)部設(shè)備布置極其緊湊且復(fù)雜，6 臺(tái)壓縮機(jī)組因處理介質(zhì)、操作壓力、操作溫度的不同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也存在較大差異。電機(jī)、壓縮機(jī)、滌氣罐、冷卻器、滑油模組等主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)、大小和質(zhì)量均不同，各橇塊內(nèi)部的管線(xiàn)尺寸及走向也不同。要建立起與實(shí)際布置情況完全一致的模型并不可行，因此，在不影響整體計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，需對(duì)橇塊某些局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[12-13]。

根據(jù)各壓縮機(jī)橇內(nèi)部布置圖紙，使用ANSA 軟件進(jìn)行模型建立。各壓縮機(jī)橇塊模型采用殼單元組成，各橇底座梁結(jié)構(gòu)模型與實(shí)際布置情況一致，并離散成由節(jié)點(diǎn)及單元組成的力學(xué)模型，按Q345R鋼材對(duì)其賦予相應(yīng)屬性。電機(jī)、壓縮機(jī)、滌氣罐、冷卻器等主要重設(shè)備按實(shí)際重心位置和結(jié)構(gòu)質(zhì)量以施加質(zhì)量點(diǎn)的形式建立模型。盡可能全面地施加附屬的管線(xiàn)、輔機(jī)等設(shè)備重量。

2.2 平臺(tái)模型建立

平臺(tái)模型建立與壓縮機(jī)橇塊類(lèi)似，主要根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)梁總體布置圖進(jìn)行建模。主體梁結(jié)構(gòu)按實(shí)際布置情況建立模型后，按實(shí)際重心位置和結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)生活樓模塊、鉆機(jī)支持模塊、鉆機(jī)模塊、電氣房模塊4 部分重組件進(jìn)行質(zhì)量施加，建立平臺(tái)3 層甲板至導(dǎo)管架中間部分的結(jié)構(gòu)模型。

2.3 模型連接

各壓縮機(jī)橇塊通過(guò)施加約束方式連接至平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)，得到各壓縮機(jī)組有限元模型。整體設(shè)備及其質(zhì)量點(diǎn)的分布情況如圖1所示。

圖1 整體設(shè)備及其質(zhì)量點(diǎn)的分布情況

平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)所使用的材料為Q345鋼材，其材料屬性見(jiàn)表2。

表2 Q345鋼材部分屬性

2.4 模型網(wǎng)格劃分

對(duì)平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行質(zhì)量檢查，各項(xiàng)檢查指標(biāo)均滿(mǎn)足有限元仿真的需要，有限元模型效果如圖2所示。

圖2 平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)有限元模型

3 平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性模態(tài)分析

3.1 載荷及邊界條件

平臺(tái)為導(dǎo)管架式，下部由導(dǎo)管架連接至海底基樁。除上部浪涌、風(fēng)載外不存在其他約束條件。浪涌、風(fēng)載對(duì)平臺(tái)導(dǎo)管架會(huì)造成一定的擺晃，振幅小、頻率極低且不規(guī)律[14]，對(duì)本次分析影響較小，本次模態(tài)分析的支撐邊界約束條件暫不考慮導(dǎo)管架本身振動(dòng)移動(dòng)影響。因此，模型支柱底端施加簡(jiǎn)單支撐邊界條件，上部不進(jìn)行約束[15-16]。用于模擬平臺(tái)的支撐邊界條件，即約束梁?jiǎn)卧猉、Y、Z方向位移自由度。邊界約束條件如圖3所示。

圖3 邊界約束條件

3.2 模態(tài)分析

通過(guò)模態(tài)分析得到平臺(tái)整體的前20 階固有頻率，見(jiàn)表3。

表3 平臺(tái)甲板固有頻率

由表3 可以看到平臺(tái)結(jié)構(gòu)的固有頻率在1～15 階，平臺(tái)模型的固有頻率隨階數(shù)升高而增大。在15～20 階的高階時(shí)，其固有頻率達(dá)到穩(wěn)定，最大值為8.92 Hz，這與作為激勵(lì)源的各壓縮機(jī)工作頻率（40～50 Hz）相差較大。因此，不會(huì)發(fā)生共振情況。

4 平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性諧響應(yīng)分析

4.1 載荷及邊界條件

激勵(lì)源主要來(lái)自于各壓縮機(jī)組產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷，即不平衡力和力矩[17-19]。各壓縮機(jī)組的不平衡力參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 各壓縮機(jī)組產(chǎn)生的不平衡力和力矩

4.2 諧響應(yīng)分析結(jié)果

頻率范圍的選取主要是各壓縮機(jī)組的正常工作頻率，即40～50 Hz，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行諧響應(yīng)分析。在諧響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上獲得了平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)速度云圖、速度-頻率曲線(xiàn)關(guān)系、位移云圖、位移-頻率曲線(xiàn)關(guān)系、工作頻率下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值等，具體如圖4、圖5所示。

圖4 平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)速度云圖

圖5 平臺(tái)結(jié)構(gòu)的位移云圖

從圖4 和圖5 可以看出，速度及位移最大點(diǎn)為同一處，位于中層甲板與下層甲板連接處。該處布置有3臺(tái)濕氣壓縮機(jī)，激勵(lì)力較大，導(dǎo)致該處響應(yīng)較大。在各機(jī)組40～50 Hz 的工作頻率區(qū)間內(nèi)，平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)響應(yīng)速度及位移的最大值均為40 Hz頻率時(shí)產(chǎn)生。此頻率下響應(yīng)最大點(diǎn)的速度和位移在各個(gè)方向上的值及合值，見(jiàn)表5。

表5 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)工作頻率下響應(yīng)數(shù)值

由表5 可知速度主要方向?yàn)閄方向，位移主要方向?yàn)閆方向。當(dāng)壓縮機(jī)組處于工作頻率時(shí)，平臺(tái)響應(yīng)速度為1.7 mm/s，在ISO 6954—2000 振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)許可的4 mm/s范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

1）平臺(tái)整體模態(tài)分析結(jié)果顯示，平臺(tái)固有頻率最大值與作為激勵(lì)源的各壓縮機(jī)工作頻率相差較大，壓縮機(jī)組運(yùn)行不會(huì)發(fā)生平臺(tái)共振。因此，在電機(jī)、泵、發(fā)電機(jī)組等動(dòng)設(shè)備選型時(shí)，除存在極低頻率運(yùn)行工況外，不需要考慮共振問(wèn)題。

2）諧響應(yīng)分析結(jié)果顯示6臺(tái)橇裝式往復(fù)式壓縮機(jī)組在工頻同時(shí)運(yùn)行的最極端工況下，對(duì)平臺(tái)整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響很小。證明了對(duì)多級(jí)分離后的干氣、濕氣、低壓氣，采用橇裝往復(fù)式壓縮機(jī)組進(jìn)行分別增壓的技術(shù)方案適用于南海西部某海上氣田中心平臺(tái)。其橇裝設(shè)計(jì)方案、機(jī)組選型、平臺(tái)空間布置等為類(lèi)似的海上平臺(tái)設(shè)計(jì)提供了參考。