模態(tài)分析技術(shù)在解決平臺甲板高振動(dòng)問題中的應(yīng)用

王永順（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

模態(tài)分析技術(shù)在解決平臺甲板高振動(dòng)問題中的應(yīng)用

王永順
（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

摘 要：隨著近些年海洋石油工業(yè)的蓬勃發(fā)展，部分海上平臺的現(xiàn)有設(shè)施已經(jīng)滿足不了產(chǎn)量、工藝流程上的要求，所以海上平臺設(shè)施改造的項(xiàng)目越來越多。但是在許多改造項(xiàng)目中，由于受眾多因素的影響，只考慮到了滿足工藝流程的需求，卻對設(shè)備下方的甲板等鋼結(jié)構(gòu)方面考慮不周，造成設(shè)備附近甲板出現(xiàn)高振動(dòng)，無法保證設(shè)備正常運(yùn)行。本項(xiàng)目通過運(yùn)用模態(tài)分析技術(shù)至少能使注水泵甲板振動(dòng)降低50%以上，電機(jī)軸承壽命至少可提高為原甲板結(jié)構(gòu)作用下的2倍以上。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析；注水泵甲板；高振動(dòng)

1 背景

某海洋平臺注水泵甲板自2009年改造投用后，四臺注水泵在累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不到半年的情況下，電機(jī)軸承相繼出現(xiàn)故障，設(shè)備布局圖如圖1所示（紅線部分為新增加的甲板及支撐）。

狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)人員運(yùn)用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行頻譜分析認(rèn)為，電機(jī)軸承內(nèi)外滾道存在嚴(yán)重故障。從拆下的軸承上看，主要問題是軸承內(nèi)外滾道上存在凹痕。而且從日后每次拆下的電機(jī)軸承來看，基本都是同一問題。從設(shè)備檢修歷史來看，在2012-2013兩年時(shí)間里4臺機(jī)組共進(jìn)行了大大小小近40次維修（包括電機(jī)和泵部分的維修）。拆檢下的電機(jī)軸承如圖2所示。

2 模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用

目前狀態(tài)監(jiān)測已有技術(shù)只是針對設(shè)備本身進(jìn)行診斷分析，但是鑒于海上平臺的特殊性，所有設(shè)備都是整體安裝在鋼結(jié)構(gòu)甲板上，一旦甲板存在某些問題，也會(huì)造成設(shè)備的頻繁損壞，不僅浪費(fèi)大量的人力物力，還嚴(yán)重影響平臺的安全生產(chǎn)。所以說目前狀態(tài)監(jiān)測已有手段已不能滿足實(shí)際需求。該項(xiàng)目是以模態(tài)試驗(yàn)分析為基礎(chǔ)，豐富狀態(tài)監(jiān)測的技術(shù)手段，增加對設(shè)備撬塊及甲板進(jìn)行分析評估的能力，建立起一套先進(jìn)、穩(wěn)定、可靠的甲板分析評估技術(shù)。

2.1 模態(tài)分析技術(shù)的引進(jìn)

我公司為了徹底解決因平臺注水泵甲板高振動(dòng)造成電機(jī)軸承頻繁失效的問題，保證平臺設(shè)備的安全生產(chǎn)，引進(jìn)了模態(tài)分析技術(shù)，并出海進(jìn)行甲板測試。

甲板模態(tài)測試采用工作模態(tài)分析方法（OMA），通過A-P231A/B兩臺電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下測量甲板上各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，以測點(diǎn)2為參考點(diǎn)，獲得其余測點(diǎn)相對參考點(diǎn)的傳遞率進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別來得到結(jié)構(gòu)的頻率、阻尼及振型等模態(tài)參數(shù)，如圖3所示。

2.2 測試結(jié)果

通過平臺振動(dòng)與模態(tài)測試，及結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測多年監(jiān)測的設(shè)備振動(dòng)歷史數(shù)據(jù)可得到以下結(jié)論：

（1）電機(jī)振動(dòng)存在隨轉(zhuǎn)頻的周期性振動(dòng)，且地腳振動(dòng)值與軸承處振動(dòng)值接近，主要由甲板振動(dòng)傳遞、支撐剛度薄弱或不均勻所致；

（2）A-P231B單獨(dú)運(yùn)行時(shí)對A-P231A影響較大，最大處在電機(jī)負(fù)荷端垂直方向烈度達(dá)3.0mm/s，此時(shí)極易出現(xiàn)點(diǎn)蝕磨損，且各工況下電機(jī)軸承均已出現(xiàn)少量磨損；

（3）振動(dòng)大小變化明顯，呈周期性變化（周期37S），電機(jī)發(fā)出‘嗡嗡’聲音，231A停機(jī)后此現(xiàn)象消失，因此電機(jī)存在拍振問題；同時(shí)電機(jī)振動(dòng)受到風(fēng)載和海浪的低頻調(diào)制影響；

（4）電機(jī)在各種工況下均存在左右擺動(dòng)現(xiàn)象，其主要原因是由于電機(jī)左右支撐剛度分布不均勻所致，左右擺動(dòng)影響電機(jī)電磁力發(fā)生變化引起電機(jī)振動(dòng)，導(dǎo)致軸承承受載荷增大，縮短軸承壽命；

（5）電機(jī)除存在左右擺動(dòng)現(xiàn)象外，還存在上下扭動(dòng)現(xiàn)象，其主要原因是由于電機(jī)支撐的對角線上剛度不均勻造成的，電機(jī)上下扭動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致軸承承受載荷增大，縮短軸承壽命。

2.3 優(yōu)化策略

由測試和仿真結(jié)果可知，電機(jī)前端振動(dòng)較大和電機(jī)左右兩端支撐剛度不均勻，導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)左右擺動(dòng)和上下扭動(dòng)現(xiàn)象。針對上述現(xiàn)象，振動(dòng)優(yōu)化策略如下：

（1）通過改變甲板支撐來優(yōu)化甲板振型，使其振型更利于電機(jī)位置的振動(dòng)；

（2）在保證甲板剛度的同時(shí)，盡可能均勻設(shè)計(jì)撬塊四個(gè)角附近的甲板剛度，以保證甲板在振動(dòng)過程中盡可能減少對電機(jī)的影響。

2.4 改造方案

甲板上的一根支撐去掉，電機(jī)前端延伸兩根梁，泵處增加一根筋板，如圖4所示。

與原結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行對比，可以得出結(jié)構(gòu)在50Hz激勵(lì)作用下，甲板和電機(jī)的振動(dòng)均得到較大幅度的降低，部分測點(diǎn)最大降幅超過90%，優(yōu)化后減振效果較為明顯。從CAE仿真測點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)來看，優(yōu)化方案相對原結(jié)構(gòu)有很大程度的改善，且優(yōu)化后電機(jī)振動(dòng)均小于3mm/s，滿足振動(dòng)要求，如圖5所示。

根據(jù)滾子軸承壽命計(jì)算公式：

從上述公式可以得出，優(yōu)化前后軸承的轉(zhuǎn)速、基本額定動(dòng)載荷C不變，當(dāng)甲板振動(dòng)降低50%以上，其對軸承的動(dòng)載荷至少可降低20%以上。因此，可以得出在相同測試條件下，優(yōu)化后電機(jī)軸承壽命至少可提高為原甲板結(jié)構(gòu)作用下的2倍以上。

經(jīng)過現(xiàn)場結(jié)構(gòu)整改后，甲板的振動(dòng)高點(diǎn)降振幅度超過50%，局部可達(dá)70%，電機(jī)軸承運(yùn)行時(shí)間已超過一年，目前狀況良好。

參考文獻(xiàn)

[1]趙得有，金咸定.船體振動(dòng)學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[2]韓國明，劉玉民，譚鈞.試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析與有限元耦合技術(shù)[J].機(jī)械強(qiáng)度，1990 （02）：11-14.

中圖分類號：TV312

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：王永順，男，天津市濱海新區(qū)、中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，工程師、學(xué)士，研究方向：狀態(tài)監(jiān)測、模態(tài)分析。