海洋平臺往復(fù)壓縮機組彈簧隔振設(shè)計與應(yīng)用

黃業(yè)華 李國賓 戴國華

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452； 2.大連海事大學(xué) 遼寧大連 116026)

海洋平臺往復(fù)壓縮機組彈簧隔振設(shè)計與應(yīng)用

黃業(yè)華1李國賓2戴國華1

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452； 2.大連海事大學(xué) 遼寧大連 116026)

為解決海洋平臺橇裝結(jié)構(gòu)往復(fù)壓縮機組與安裝甲板結(jié)構(gòu)存在剛性動態(tài)耦合的問題，根據(jù)隔振原理，提出了海洋平臺大型往復(fù)壓縮機組彈簧隔振基礎(chǔ)設(shè)計的具體計算方法和流程。以錦州25-1 CEPF平臺X-2502C壓縮機組為例，進行了壓縮機橇座結(jié)構(gòu)設(shè)計及彈簧隔振器參數(shù)計算，采用有限元分析方法對往復(fù)壓縮機組彈簧隔振基礎(chǔ)進行了動力分析，并應(yīng)用數(shù)據(jù)采集儀和速度傳感器對運行中的CEPF-X-2502C壓縮機組進行了現(xiàn)場測試。結(jié)果表明，本文提出的彈簧隔振設(shè)計方法較好地解決了壓縮機組與安裝甲板結(jié)構(gòu)的剛性動態(tài)耦合問題，有效降低了壓縮機組動載荷對甲板結(jié)構(gòu)的動力作用，實測隔振效率達85%以上，壓縮機組關(guān)鍵位置振動強度滿足要求。本文研究對海洋平臺大型往復(fù)壓縮機組結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝具有一定的指導(dǎo)意義。

海洋平臺；往復(fù)壓縮機組；彈簧隔振設(shè)計；現(xiàn)場測試；錦州25-1 CEPF平臺

目前國內(nèi)海洋平臺大型活塞往復(fù)壓縮機組通常采用橇裝結(jié)構(gòu),為提高壓縮機組的剛度，通過焊接方法與平臺甲板梁剛性連接[1-4]?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，當(dāng)同一甲板上安裝多臺壓縮機組且同時運轉(zhuǎn)時，壓縮機組之間會產(chǎn)生振動耦合，造成壓縮機組及甲板結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)振動過大的問題，影響壓縮機組的安全運行[5-9]。因此，如何妥善處理壓縮機組之間的振動耦合問題，保證海洋平臺大型活塞往復(fù)壓縮機組的安全運行，是目前國內(nèi)海洋平臺大型活塞往復(fù)壓縮機組設(shè)計與安裝迫切需要解決的問題。

本文根據(jù)彈簧隔振原理，提出了海洋平臺大型往復(fù)壓縮機組彈簧隔振基礎(chǔ)設(shè)計的具體計算方法和流程。以錦州25-1CEPF平臺中壓壓縮機組為例，將彈簧隔振方法應(yīng)用于壓縮機組結(jié)構(gòu)的設(shè)計，通過現(xiàn)場振動測試對實際效果進行了分析，結(jié)果表明本文提出的彈簧隔振設(shè)計方法較好地解決了壓縮機組之間的振動耦合問題，對海洋平臺大型往復(fù)壓縮機組結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝具有一定的指導(dǎo)意義。

1 彈簧隔振原理及設(shè)計方法

1.1 隔振的原理

采用彈簧隔振基礎(chǔ)的壓縮機組可簡化為一個單自由度隔振系統(tǒng)[9]，如圖1所示。從圖1可以看出，壓縮機組產(chǎn)生的激振力F1通過彈簧和阻尼傳遞到甲板上。與通過焊接剛性固定在甲板上的壓縮機組相比，傳遞到甲板上的動載力F2不等于F1，二者之比K=F2/F1，稱為傳遞系數(shù)。如果傳遞系數(shù)小于1，則甲板上承受動載力F2小于激振力F1。可見，隔振的前提是合理選擇彈簧和阻尼，使傳遞系數(shù)小于1。

圖1 壓縮機組單自由度隔振系統(tǒng)模型

根據(jù)單自由度隔振系統(tǒng)的模型可知，傳遞系數(shù)與壓縮機組的質(zhì)量m、產(chǎn)生的激振頻率f、彈簧的剛度k和阻尼系數(shù)c存在一定的關(guān)系。如果彈簧隔振系統(tǒng)的固有頻率為f0，阻尼比為ζ，則有

(1)

(2)

式(2)中：ω為彈簧圓頻率，ω=2πf0。

傳遞系數(shù)K為

(3)

式(3)中：λ為激振頻率f與固有頻率f0之比，λ=f/f0。

圖2 K隨λ變化的曲線[10]

表1 不同頻率比時的傳遞系數(shù)和隔振效果

1.2 隔振設(shè)計方法

本文根據(jù)隔振原理對海洋平臺往復(fù)壓縮機組進行彈簧隔振設(shè)計，主要完成彈簧剛度和阻尼的計算，設(shè)計步驟如下：

1) 確定頻率比λ。根據(jù)隔振原理，對于低調(diào)諧，隔振彈簧的選取原則一般為取隔振彈簧的固有頻率f0等于激振頻率f的1/3～1/5，即λ=3～5，選擇隔振器時通常要求隔振效率要達到95%以上。

2) 確定隔振彈簧的固有頻率f0。根據(jù)壓縮機組的激振頻率f和頻率比λ計算隔振彈簧的固有頻率f0=f/λ。

3) 計算彈簧的剛度k。根據(jù)固有頻率f0，由式(1)計算彈簧的剛度k。

4) 計算彈簧的阻尼系數(shù)c。阻尼系數(shù)c=2mζω，考慮壓縮機組的振動特性，須取較大的阻尼比，ζ=0.1～0.2。

5) 確定彈簧隔振器的數(shù)量。選擇原則是使2組彈簧之間的間距不要太大，即讓2組彈簧之間基礎(chǔ)平臺的撓度不要太大，同時考慮彈簧的承重留20%的裕量。

2 海洋平臺壓縮機組彈簧隔振設(shè)計實例

2.1 彈簧隔振器基本參數(shù)

本文以錦州25-1油田CEPF平臺中層甲板上中壓壓縮機CEPF-X-2502C為例進行彈簧隔振設(shè)計。該壓縮機由功率1 050 kW、轉(zhuǎn)速980 r/min的電機驅(qū)動，為一級活塞往復(fù)式壓縮機。壓縮機設(shè)備總質(zhì)量54.3 t，橇塊總質(zhì)量78.3 t，壓縮機組總質(zhì)量132.6 t。壓縮機在運行時的轉(zhuǎn)速為993 r/min，工作頻率f為16.55 Hz。

2.2 橇座結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用彈簧隔振設(shè)計的壓縮機組要求橇座必須具有足夠的剛度，以保證橇座上的設(shè)備振動滿足要求。本文在剛性基礎(chǔ)壓縮機組橇座結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過在主橇的上下表面焊接一層30 mm厚鋼板來提高橇座的結(jié)構(gòu)剛度，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)的壓縮機組前6階固有模態(tài)均為剛體變形，避免了局部振型的產(chǎn)生。

圖3 CEPF-X-2502C壓縮機組彈性基礎(chǔ)橇座結(jié)構(gòu)

2.3 彈簧隔振器參數(shù)計算

本項目壓縮機組激振頻率f=16.55 Hz，取彈簧振動頻率f0=3.5 Hz，則頻率比λ=4.7。壓縮機組的總質(zhì)量m=132.6 t，根據(jù)式(1)計算得到所有彈簧隔振器的總剛度為64.06 kN/mm。

根據(jù)壓縮機組橇座的尺寸，取彈簧組數(shù)為12組，則每組彈簧的承重N=110.5 kN。由于要考慮彈簧的承重留20%的裕量，所以每組彈簧的承重為139 kN，每組彈簧的剛度k=5.34 kN/mm。

當(dāng)機器低速回轉(zhuǎn)時，即在機器啟動或停機時，可能通過共振頻率，此時需要阻尼器來降低系統(tǒng)的振動。取阻尼比ζ=0.2，根據(jù)式(2)計算得到所有彈簧隔振器的阻尼系數(shù)為1 165.82 kN·s/m，則每組彈簧隔振器阻尼系數(shù)為97.15 kN·s/m。

2.4 動力分析

根據(jù)本項目壓縮機組橇座的結(jié)構(gòu)，建立CEPF-X-2502C壓縮機組的有限元模型，如圖4所示。在有限元模型中，彈簧隔振基礎(chǔ)被簡化為一個XY平面內(nèi)的板單元系統(tǒng)。根據(jù)所建立的有限元模型，計算該壓縮機組隔振基礎(chǔ)低頻范圍的固有頻率，結(jié)果見表2。

本項目壓縮機組的工作頻率為16.55 Hz，從表2可以看出：壓縮機組隔振系統(tǒng)的第1階振動模態(tài)頻率2.64 Hz，小于0.8倍工作頻率；而較接近工作頻率的第8階模態(tài)和第9階模態(tài)，頻率分別為13.30 Hz和18.79 Hz，前者小于0.9倍工作頻率，后者大于1.10倍工作頻率，二者均避開了壓縮機組工作頻率±10%的范圍。可見，該壓縮機組隔振系統(tǒng)的前20階固有頻率均能遠離壓縮機組的工作頻率，可避開引起劇烈振動的共振區(qū)域，振動特性優(yōu)良，可不進行諧響應(yīng)分析。

圖4 CEPF-X-2502C壓縮機組有限元模型

表2 CEPF-X-2502C壓縮機組隔振系統(tǒng)固有頻率

2.5 現(xiàn)場隔振測試與分析

為檢驗彈簧隔振的效果，應(yīng)用DASP數(shù)據(jù)采集儀和速度傳感器對運行中的CEPF-X-2502C壓縮機組進行現(xiàn)場測試，通過采集的振動速度信號對隔振效果和振動強度進行分析。

1) 隔振效果。為分析彈性基礎(chǔ)支撐的壓縮機組振動傳遞特性，準(zhǔn)確評價彈簧隔振效果，測點布置如圖5所示，測得的振動信號時域波形和頻譜如圖6所示。從圖6可以看出，由壓縮機組橇座傳遞到安裝甲板上的振動能量明顯衰減，根據(jù)實測信號計算壓縮機組橇座測點1振動信號速度有效值為1.46 mm/s，而與之相鄰的安裝甲板測點2的振動信號速度有效值僅為0.21 mm/s?？梢?，本項目壓縮機組彈簧隔振設(shè)計較好地解決了壓縮機組與甲板結(jié)構(gòu)之間的剛性耦合問題。根據(jù)隔振效率計算公式可知，本項目壓縮機組彈簧隔振系統(tǒng)隔振效率達85%以上，隔振效果顯著。

圖5 CEPF-X-2502C壓縮機組彈簧隔振測點布置

圖6 CEPF-X-2502C壓縮機組彈簧隔振測點振動信號時域波形和頻譜

2) 振動強度。隔振設(shè)計的主要目的是解決壓縮機組與甲板結(jié)構(gòu)之間的剛性耦合問題，但不能降低壓縮機組振動的響應(yīng)值。因此，在評價隔振效果的同時，還必須對壓縮機組關(guān)鍵位置的振動強度進行測量，以保證壓縮機組的安全運行。分別隨機采集壓縮機橇、電機座、壓縮機座、壓縮機缸體、二層橇及安裝甲板測點處的振動速度信號，計算不同測點處振動速度信號有效值，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，本項目壓縮機組彈簧隔振不同測點處振動速度信號有效值均小于API 618標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4.5 mm/s[11]，表明采用彈簧隔振基礎(chǔ)設(shè)計的壓縮機組關(guān)鍵位置振動強度滿足要求。

表3 CEPF-X-2502C壓縮機組彈簧隔振不同測點位置振動速度信號有效值

3 結(jié)論

根據(jù)彈簧隔振原理，提出了海洋平臺大型往復(fù)壓縮機組彈簧隔振基礎(chǔ)設(shè)計的具體計算方法和流程，并以錦州25-1CEPF平臺X-2502C壓縮機組為例，進行了彈簧隔振設(shè)計計算及工程應(yīng)用研究。結(jié)果表明，本文提出的彈簧隔振設(shè)計方法較好地解決了錦州25-1CEPF平臺X-2502C壓縮機組與安裝甲板結(jié)構(gòu)的剛性動態(tài)耦合問題，有效地降低了壓縮機組動載荷對平臺結(jié)構(gòu)的影響，實測隔振效率達85%以上，壓縮機組關(guān)鍵位置的振動強度滿足相關(guān)規(guī)范要求。本文研究對海洋平臺大型活塞往復(fù)壓縮機組結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝具有一定的指導(dǎo)意義。

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(編輯：呂歡歡)

Design and application of spring vibration isolation for reciprocating compressors on offshore platforms

Huang Yehua1Li Guobin2Dai Guohua1

(1.TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China; 2.DalianMaritimeUniversity,Dalian,Liaoning116026,China)

In order to solve the problem of rigid dynamic coupling between the skid-mounted reciprocating compressors on offshore platform and the deck structures, based on the vibration isolation principle, the specific calculation methods and flow chart for designing spring vibration isolation of large reciprocating compressors was put forward. Taking the X-2502C compressors unit of JZ 25-1 CEPF platform as an example, the design of compressors skid structure and the calculation of spring isolation parameters were carried out. The dynamic analysis of spring vibration isolation foundation of reciprocating compressors was conducted with the finite element method, and the field testing on the running CEPF-X-2502C compressors was conducted with the data collection instrument and the speed sensor. The results showed that the problems of rigid dynamic coupling between the compressors and the deck structure can be solved by the spring vibration isolation design method proposed here. The effect of dynamic load of compressors on deck structures can be reduced effectively. The measured vibration isolation efficiency reached 85%; and the vibration strength of key positions in compressors meets the requirements. This study has certain significance for the structure design and installation of large reciprocating compressors on offshore platforms.

offshore platform; reciprocating compressors; spring vibration isolation design; field testing; JZ 25-1 CEPF platform

黃業(yè)華，男，教授級高級工程師,2011年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲運專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事海洋石油開發(fā)工作。地址:天津市濱海新區(qū)海洋石油大廈A座(郵編:300452)。E-mail:huangyh@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0132-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.021

TB535+.1； TE974

A

2015-12-16 改回日期：2016-02-03

黃業(yè)華,李國賓,戴國華.海洋平臺往復(fù)壓縮機組彈簧隔振設(shè)計與應(yīng)用[J].中國海上油氣，2016,28(3)：132-136.

Huang Yehua,Li Guobin,Dai Guohua.Design and application of spring vibration isolation for reciprocating compressors on offshore platforms[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):132-136.