海洋固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)振動(dòng)分析

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452)

海洋固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)振動(dòng)分析

李彥麗

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452)

針對(duì)海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)鉆井過程中發(fā)生的振動(dòng)問題，以錦州25-1南油田某模塊鉆機(jī)為例，基于SACS結(jié)構(gòu)分析程序?qū)︺@機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算分析，主要包括鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)自振特性以及主要振動(dòng)設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)局部自振特性，為解決大型振動(dòng)設(shè)備與結(jié)構(gòu)共振問題提供分析基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)參考。

模塊鉆機(jī)；振動(dòng)分析；模態(tài)分析；SACS

海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)布置著轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)、振動(dòng)篩、泥漿泵、柴油發(fā)電機(jī)組等激振設(shè)備，強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)引起設(shè)備連接螺栓斷裂；激振力振幅變大，造成其他設(shè)備損壞，噪聲損傷人員身體，并引起平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞損傷。對(duì)于振動(dòng)問題，首先應(yīng)分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因，再尋找相應(yīng)的解決方法。為此，以錦州25-1南油田某模塊鉆機(jī)為例分析其整體及局部結(jié)構(gòu)特性，為解決模塊鉆機(jī)的振動(dòng)問題提供參考。

1 振動(dòng)發(fā)生原因及解決方法

海洋模塊鉆機(jī)發(fā)生振動(dòng)一般有以下3種原因：①設(shè)備振動(dòng)頻率與甲板結(jié)構(gòu)固有頻率相近或成倍數(shù)關(guān)系，稱為共振；②局部結(jié)構(gòu)剛度偏弱，設(shè)備激勵(lì)過大使結(jié)構(gòu)被動(dòng)發(fā)生振動(dòng)；③設(shè)備與基座的連接固定破壞。對(duì)于第①種振動(dòng)原因，要進(jìn)行甲板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性模態(tài)分析，如果設(shè)備的振動(dòng)頻率在結(jié)構(gòu)自振頻率的±10%范圍內(nèi)，那么可能發(fā)生共振。如果設(shè)備的振動(dòng)頻率未在此范圍內(nèi)發(fā)生振動(dòng)問題，那么應(yīng)從甲板結(jié)構(gòu)梁的布置分析入手，分析設(shè)備支撐甲板剛度，同時(shí)觀察設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)甲板的振動(dòng)情況。如果是第②種原因引起，甲板會(huì)隨著設(shè)備振動(dòng)而發(fā)生劇烈振動(dòng)。對(duì)于第③種原因，觀察設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)甲板振動(dòng)情況，設(shè)備振動(dòng)劇烈，但支撐結(jié)構(gòu)振動(dòng)平穩(wěn)，主要原因是設(shè)備橇塊未與甲板主結(jié)構(gòu)梁完全剛性固定，而是彈性連接，設(shè)備作為一個(gè)剛性體其周期性運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)跟他連接的物體發(fā)生耦合振動(dòng)[1]。

避免共振的方法主要是在項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力模態(tài)分析，分析結(jié)構(gòu)的固有頻率，盡可能遠(yuǎn)離設(shè)備擾動(dòng)力的頻率，避開共振區(qū)域。對(duì)于第②種原因引起的振動(dòng)問題，首先支撐設(shè)備的甲板結(jié)構(gòu)形式應(yīng)合理，保證設(shè)備布置區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度的完整性，如出現(xiàn)了不連續(xù)梁削弱了結(jié)構(gòu)整體剛性，造成甲板振動(dòng)。對(duì)于第③種原因引起的振動(dòng)，應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)撬座與設(shè)備及撬座與甲板結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)松動(dòng)的位置并進(jìn)行剛性固定。

2 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

模態(tài)分析用來確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，分析結(jié)果可在設(shè)計(jì)時(shí)避開相連設(shè)備振動(dòng)頻率或者工作中最大限度的減少對(duì)這些頻率的激勵(lì)，從而消除過度的振動(dòng)和噪聲，模態(tài)分析是動(dòng)力響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。

模態(tài)分析的動(dòng)力方程如下。

(1)

假定自由振動(dòng)，并忽略阻尼，即

F(t)=0和C=0。

模態(tài)分析的動(dòng)力方程簡化為：

(2)

對(duì)于線性分析，假定振動(dòng)是簡諧的，則

u=u0cos(ωt)

(3)

將上式代入動(dòng)力方程，得

(-ω2M+K)u0=0

(4)

對(duì)于非零解，則有

|K-λM|=0

(5)

3 模塊鉆機(jī)振動(dòng)分析

海洋模塊鉆機(jī)布置在海洋平臺(tái)頂層甲板上，一般主要由3部分組成：鉆井設(shè)備模塊(DES)，鉆井支持模塊(DSM)和灰罐模塊(P-TANK模塊)。DES模塊由鉆臺(tái)和下底座組成，鉆臺(tái)在下底座的滑軌上實(shí)現(xiàn)平臺(tái)東西方向移動(dòng)，DES整體在平臺(tái)主滑軌上進(jìn)行南北方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模塊鉆機(jī)對(duì)所有井口的鉆井、修井作業(yè)，見圖1。

海洋鉆修井機(jī)上主要的激振設(shè)備及對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)動(dòng)頻率見表1。

圖1 海洋固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)布置示意

表1 主要激振設(shè)備及其額定轉(zhuǎn)動(dòng)頻率

轉(zhuǎn)盤荷載作用于鉆臺(tái)，具體位置在鉆臺(tái)的轉(zhuǎn)盤中心處；頂驅(qū)荷載作用于井架，激勵(lì)荷載位置沿頂驅(qū)滑軌垂向變化，水平位置在轉(zhuǎn)盤中心，可通過井架傳遞至鉆臺(tái)；振動(dòng)篩設(shè)備作用于DES模塊的下底座結(jié)構(gòu)，其布置見圖2。泥漿泵和發(fā)電機(jī)布置于DSM模塊下層甲板，其布置見圖3。

圖2 振動(dòng)篩所在甲板的布置示意

3.1 建立計(jì)算模型

海洋模塊鉆機(jī)振動(dòng)模態(tài)分析采用SACS分析軟件，分別建立DES井架、鉆臺(tái)、下底座、DSM模塊整體及局部計(jì)算模型，在模塊鉆機(jī)正常操作工況時(shí)其所有設(shè)備干重、濕重質(zhì)量等均參與模態(tài)分析計(jì)算。

3.2 井架自振特性分析

井架為K形自升式套裝井架，高度約46 m，2層臺(tái)高度26 m。將井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，建立接近實(shí)際結(jié)構(gòu)的模型：①簡化為空間鋼架結(jié)構(gòu)，②天車、2層臺(tái)總成等井架附件，建模時(shí)視其為集中質(zhì)量施加在井架相應(yīng)位置上[3]；③井架底部與鉆臺(tái)連接的4個(gè)節(jié)點(diǎn)只有Y向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不被約束。

井架在最大鉤載作用時(shí)的前5階固有模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果見表2，前5階模態(tài)振型見圖4。

計(jì)算結(jié)果表明，第1階振型主要為井架左右方向的搖擺振動(dòng)；第2階振型主要為井架繞Z軸的扭轉(zhuǎn)并伴有前后彎曲，第3階振型主要為井架繞Z軸扭轉(zhuǎn)伴左右彎曲，第4階振型主要為繞Z軸扭轉(zhuǎn)，第5階振型主要為上下振動(dòng)。

表2 井架前5階固有模態(tài)頻率

圖4 井架模態(tài)振型

井架結(jié)構(gòu)在最大荷載作用時(shí)的第5階固有頻率與頂驅(qū)的額定轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近。因此，在模塊鉆機(jī)頂驅(qū)作業(yè)時(shí)，應(yīng)注意監(jiān)測井架振動(dòng)情況[4]。

3.3 DES鉆臺(tái)面自振特性

海洋模塊鉆機(jī)最大轉(zhuǎn)盤荷載作用時(shí)，水平主軸間距為9.144 m，所有設(shè)備、管線重量荷載以weight形式加載在模型相應(yīng)位置，4個(gè)與下底座連接的基座節(jié)點(diǎn)只有X向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不約束[5]。

鉆臺(tái)在最大轉(zhuǎn)盤荷載作用時(shí)的前5階固有模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果見表3，前5階模態(tài)振型見圖5。

表3 鉆臺(tái)面前5階固有模態(tài)頻率

圖5 鉆臺(tái)面模態(tài)振型

計(jì)算表明，鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)第1階固有頻率與轉(zhuǎn)盤頻率接近。但在早期的鉆井作業(yè)中，作業(yè)方式為轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)，而目前鉆井作業(yè)基本都是頂驅(qū)驅(qū)動(dòng)作業(yè)，因此不會(huì)與轉(zhuǎn)盤荷載的共振情況。

3.4 DES下底座自振特性

海洋模塊鉆機(jī)DES模塊鉆臺(tái)面通過4個(gè)基座與下底座相連接，2者之間不是剛性連接，如果計(jì)算DES模塊整體的自振特性，其結(jié)果并不能說明布置在下底座的激振設(shè)備是否可能會(huì)與模塊鉆機(jī)發(fā)生共振，DES下底座模型，前5階模固有表頻率計(jì)算結(jié)果見表4，前5階模態(tài)振型見圖5。

DES下底座主尺寸是14 m、9.144 m，4個(gè)與平臺(tái)主滑軌連接的基座節(jié)點(diǎn)只有Y向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不約束。

表4 DES下底座前5階固有模態(tài)頻率

圖6 下底座模態(tài)振型

計(jì)算結(jié)果表明，DES模塊下底座的前5階模態(tài)自振頻率均與振動(dòng)篩的額定作業(yè)頻率24.3 Hz相差較大，不會(huì)發(fā)生共振情況。

下底座振動(dòng)設(shè)備振動(dòng)篩放置在DES模塊下底座下層DES甲板，整體模態(tài)振型的DES下底座模態(tài)分析不能完全反映局部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，需要進(jìn)行局部模態(tài)分析，其前5階固有模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果見表5。

通過振動(dòng)篩甲板局部模型的模態(tài)計(jì)算，第1階模態(tài)振型主要為Z方向彎曲，第2階模態(tài)振型主要為X向彎曲伴有輕微Y向扭動(dòng)，第3階模態(tài)振型主要是Z向彎曲伴有輕微Y向扭動(dòng)，第4階模態(tài)振型主要是Z向彎曲，第5階模態(tài)振型主要是X方向扭轉(zhuǎn)。由計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，只有第5階模態(tài)振型與振動(dòng)篩的作業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率24.3 Hz接近，2者相差15.4%，大于10%，在振動(dòng)篩作業(yè)時(shí)應(yīng)注意觀測設(shè)備振動(dòng)情況。由于不同平臺(tái)根據(jù)返回鉆井液的情況選擇振動(dòng)篩的額定作業(yè)頻率會(huì)發(fā)生變化，在設(shè)計(jì)階段選擇振動(dòng)篩型號(hào)時(shí)應(yīng)核算放置振動(dòng)篩的甲板自振特性，避免發(fā)生振動(dòng)。

表5 振動(dòng)篩局部甲板前5階固有模態(tài)頻率

3.5 DSM模塊自振特性

泥漿泵和發(fā)電機(jī)一般布置在DSM模塊的下層甲板，DSM模塊主軸間距尺寸為20 m，通過8個(gè)基座固定于組塊上甲板，模型中基座連接節(jié)點(diǎn)的約束情況為簡支，所有設(shè)備、管線、散料、鉆桿堆場荷載以weight形式加載在模型相應(yīng)位置。經(jīng)DSM模塊模態(tài)計(jì)算，其前5階固有模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果見表6，前5階模態(tài)振型見圖7。

計(jì)算結(jié)果表明，第1階振型主要為左右彎曲，第2階振型主要為X向扭動(dòng)和Y向彎曲，第3階振型主要為Z向扭動(dòng)，第4階振型主要為Y向扭動(dòng)，第5階振型主要為X向扭動(dòng)和Y向彎曲。DSM的前5階振動(dòng)模態(tài)自振頻率與泥漿泵的額定作業(yè)頻率2.0 Hz、發(fā)電機(jī)的額定作業(yè)頻率35.0 Hz相差較大，整體DSM模塊與泥漿泵、發(fā)電機(jī)設(shè)備不會(huì)發(fā)生共振情況。

圖7 DSM模塊振型

對(duì)泥漿泵和發(fā)電機(jī)所在甲板進(jìn)行局部模態(tài)分析，其前5階固有模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果見表7，前5階模態(tài)振型見圖8。計(jì)算結(jié)果表明，第1階振型主要表現(xiàn)為上下彎曲伴有輕微X軸扭轉(zhuǎn)，第2階振型主要為沿Y軸方向的扭轉(zhuǎn)伴有輕微Z向彎曲，第3階振型主要為左右彎曲，第4階振型主要為X方向扭轉(zhuǎn)，第5階振型主要為Z向彎曲伴有X方向扭轉(zhuǎn)。局部甲板的前5階自振頻率與泥漿泵的沖程頻率2.0 Hz相差較大，不會(huì)發(fā)生共振情況，但是泥漿泵橇中還包括電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的額定作業(yè)頻率為16.7 Hz，局部甲板的第4、第5階振型自振頻率與之非常接近，因此在泥漿泵作業(yè)期間應(yīng)注意監(jiān)測下層甲板振動(dòng)情況，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段盡量通過局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整以避免發(fā)生共振。

表7 DSM模塊前5階固有模態(tài)頻率

圖8 DSM局部甲板振型

4 結(jié)論

1)對(duì)海洋模塊鉆機(jī)的激振設(shè)備所在模塊或局部甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到前5階振型的自振頻率，為設(shè)備選型提供數(shù)據(jù)參考。

2)井架、振動(dòng)篩需注意監(jiān)測其振動(dòng)情況。井架第5階自振頻率與頂驅(qū)額定作業(yè)頻率接近，DES模塊下底座放置振動(dòng)篩的甲板結(jié)構(gòu)第5階自振頻率與振動(dòng)篩額定作業(yè)頻率接近。另外，DSM模塊下層甲板的泥漿泵除了泥漿泵沖程激振外還存在著電動(dòng)機(jī)周期性荷載的激振源，且容易與局部甲板結(jié)構(gòu)自振頻率接近。

3)應(yīng)對(duì)海洋模塊鉆機(jī)上配置的大型振動(dòng)設(shè)備撬塊做振動(dòng)測試，預(yù)先掌握設(shè)備的振動(dòng)特性。

4)在海洋模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對(duì)可能發(fā)生較大振動(dòng)的設(shè)備考慮進(jìn)行周期性振動(dòng)分析，對(duì)其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析，避免出現(xiàn)劇烈振動(dòng)影響鉆井作業(yè)。

[1] 黃蓮英.平湖油氣田平臺(tái)天然氣壓縮機(jī)橇甲板的振動(dòng)分析[J].中國海洋平臺(tái),2001,16(5/6):54-57.

[2] 徐田甜，穆頃.樂東15-1氣田平臺(tái)鉆修井機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].船舶,2007(5):18-25．

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Vibration Analysis for Modular Drilling Rig of Offshore Fixed Platform

LIYan-li

(CNOOC EnerTech Equipment Technology Research & Design Center, Tianjin 300452, China)

The vibration problem of the modular drilling rig (MDR) of offshore fixed platform in the progress of drilling was analyzed. Taking MDR of Jinzhou 25-1 south oilfield as example, the structural vibration characteristics of MDR were computed by SACS, including modal analysis for the whole structure and local structure used for supporting the vibration equipment. It can provide foundation of analysis and reference data for solve the resonance problem between vibration equipment and supporting structure.

modular drilling rig; vibration analysis; modal analysis; SACS

U661.44

A

1671-7953(2017)05-0065-05

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

李彥麗(1982—)，女，碩士，工程師

研究方向：海洋工程模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)