模態(tài)分析技術(shù)在海洋平臺(tái)壓縮機(jī)甲板高振動(dòng)治理中的應(yīng)用研究

魏海，馬驍，張盛，王永順

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司；2.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

1 背景

某海上石油平臺(tái)配置有三臺(tái)天然氣外輸壓縮機(jī)，均為燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓縮機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，擔(dān)任著整個(gè)作業(yè)公司天然氣外輸?shù)闹厝巍Ｓ吞锿懂a(chǎn)以來(lái)，外輸壓縮機(jī)的甲板一直存在高振動(dòng)現(xiàn)象，部分區(qū)域共振現(xiàn)象非常明顯，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，給海上油氣生產(chǎn)帶來(lái)不利影響。主要表現(xiàn)在：劇烈的壓縮機(jī)振動(dòng)加劇各零部件的磨損，容易引起控制儀表失靈，降低設(shè)備的使用壽命，加大維護(hù)保養(yǎng)成本。同時(shí)，壓縮機(jī)的高振動(dòng)會(huì)引起附屬設(shè)備、甲板和設(shè)備結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，甚至?xí)斐傻啬_螺栓斷裂、焊縫開裂、管道接頭處松動(dòng)甚至脫落，導(dǎo)致燃?xì)庑孤?，造成安全隱患。此外，人員長(zhǎng)期處于壓縮機(jī)的高噪音環(huán)境，容易誘發(fā)職業(yè)病，對(duì)身體造成永久性損傷。目前機(jī)組是兩開一備，隨油田產(chǎn)氣量的增長(zhǎng)，將會(huì)三臺(tái)機(jī)組全開，屆時(shí)甲板的振動(dòng)問(wèn)題將會(huì)更加嚴(yán)重。

圖1 壓縮機(jī)測(cè)點(diǎn)布置圖

2 原因分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，收集設(shè)備信息，甲板結(jié)構(gòu)信息，設(shè)備運(yùn)行歷史，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)多工況的振動(dòng)測(cè)試，首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)本體進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，然后在對(duì)機(jī)組本體進(jìn)行故障分析的基礎(chǔ)上再對(duì)甲板和撬塊進(jìn)行測(cè)試和模態(tài)分析，以便分析和找到高振動(dòng)的原因。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)

圖2 壓縮機(jī)甲板測(cè)點(diǎn)布置圖

發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)的測(cè)試主要包含振動(dòng)速度和加速度測(cè)試，其中速度測(cè)試是為判斷機(jī)組振動(dòng)是否超標(biāo)，而加速度測(cè)試是為確定部件摩擦、軸承故障等，設(shè)備測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。從測(cè)試結(jié)果上看，機(jī)組振動(dòng)不超標(biāo)，速度值最大不超過(guò)7mm/s，加速度測(cè)試也顯示機(jī)組各運(yùn)動(dòng)部件和軸承自身運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)甲板振動(dòng)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置和振動(dòng)情況布置，甲板測(cè)點(diǎn)如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)在多種工況下測(cè)量甲板上各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，以測(cè)點(diǎn)1為基準(zhǔn)點(diǎn)，獲得其余測(cè)點(diǎn)相對(duì)參考點(diǎn)的傳遞率，并進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別來(lái)得到結(jié)構(gòu)的頻率、阻尼及振型等模態(tài)參數(shù)。

2.3 甲板測(cè)試，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)及分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)建立平臺(tái)甲板和設(shè)備撬塊的模態(tài)陣型，結(jié)果如圖3、圖4所示。根據(jù)模態(tài)振型可以看出，壓縮機(jī)兩側(cè)甲板，在壓縮機(jī)固定激勵(lì)下，甲板整體振動(dòng)形式以彎曲變形為主。撬塊振動(dòng)形式也存在這種左右擺動(dòng)現(xiàn)象。

圖3 壓縮機(jī)甲板模態(tài)陣型

圖4 壓縮機(jī)撬塊模態(tài)陣型

3 解決方案

3.1 技術(shù)路線

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)一般只對(duì)設(shè)備本身進(jìn)行診斷分析，很少考慮設(shè)備周邊甲板振動(dòng)影響而造成設(shè)備的故障。由于受海上平臺(tái)空間所限的特殊性，所有設(shè)備必須安裝在有限的空間內(nèi)，所以設(shè)備運(yùn)行起來(lái)，相互之間存在一定的影響。

有些設(shè)備振動(dòng)問(wèn)題必須從平臺(tái)結(jié)構(gòu)、撬塊、設(shè)備、管線等幾個(gè)方面進(jìn)行整體考慮，這就需要一種新的測(cè)試分析技術(shù)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行全面分析，才能達(dá)到治標(biāo)又治本的目的。

模態(tài)分析是用實(shí)驗(yàn)方法在結(jié)構(gòu)上人為施加某種激勵(lì)(或直接利用自然激勵(lì))，利用測(cè)量的激勵(lì)和響應(yīng)數(shù)據(jù),采取各種數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)分析方法,獲得表征結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析是建立在測(cè)試的基礎(chǔ)上，采用理論和試驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)建立設(shè)備的模型，從而對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，找到問(wèn)題的原因所在?？紤]到甲板的結(jié)構(gòu)比較大，同時(shí)天然氣壓縮機(jī)一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，沒(méi)法進(jìn)行人工激勵(lì)，所以采用工作模態(tài)分析（OMA）的方法來(lái)分析得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)固有特性參數(shù)。

有限元仿真分析方法的不足之處在于對(duì)復(fù)雜模型的建立有較大難度，甚至有一些難以確定的因素，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)各種工況條件下的邊界條件及處理受制于各種客觀因素，趨于理想化設(shè)計(jì)，而且實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程又需要做大量的簡(jiǎn)化處理，這種結(jié)果會(huì)造成與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況難以吻合，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有很大偏差。

模態(tài)分析與有限元仿真技術(shù)是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種現(xiàn)代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛，尤其是在機(jī)械、建筑、航天航空、船舶、汽車等應(yīng)用較多，且取得了一定成效。國(guó)內(nèi)外各個(gè)行業(yè)的模態(tài)分析都是在總結(jié)自身行業(yè)特點(diǎn)上形成的，具有強(qiáng)烈的行業(yè)特點(diǎn)。

圖5 甲板振動(dòng)仿真分析

本文利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和有限元分析相結(jié)合的方法對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析，找到問(wèn)題原因所在，并提出整改方案和措施。

仿真分析：（1）有限元仿真結(jié)果基本與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析一致，甲板振型表現(xiàn)為壓縮機(jī)甲板整體彎曲變形，在不同的工況下，振型會(huì)發(fā)生局部的變化如圖5所示；（2）各工況下，甲板的振動(dòng)響應(yīng)振型基本一致；（3）壓縮機(jī)過(guò)道區(qū)域甲板是需要重點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的部位，同時(shí)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工難度，可以改造的空間比較小，盡量采取簡(jiǎn)單有效的方案；（4）甲板的局部固有頻率比較接近壓縮機(jī)轉(zhuǎn)頻的諧波，所以共振是引起甲板高振動(dòng)和管線高振動(dòng)的重要原因。

3.2 改造方案

結(jié)構(gòu)減振的方法一般分為兩大類：一類是整體改造，使甲板結(jié)構(gòu)的固有頻率遠(yuǎn)離共振區(qū)；另一類是局部改造，降低振動(dòng)比較大區(qū)域的振動(dòng)水平?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用第二類改造方案，通過(guò)有限元仿真分析，在壓縮機(jī)甲板下方增加4根立柱和4根橫梁，如圖6所示。方案實(shí)施后預(yù)計(jì)甲板平均振動(dòng)降幅在40%以上。對(duì)部分高振動(dòng)管線根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有條件焊接強(qiáng)度足夠的支架，安裝U型管卡，如圖7所示。

3.3 改造結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)壓縮機(jī)甲板進(jìn)行結(jié)構(gòu)整改后，再次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試評(píng)估。

圖6 甲板結(jié)構(gòu)整改方案

圖7 管線減振整改方案

（1）整改后甲板上局部振動(dòng)高點(diǎn)降幅在40%-70%之間。對(duì)甲板上所有108個(gè)測(cè)點(diǎn)全部納入統(tǒng)計(jì)分析，平均降幅在43．5%， 如 圖 8 所示；（2）現(xiàn)場(chǎng)管線支架安裝后振動(dòng)至少降低70%以上，改造前管線振動(dòng)通過(guò)目測(cè)就能看出存在明顯的抖動(dòng)現(xiàn)象，改造后，通過(guò)目測(cè)、手摸均無(wú)明顯振感。振動(dòng)得到明顯降低，極大改善了設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，保證了海上油田的安全生產(chǎn)。

圖8 甲板整改前后振動(dòng)數(shù)據(jù)（mm/s）

4 結(jié)語(yǔ)

海洋平臺(tái)在建造或是擴(kuò)建改造過(guò)程中，往往只考慮設(shè)備靜載荷和風(fēng)、海浪、地震等引起的低頻動(dòng)載荷，而忽略設(shè)備動(dòng)載荷引起的甲板結(jié)構(gòu)高振動(dòng)問(wèn)題，但是在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中往往是由于動(dòng)載荷過(guò)大，造成周邊甲板高振動(dòng)并引起撬塊、機(jī)組和管線等一系列振動(dòng)問(wèn)題。模態(tài)分析和計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)設(shè)備的振動(dòng)分析、模態(tài)分析和仿真分析，提出設(shè)備與設(shè)備所在甲板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，為海洋平臺(tái)甲板高振動(dòng)問(wèn)題的解決找到了一個(gè)科學(xué)有效的方法。同時(shí)，此項(xiàng)技術(shù)完全可以介入平臺(tái)前期設(shè)計(jì)及動(dòng)設(shè)備的選型和安裝過(guò)程中，避免因上述問(wèn)題造成動(dòng)設(shè)備投用后，出現(xiàn)高振動(dòng)問(wèn)題。目前此方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用到中海油天津分公司、湛江分公司、深圳分公司的海上平臺(tái)，并逐步推廣到中海油的外部市場(chǎng)，從實(shí)施結(jié)果看，均取得了良好的效果。

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