FPSO低壓火炬管線現(xiàn)場振動測量分析方法

陸海峰，胡萬里，張侃侃，迪力木拉提·吾卜力喀斯木

（懿朵信息科技(上海)有限公司，上海 201100）

浮式生產(chǎn)儲卸裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)作為海上油氣處理的移動工廠，能夠?qū)崿F(xiàn)油氣處理、儲存、發(fā)電、供熱等功能，其工作水深范圍廣，抗惡劣氣候能力強，具備重復(fù)多次長時間使用的特點，是當(dāng)今海上油氣開發(fā)的重點大型產(chǎn)品。由于FPSO涉及的工藝系統(tǒng)數(shù)量龐大，彼此功能存在區(qū)別，因此在前期安裝調(diào)試階段，通常采用模塊化安裝，分區(qū)域調(diào)試的方法，通過確保每個工藝系統(tǒng)的安裝和調(diào)試質(zhì)量，來確保整船功能的完整性。低壓火炬管線(Low pressure flare pipings，LPFPs)作為FPSO的關(guān)鍵工藝系統(tǒng)之一，主要負責(zé)排放加工處理階段的廢氣，該系統(tǒng)管線的振動情況將顯著影響整船的運行質(zhì)量。為了在調(diào)試階段檢測LPFPs的振動是否合格，本文提供了一套完整的振動測量及分析方法，使用該方法在調(diào)試環(huán)節(jié)判斷該管線的運行狀態(tài)起到了很好的支撐作用。

1 振動測量及分析方法

1.1 結(jié)構(gòu)振動基本方程

LPFPs在運行時可近似看作多自由度振動系統(tǒng)，根據(jù)牛頓第二定律可推導(dǎo)得出其振動時的基本方程為：

式中，[M]為系統(tǒng)的剛度矩陣，[C]為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)阻尼矩陣，[K]為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，{F}為系統(tǒng)所受的激勵向量，{˙x˙}為結(jié)構(gòu)的振動加速度向量，{}為結(jié)構(gòu)的振動速度向量，{x}為結(jié)構(gòu)的振動位移向量。

1.2 加速度計測量理論

現(xiàn)場測量時，選用壓電式加速度傳感器，其本質(zhì)是一種機電轉(zhuǎn)換裝置，當(dāng)內(nèi)部的壓電元件收到外界載荷時，極化面則會隨載荷變化產(chǎn)生對應(yīng)的電荷。壓電式加速度傳感器的原理圖和力學(xué)模型見圖1。

圖1 原理及模型圖

使用時，通常將加速度計用強力膠貼敷于待測物體表面，或使用馬鞍形磁座吸附于待測物體表面。加速度傳感器要與設(shè)備表面緊密貼合，以便準(zhǔn)確測量待測件的振動，消除二次振動的干擾。

1.3 信號分析方法

振動信號的采集和分析是振動測量分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。信號分析技術(shù)路線如圖2。

圖2 信號分析技術(shù)路線

在現(xiàn)場測量時，能夠通過加速度計直接采集待測件的加速度時程信號，能夠直觀判斷出在何時間點振動出現(xiàn)最大值，要想進一步分析振動信號的特征，則需要對時域加速度信號進行數(shù)據(jù)處理，得到振動速度的頻譜信號。通過振動速度頻譜則可以判斷出振動的關(guān)鍵頻率，以及在該頻率下振動的峰值情況是否超標(biāo)。

由于振動信號是非規(guī)律性間隔采集的信號，因此，使用辛普森積分公式進行積分，公式如下：

式中，(t)為采集的振動加速度信號，1tt2分別為待積分的兩個時間點，為t～t時刻的振動速度。12通過對每個間隔時間點內(nèi)的加速度進行積分，即可得到對應(yīng)時間段內(nèi)的振動速度信號。對時域速度信號使用傅里葉變換，即可轉(zhuǎn)換到頻域。

為了更加直觀地分析振動信號的大小，還需要計算得到振動速度信號的均方根值。（Root mean square，RMS）。[f1，f2]Hz頻率段內(nèi)的振動速度RMS計算公式如下：

1.4 振動判斷方法

采用頻譜判斷和RMS判斷兩種方法來綜合評估LPFPs的動態(tài)特性。在0～300Hz頻率范圍內(nèi)，首先，根據(jù)下式判斷是否有頻率點對應(yīng)的振動速度幅值超過標(biāo)準(zhǔn)。若有頻率點對應(yīng)的振動速度幅值超過標(biāo)準(zhǔn)值，則認為該點在該頻率上的振動超標(biāo)，定義此頻率為關(guān)鍵頻率。若無頻率點對應(yīng)的振動速度幅值超過標(biāo)準(zhǔn)值，則關(guān)鍵頻率定義為機組運行的基頻。再根據(jù)RMS值判斷0～300Hz內(nèi)振動速度的總RMS值，結(jié)合關(guān)鍵頻率進行計算，判斷總體振動情況是否超標(biāo)。

式中，Concern為需要關(guān)注的振動下限值，Problem為有問題的振動下限值，f為振動頻率。在振動速度頻譜圖中，當(dāng)振動速度值全部位于Concern下限值以下時，認為該點的振動情況是可接受的，無須進行整改。當(dāng)振動速度值超過Concern下限但未超過Problem下限值時，認為當(dāng)前的振動需要關(guān)注，在后續(xù)運行時持續(xù)監(jiān)控此點的振動響應(yīng)情況。當(dāng)振動速度值超過Problem下限時，認為該點的振動會對結(jié)構(gòu)的健康產(chǎn)生影響，需要對該點進行調(diào)整，以降低振動速度值。

2 現(xiàn)場振動測量方案

2.1 測量流程

（1）測量前。測量前核對待測工況，確保機組在該工況下能夠穩(wěn)定運行30分鐘以上。根據(jù)PDMS模型預(yù)估加速度計測點的安裝位置。通常在LPFPs的彎頭、三通、支架、小支管、直管中部布置測點。測點預(yù)估好后在現(xiàn)場使用馬克筆對每個測點進行標(biāo)記，并按照LPFPs從左到右、從上到下、從小到大的原則進行編號。LPFPs共標(biāo)記了65個測點，部分預(yù)估的測點位置的截圖如圖3。

圖3 預(yù)估測點位置圖

采用三向振動加速度計，測量每個點位的X、Y和Z三個方向的振動加速度。受到現(xiàn)場空間布置、加速度計自身布置方式，加速度計局部的坐標(biāo)系可能和LPFPs的坐標(biāo)系不統(tǒng)一。為統(tǒng)一起見，定義FPSO船尾至船頭為全局+Y方向，豎直向上方向為+Z方向，根據(jù)右手定則定義船體右側(cè)為+X方向。記錄加速度計局部坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系，數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)以全局坐標(biāo)系為準(zhǔn)。根據(jù)預(yù)估的測點位置粘貼傳感器，記錄坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系。部分點位加速度計現(xiàn)場實拍圖如圖4。

圖4 現(xiàn)場測點實拍圖

（2）測量時。測量開始前核對并記錄機組運行工況，LPFPs的運行工況見表1。待工況穩(wěn)定運行后，采集30s的振動加速度信號。為消除導(dǎo)線的振動帶來的低頻振顫噪聲，將導(dǎo)線固定在待測件表面，避免發(fā)生晃動。

表1 運行工況

記錄每個加速度計局部坐標(biāo)系和整船全局坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系，部分測點的坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系

2.2 測試設(shè)備

本文采用的振動數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)包括SimcenterSCADAS SCM205振動數(shù)據(jù)采集儀，PCB振動加速度傳感器和若干導(dǎo)線。振動加速度傳感器用于測量管道的振動。現(xiàn)場設(shè)備連接方式示意圖及現(xiàn)場布置圖分別如圖5和圖6。

圖5 系統(tǒng)布置圖

圖6 設(shè)備現(xiàn)場布置圖

3 測量結(jié)果及分析

將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(3)-(6)的處理后，得到振動速度頻譜圖。V08-X和V09-X的頻譜如下。可以發(fā)現(xiàn)，兩個測點的最大峰值頻率均為59.52Hz，設(shè)備轉(zhuǎn)速為3600rpm，在系統(tǒng)中能夠產(chǎn)生60Hz的基頻?；l與最大峰值頻率相對誤差0.8%，即可認為該點的振動主要是由于設(shè)備基頻導(dǎo)致的。V08-X點位全部頻譜均低于Concern下限，認為該點的振動情況處在安全范圍，可以接受該點的振動，并不需要進行額外整改。V09-X在59.52Hz的振動速度超過了Concern下限，但未超過Problem下限，需要在后續(xù)運行過程中對這個點進行定期監(jiān)控。其他部分點位的RMS值匯總表如圖7、圖8和表3所示。

表3 RMS結(jié)果

圖7 V08-X速度頻譜

圖8 V09-X速度頻譜

4 結(jié)語

為了在調(diào)試階段檢測LPFPs的振動是否合格，本文提供了一套完整的振動測量及分析方法，根據(jù)頻譜結(jié)果和RMS結(jié)果能夠?qū)φ駝涌傊岛完P(guān)鍵頻率進行辨別，有助于初步判斷LPFPs的運行狀態(tài)和振動原因。使用該方法在調(diào)試環(huán)節(jié)判斷該管線的運行狀態(tài)起到了很好的支撐作用。該方法也具有一定推廣性，可以用于在FPSO其余工藝系統(tǒng)調(diào)試階段分析振動情況。