海洋平台机械设备振动响应分析

李 明

(中海油能源发展装备技术有限公司 天津 300452)

海洋平台上部组块是进行油气钻采和集输的主要场所[1]。为满足海上油气的开采、计量分量、原油净化、天然气处理以及污水的处理，上部组块甲板布置了大量的机械设备，如透平发电机、压缩机、空压机、注水泵等，这些机械设备运行时会产生动态激振载荷。因为这些设备振动问题严重影响设备的寿命，干扰平台正常的生产，甚至威胁平台结构的安全运行，所以对机械设备引起的振动响应进行分析，是保证海洋平台上部组块安全与设备运行的重要前提。

目前针对机械设备的振动响应分析已有大量学者进行了研究。韩文秀等[2]对某平台 DSM 模块上的钻井泵进行动力分析与优化；黄业华等[3]研究了海洋平台往复压缩机的振动特征，给出了往复压缩机振动能量集中的频率值；Chang等[4]建立了某平台新型液压泵的动力分析模型，并对其振动速度和加速度进行了分析；王毅等[5-6]给出了各类机械设备的振动原理，为海洋平台振动响应分析与评价奠定一定的基础。本文针对某海洋平台的复产设计方案，根据其新增的机械振动设备，对平台上部组块结构的动力特性及振动响应进行分析，评估了其各种运行状态下的振动响应大小，为平台复产计划的顺利实施提供了技术保障。

1 某平台复产改造方案简介

本次复产计划为我国渤海海域某导管架平台，涉及的改造全部位于平台顶层甲板，根据其复产作业的需求，改造方案分为修井方案和防窜方案。其中，修井方案新增的主要设备为：平台举升机、中央控制室、增压机、膜制氮、空压机、油箱、材料间、泥浆罐、泥浆泵、BOP、堆场等，其布置方案如图1(a)；防窜方案是移除平台举升机、堆场、泥浆罐、泥浆泵、BOP等修井设备，增加泡沫发生器、熟化罐、柱塞泵、计量泵、吊笼、操作间等防窜工艺所用的设备，其布置方案如图1(b)所示。

图1 平台复产方案甲板设备布置设计图Fig.1 Equipment layout drawing for platform production recovery scheme

复产计划中振动相对严重的设备主要为 1台增压机(型号为NPU1800)和2台空压机(型号为XRVS 1050，一用一备)，其中增压机湿重为 15t，额定工作频率为27Hz，布置于顶层甲板火炬臂附近；2台空压机型号相同，湿重 9t，额定工作频率 30Hz，布置于顶层甲板几何中心位置，如图1所示。

2 平台上部组块有限元模型

采用 ANSYS软件建立该平台上部组块的有限元模型，如图2所示。该平台上部组块主甲板共3层，高度分别为 EL＋12.5m、EL＋19.5m、EL＋24.5m，原始设计总重量为 3290.56t。根据平台结构图纸，建模时，采用 SHELL63单元对平台各层甲板进行模拟，BEAM188单元对梁进行模拟，PIPE16单元对斜撑和立柱进行模拟，边界条件取铰支。板梁复合弯曲时，考虑到板、梁重的轴不重合导致的偏心问题，建立模型时，根据平台结构的真实尺寸，分别赋予梁单元相应的偏心值，从而使计算模型和真实结构相吻合。

图2 上部组块有限元模型图2 Finite element model of upper block

按照平台历次改造数据及本次改造之后的设备布置方案，采用 MASS21单元对组块上层甲板施加相应设备载荷，根据平台 2种作业状态的改造方案，对应得到2种分析模型。

3 振动响应分析

3.1 整体模态分析

采用整体模态分析，计算得到修井和防窜2种方案下平台组块前10阶的自振频率，见表1。可知2种方案下，平台前 10阶自振频率相差甚微，说明 2种作业状态的设备布置方案对平台动力特性的影响较小。修井和防窜方案下平台的一阶自振频率分别为1.177、1.191Hz，与空压机和增压机的额定工作频率相差较远，即结构不会发生自振。

提取 2种方案下平台上部组块前 3阶的模态振型，如图3和图4所示。不同作业状态对平台振型的影响亦微乎其微，2种作业状态下平台上部组块前3阶振型均表现为整体形变，无明显局部薄弱位置，其中1阶振型均为顺时针方向的扭振，2阶均为沿X轴方向的纯弯曲振动，3阶均为沿Y轴方向的弯曲振动，并伴有逆时针方向的耦联扭振。

表1 平台前10阶模态频率Tab.1 First 10 modal frequencies of platform

图3 修井方案时平台组块前三阶模态振型Fig.3 First three modal shapes of platform block in workover scheme

3.2 局部模态分析

局部模态分析中将增压机和空压机局部甲板这2个区域外的其他结构和设备密度设为 0，即仅考虑其他结构对2个区域的刚度约束，从而获得精确模态分析结果，最终计算得到 2个区域结构的前 10阶固有频率值，如表2所示。2个区域结构的1阶自振频率分别为 14.317、9.296Hz，与增压机、空压机的额定工作频率相差较远，即结构不会发生自振。

图4 修井方案时平台组块前三阶模态振型Fig.4 First three modal shapes of platform block in antichanneling scheme

3.3 谐响应分析

响应分析采用整体模型，以正弦激励模拟动荷载，根据平台不同作业状态组合得到 4种分析工况：工况 1，修井方案下增压机与空压机 A 同时运行；工况 2，修井方案下增压机与空压机 B同时运行；工况 3，防窜方案下增压机与空压机 A 同时运行；工况4，防窜方案下增压机与空压机B同时运行。

表2 局部结构前10阶模态频率Tab.2 First 10 modal frequencies of local structure

选取振动设备周围测点对计算结果进行评价，典型测点响应结果和应力云图见图5和图6。

图5 位移响应曲线Fig.5 Displacement response curve

图6 结构应力云图Fig.6 Structural stress cloud

如图5所示，平台振动响应峰值均发生在 0.5～16Hz，与增压机、空压机的额定工作频率相差较大，即结构不会发生自振。如图6所示，在激振频率下平台应力幅值较小，构件强度满足要求。

3.4 瞬态响应分析

采用ANSYS瞬态分析方法，计算得到平台激振设备附近节点的振动速度和振动加速度响应均方根(r.m.s)值，如表3所示。

表3 平台振动响应结果Tab.3 Results of vibration response of platform

由表3可知，在所有组合计算工况下，平台振动速度响应均小于规范允许的 4mm/s；加速度 r.m.s值亦小于规范允许的 286mm/s2，均满足 ISO 6954：2000[7]要求。对比4种工况可知，2种方案下，增压机与空压机B同时运行的振动响应均比与空压机A同时运行时的响应略大，最大响应发生在工况 2，即修井方案下，增压机空压机B组合运行下，最大响应位置位于空压机B南侧区域。

4 结论与建议

①从平台上部组块整体模态振型和振动设备局部模型振型图可知，空压机和增压机位置局部甲板梁主振型为整体振动，无明显的刚度薄弱部位。平台组块结构一阶自振频率均有效避开了增压机与空压机的共振区，故结构不会发生共振，且具有良好的频率储备。

②由幅频响应可知，增压机与空压机激振频率均远离共振频率，且平台在其工作频率激励下，位移响应很小，结构应力小于钢材许用应力。

③在不同作业状态和激振设备组合运行下，平台振动响应最大速度均方根值为小于 4mm/s，满足要求；最大值加速度均方根值为小于 286mm/s2，亦满足振动标准要求。

④平台最大振动响应加速度位置位于空压机 B附近，实际复产作业时，建议重点对该区域进行关注；鉴于增压机与空压机 A组合运行的振动响应略小，建议空压机B为备用机。