黃業(yè)華 戴國華

（中海石油（中國）有限公司錦州25－1南油氣田開發(fā)項(xiàng)目組 天津 300452）

錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)組振動(dòng)異常分析及甲板結(jié)構(gòu)改造

黃業(yè)華 戴國華

（中海石油（中國）有限公司錦州25－1南油氣田開發(fā)項(xiàng)目組 天津 300452）

為探明錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)組振動(dòng)異常的原因，應(yīng)用有限元法建立了該平臺(tái)壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)三維模型，并對壓縮機(jī)甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)組安裝甲板豎直方向剛度不足是造成壓縮機(jī)組振動(dòng)異常的主要原因，因此提出了對該平臺(tái)壓縮機(jī)安裝甲板豎直方向鋼梁進(jìn)行加強(qiáng)的改造方案，從而提高了其剛度。通過模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析可以了解平臺(tái)壓縮機(jī)組振動(dòng)特性，為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免有害振動(dòng)的發(fā)生。

錦州25－1平臺(tái)；壓縮機(jī)組；甲板；振動(dòng)異常；模態(tài)分析；諧響應(yīng)分析；結(jié)構(gòu)改造

往復(fù)壓縮機(jī)是海洋平臺(tái)上的重要設(shè)備，主要用于天然氣的預(yù)處理、集輸以及為發(fā)動(dòng)機(jī)提供高壓燃料氣等，其運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。往復(fù)壓縮機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)帶來一系列的問題，如機(jī)器本身可能會(huì)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可能使振源鄰近的儀器、設(shè)備等無法正常工作，還會(huì)產(chǎn)生噪聲而對附近工作人員的身體有一定的危害等［1－3］。因此，在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)階段必須對往復(fù)壓縮機(jī)組的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有特性，從而避免有害振動(dòng)的發(fā)生。然而，以往平臺(tái)設(shè)計(jì)中常常忽略往復(fù)壓縮機(jī)組振動(dòng)特性的分析，平臺(tái)投產(chǎn)后往復(fù)壓縮機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)過大問題時(shí)常憑經(jīng)驗(yàn)采用試湊的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還不一定能找到最佳方案［4］。模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種近代方法，已在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性評價(jià)［5］、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)［6－7］、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)故障的診斷和預(yù)報(bào)［8］、結(jié)構(gòu)輻射噪聲的控制［9］及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)載荷的識(shí)別［10－11］等工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。在工程振動(dòng)領(lǐng)域，通過模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析可了解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)［12］。因此，進(jìn)行海洋平臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，研究其結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，可實(shí)現(xiàn)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免有害振動(dòng)的發(fā)生。本文以錦州25－1平臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)組為例，應(yīng)用有限元分析方法建立了往復(fù)壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)模型，通過模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析研究了壓縮機(jī)甲板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，并提出了對該平臺(tái)壓縮機(jī)安裝甲板垂直方向（y向）鋼梁進(jìn)行加強(qiáng)，從而提高了其剛度。

1 平臺(tái)壓縮機(jī)組振動(dòng)異常分析

1.1 振動(dòng)異?，F(xiàn)象分析

錦州25－1平臺(tái)有2臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單級天然氣輸送往復(fù)式高壓壓縮機(jī)（CEP－X－2520A/B）和3臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二級輔助輸氣往復(fù)式中壓壓縮機(jī)（CEP－X－2510A/B/C），壓縮機(jī)組在該平臺(tái)的布置見圖1。其中，高壓壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，功率238 kW；中壓壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，功率438 kW。

圖1 錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)組布置圖Fig.1 Compressors arrangement in JZ 25－1offshore platform

圖2 錦州25－1平臺(tái)中壓壓縮機(jī)振動(dòng)幅值（2012.1.30—2012.2.4）Fig.2 Vibration amplitude of medium pressure compressor in JZ 25－1offshore platform（2012.1.30—2012.2.4）

該平臺(tái)投入使用以來，壓縮機(jī)組開始陸續(xù)出現(xiàn)了一些振動(dòng)問題，主要表現(xiàn)在中壓壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)非周期性的振動(dòng)值波動(dòng)，且振動(dòng)峰值過大。圖2為2012年1月30日至2月4日測得的3臺(tái)中壓壓縮機(jī)的振動(dòng)峰值，可以看出，3臺(tái)中壓壓縮機(jī)的振動(dòng)值波動(dòng)較大，超過規(guī)定的8～12 mm/s。對振動(dòng)探頭、機(jī)組對中、機(jī)組固定螺栓檢查以及專業(yè)公司對機(jī)組本身進(jìn)行技術(shù)檢測，均未發(fā)現(xiàn)任何問題。經(jīng)過進(jìn)一步分析，認(rèn)為可能是由于中壓壓縮機(jī)所在甲板結(jié)構(gòu)缺失部分加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，平臺(tái)晃動(dòng)嚴(yán)重時(shí)造成機(jī)組本身的振動(dòng)加劇。

1.2 振動(dòng)特性分析

1.2.1 有限元模型的建立

壓縮機(jī)組安裝于平臺(tái)中層甲板上，其運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的激振力對其他甲板影響很小。根據(jù)平臺(tái)壓縮機(jī)系統(tǒng)圖紙，使用Ansys Workbench的DesignModeler進(jìn)行三維建模。網(wǎng)格劃分時(shí)，單元類型梁單元選BEAM188，板殼單元選SHELL181，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。網(wǎng)格劃分類型選擇以四邊形網(wǎng)格為主，無法生成四邊形網(wǎng)格的地方采用少量的三角形網(wǎng)格，單元大小選擇為默認(rèn)值。所建立的有限元模型見圖3，有限元模型包括931個(gè)體，459個(gè)面，3 677個(gè)邊，3 957個(gè)點(diǎn)；劃分網(wǎng)格后共9 598個(gè)節(jié)點(diǎn)，6 049個(gè)單元。

圖3 錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)組及甲板結(jié)構(gòu)三維有限元模型Fig.3 Three dimensional finite element model of compressors and deck in JZ 25－1offshore platform

1.2.2 模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析

1）模態(tài)分析。將圖3所示的有限元模型導(dǎo)入Static Structural模塊中，對整個(gè)模型施加沿z軸負(fù)方向的重力加速度載荷，采用固定約束，施加于平臺(tái)樁腿，約束6個(gè)方向的自由度，進(jìn)行靜力分析，再導(dǎo)入Modal模塊中進(jìn)行模態(tài)分析。圖4為錦州25－1平臺(tái)模型約束條件，平臺(tái)壓縮機(jī)甲板結(jié)構(gòu)前48階的固有頻率計(jì)算結(jié)果見表1，可以看出甲板結(jié)構(gòu)的固有頻率整體偏低，遠(yuǎn)離壓縮機(jī)轉(zhuǎn)頻25 Hz，不易形成共振。

圖4 錦州25－1平臺(tái)模型約束條件Fig.4 Constraint conditions in JZ 25－1offshore platform model

表1 錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)甲板結(jié)構(gòu)固有頻率Table 1 Natural frequency of compressor deck structure in JZ 25－1offshore platform

2）諧響應(yīng)分析。在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對平臺(tái)甲板進(jìn)行在壓縮機(jī)系統(tǒng)激勵(lì)作用下的諧響應(yīng)分析，激振力的作用點(diǎn)選在壓縮機(jī)和電機(jī)基座上。在計(jì)算中主要考慮來自壓縮機(jī)及電機(jī)的激振力，其大小由設(shè)備制造商提供，所有的動(dòng)態(tài)載荷均以穩(wěn)態(tài)簡協(xié)載荷進(jìn)行施加，假設(shè)壓縮機(jī)的激振力與電機(jī)激振力同相位。其中壓縮機(jī)在水平和垂直方向的不平衡力分別為1 961.7、983.0 N，不平衡力矩分別為34 594.0、2 026.9N·m；電機(jī)的扭矩及離心力分別為0.595 2 N·m和124.68 N。根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速確定激振力頻率為25 Hz，按其波動(dòng)范圍為±10%計(jì)算，即計(jì)算時(shí)輸入的頻段范圍是22.5～27.5 Hz。該平臺(tái)中壓壓縮機(jī)采用2用（A機(jī)和B機(jī)）1備（C機(jī)）的工作方式，分3種工況進(jìn)行分析：工況1為A和C機(jī)工作，B機(jī)不工作；工況2為A和B機(jī)工作，C機(jī)不工作；工況3為B和C機(jī)工作，A機(jī)不工作。圖5為不同工況下運(yùn)行時(shí)錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)安裝甲板總變形云圖。

圖5 不同工況下錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)安裝甲板變形云圖Fig.5 Deformation cloud map of the compressor deck in JZ 25－1offshore platform in different conditions

從圖5可以看出，在壓縮機(jī)和電機(jī)激勵(lì)作用下，壓縮機(jī)安裝甲板結(jié)構(gòu)存在明顯的變形響應(yīng)，其變形以繞x軸擺動(dòng)和沿z軸上下振動(dòng)為主，表明y向剛度明顯不足，需要加強(qiáng)。以A、C兩臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行（工況1）為例，計(jì)算壓縮機(jī)安裝甲板響應(yīng)值范圍是11.23～18.08 mm/s，大于HSE振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動(dòng)限制值5.75 mm/s（80 Hz），不符合規(guī)范要求，表明壓縮機(jī)安裝甲板振動(dòng)過大。

2 甲板結(jié)構(gòu)改造方案及其實(shí)施效果

2.1 改造方案

根據(jù)錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)組振動(dòng)異常原因分析可以看出，甲板剛度不足是導(dǎo)致壓縮機(jī)組振動(dòng)異常的主要原因，因此，為了解決壓縮機(jī)組振動(dòng)異常的問題，提出了甲板結(jié)構(gòu)改造方案，即對壓縮機(jī)組安裝甲板的結(jié)構(gòu)梁進(jìn)行加強(qiáng)，在原剛度不足梁的底部焊接輔梁，并將原為連通的梁添加新梁，使其成為整體梁（圖6）。

圖6 錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)甲板結(jié)構(gòu)改造方案Fig.6 Rehabilitation programs of the compressor deck structure in JZ 25－1offshore platform

2.2 改造后振動(dòng)特性分析

為了解甲板結(jié)構(gòu)改造后壓縮機(jī)組的振動(dòng)特性，對改造后平臺(tái)甲板進(jìn)行了模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析。

1）模態(tài)分析。表2為改造后錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)甲板結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以看出，改造后壓縮機(jī)甲板結(jié)構(gòu)的固有頻率仍然整體偏低，遠(yuǎn)離壓縮機(jī)轉(zhuǎn)頻25 Hz，不易形成共振。

表2 改造后錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)甲板結(jié)構(gòu)固有頻率Table 2 Natural frequency of the transtormed compressor deck structure in JZ 25－1offshore platform

2）諧響應(yīng)分析。圖7為改造后不同工況下運(yùn)行時(shí)錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)安裝甲板總變形云圖，可以看出，改造后壓縮機(jī)安裝甲板的縱向剛度得以加強(qiáng)，在壓縮機(jī)和電機(jī)激勵(lì)作用下，改造后壓縮機(jī)安裝甲板結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)明顯減小，繞x軸擺動(dòng)和沿z軸上下變形顯著降低。以A、C兩臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行（工況1）為例，改造后壓縮機(jī)安裝甲板響應(yīng)值范圍是0.23～0.29 mm/s，遠(yuǎn)低于HSE振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動(dòng)限制值5.75 mm/s（80 Hz），符合規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)改造后壓縮機(jī)安裝甲板的振動(dòng)被明顯降低。

圖7 改造后不同工況下錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)安裝甲板變形云圖Fig.7 Deformation cloud map of the transformed compressor deck in JZ 25－1offshore platform in different conditions

2.3 實(shí)施效果

為了更真實(shí)、全面地了解壓縮機(jī)安裝甲板改造前后的振動(dòng)情況，同時(shí)為了驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的正確性與可信度，對安裝甲板進(jìn)行了振動(dòng)測試，測點(diǎn)布置如圖8，改造前后安裝甲板的垂直方向的振動(dòng)速度峰值如圖9所示。從圖9可以看出，壓縮機(jī)安裝甲板改造后，除5、6及7測點(diǎn)外，其余測點(diǎn)位置的振動(dòng)速度峰值均明顯降低，表明對壓縮機(jī)安裝甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)是有效的，也說明本文有限元分析結(jié)果是正確、可信的。

圖8 錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)安裝甲板振動(dòng)測點(diǎn)布置Fig.8 Measuring points layout of the compressor deck in JZ 25－1offshore platform

圖9 錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)安裝甲板改造前后的振動(dòng)對比Fig.9 Vibration of the transformed compressor deck comtrast to the original one’s in JZ 25－1offshore platform

3 結(jié)論

1）以錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)組為例，應(yīng)用有限元法對該平臺(tái)壓縮機(jī)甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。模態(tài)分析表明，錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)甲板結(jié)構(gòu)固有頻率偏低，遠(yuǎn)離工作頻率，不易形成共振；諧響應(yīng)分析表明，在壓縮機(jī)和電機(jī)的激勵(lì)作用下，錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)安裝甲板結(jié)構(gòu)存在明顯的變形響應(yīng)，其變形以繞x軸擺動(dòng)和沿z軸上下振動(dòng)為主。

2）分析認(rèn)為，錦州25－1平臺(tái)壓縮機(jī)組安裝甲板y向剛度不足是造成壓縮機(jī)組振動(dòng)異常的主要原因，因此提出了對該平臺(tái)壓縮機(jī)安裝甲板y向鋼梁進(jìn)行加強(qiáng)的改造方案，從而提高了其剛度。這表明，通過模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析可以了解平臺(tái)壓縮機(jī)組振動(dòng)特性，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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Analysis on the abnormal vibration of the compressor set and the deck structure reform for JZ 25－1platform

Huang Yehua Dai Guohua
（JZ25－1S Field Development Project Team，CNOOC Ltd.，Tianjin300452，China）

In order to investigate the abnormal vibration of the compressor set in JZ25－1 offshore platform，three－dimensional model of the compressor set was established by the finite element method（FEM），and then analysis of modal and harmonic response for the compressor deck was carried out.Results showed that the main reason for the abnormal vibration of the compressor set was the shortage of rigidity along the vertical direction of the deck.Therefore，the remanufacture plan to reinforce the girder rigidity along the vertical direction of the deck in the platform was put forward.The vibration characteristics of the compressor set can be obtained through the analysis of modal and harmonic response，which will provide the theoretical basis for optimization design of the platform structure to avoid harmful vibrations.

JZ 25－1 platform；compressor set；deck；abnormal vibration；modal analysis；harmonic response analysis；structure modification

TH457；TU311.3

A

2014－06－03改回日期：2014－10－18

（編輯：葉秋敏）

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1673－1506（2015）02－0093－05

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.016

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)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海上油氣田開發(fā)及項(xiàng)目管理工作。地址：中海石油（中國）有限公司錦州25－1南油氣田開發(fā)項(xiàng)目組（郵編：300452）。E－mail：yehuahuang88＠163.com。