黃業(yè)華 李國(guó)賓 戴國(guó)華

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300452； 2.大連海事大學(xué) 遼寧大連 116026)

海洋平臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)組彈簧隔振設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃業(yè)華1李國(guó)賓2戴國(guó)華1

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300452； 2.大連海事大學(xué) 遼寧大連 116026)

為解決海洋平臺(tái)橇裝結(jié)構(gòu)往復(fù)壓縮機(jī)組與安裝甲板結(jié)構(gòu)存在剛性動(dòng)態(tài)耦合的問題，根據(jù)隔振原理，提出了海洋平臺(tái)大型往復(fù)壓縮機(jī)組彈簧隔振基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的具體計(jì)算方法和流程。以錦州25-1 CEPF平臺(tái)X-2502C壓縮機(jī)組為例，進(jìn)行了壓縮機(jī)橇座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及彈簧隔振器參數(shù)計(jì)算，采用有限元分析方法對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)組彈簧隔振基礎(chǔ)進(jìn)行了動(dòng)力分析，并應(yīng)用數(shù)據(jù)采集儀和速度傳感器對(duì)運(yùn)行中的CEPF-X-2502C壓縮機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。結(jié)果表明，本文提出的彈簧隔振設(shè)計(jì)方法較好地解決了壓縮機(jī)組與安裝甲板結(jié)構(gòu)的剛性動(dòng)態(tài)耦合問題，有效降低了壓縮機(jī)組動(dòng)載荷對(duì)甲板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用，實(shí)測(cè)隔振效率達(dá)85%以上，壓縮機(jī)組關(guān)鍵位置振動(dòng)強(qiáng)度滿足要求。本文研究對(duì)海洋平臺(tái)大型往復(fù)壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝具有一定的指導(dǎo)意義。

海洋平臺(tái)；往復(fù)壓縮機(jī)組；彈簧隔振設(shè)計(jì)；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；錦州25-1 CEPF平臺(tái)

目前國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)大型活塞往復(fù)壓縮機(jī)組通常采用橇裝結(jié)構(gòu),為提高壓縮機(jī)組的剛度，通過焊接方法與平臺(tái)甲板梁剛性連接[1-4]。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，當(dāng)同一甲板上安裝多臺(tái)壓縮機(jī)組且同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，壓縮機(jī)組之間會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)耦合，造成壓縮機(jī)組及甲板結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)振動(dòng)過大的問題，影響壓縮機(jī)組的安全運(yùn)行[5-9]。因此，如何妥善處理壓縮機(jī)組之間的振動(dòng)耦合問題，保證海洋平臺(tái)大型活塞往復(fù)壓縮機(jī)組的安全運(yùn)行，是目前國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)大型活塞往復(fù)壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)與安裝迫切需要解決的問題。

本文根據(jù)彈簧隔振原理，提出了海洋平臺(tái)大型往復(fù)壓縮機(jī)組彈簧隔振基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的具體計(jì)算方法和流程。以錦州25-1CEPF平臺(tái)中壓壓縮機(jī)組為例，將彈簧隔振方法應(yīng)用于壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試對(duì)實(shí)際效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明本文提出的彈簧隔振設(shè)計(jì)方法較好地解決了壓縮機(jī)組之間的振動(dòng)耦合問題，對(duì)海洋平臺(tái)大型往復(fù)壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝具有一定的指導(dǎo)意義。

1 彈簧隔振原理及設(shè)計(jì)方法

1.1 隔振的原理

采用彈簧隔振基礎(chǔ)的壓縮機(jī)組可簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度隔振系統(tǒng)[9]，如圖1所示。從圖1可以看出，壓縮機(jī)組產(chǎn)生的激振力F1通過彈簧和阻尼傳遞到甲板上。與通過焊接剛性固定在甲板上的壓縮機(jī)組相比，傳遞到甲板上的動(dòng)載力F2不等于F1，二者之比K=F2/F1，稱為傳遞系數(shù)。如果傳遞系數(shù)小于1，則甲板上承受動(dòng)載力F2小于激振力F1。可見，隔振的前提是合理選擇彈簧和阻尼，使傳遞系數(shù)小于1。

圖1 壓縮機(jī)組單自由度隔振系統(tǒng)模型

根據(jù)單自由度隔振系統(tǒng)的模型可知，傳遞系數(shù)與壓縮機(jī)組的質(zhì)量m、產(chǎn)生的激振頻率f、彈簧的剛度k和阻尼系數(shù)c存在一定的關(guān)系。如果彈簧隔振系統(tǒng)的固有頻率為f0，阻尼比為ζ，則有

(1)

(2)

式(2)中：ω為彈簧圓頻率，ω=2πf0。

傳遞系數(shù)K為

(3)

式(3)中：λ為激振頻率f與固有頻率f0之比，λ=f/f0。

圖2 K隨λ變化的曲線[10]

表1 不同頻率比時(shí)的傳遞系數(shù)和隔振效果

1.2 隔振設(shè)計(jì)方法

本文根據(jù)隔振原理對(duì)海洋平臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)組進(jìn)行彈簧隔振設(shè)計(jì)，主要完成彈簧剛度和阻尼的計(jì)算，設(shè)計(jì)步驟如下：

1) 確定頻率比λ。根據(jù)隔振原理，對(duì)于低調(diào)諧，隔振彈簧的選取原則一般為取隔振彈簧的固有頻率f0等于激振頻率f的1/3～1/5，即λ=3～5，選擇隔振器時(shí)通常要求隔振效率要達(dá)到95%以上。

2) 確定隔振彈簧的固有頻率f0。根據(jù)壓縮機(jī)組的激振頻率f和頻率比λ計(jì)算隔振彈簧的固有頻率f0=f/λ。

3) 計(jì)算彈簧的剛度k。根據(jù)固有頻率f0，由式(1)計(jì)算彈簧的剛度k。

4) 計(jì)算彈簧的阻尼系數(shù)c。阻尼系數(shù)c=2mζω，考慮壓縮機(jī)組的振動(dòng)特性，須取較大的阻尼比，ζ=0.1～0.2。

5) 確定彈簧隔振器的數(shù)量。選擇原則是使2組彈簧之間的間距不要太大，即讓2組彈簧之間基礎(chǔ)平臺(tái)的撓度不要太大，同時(shí)考慮彈簧的承重留20%的裕量。

2 海洋平臺(tái)壓縮機(jī)組彈簧隔振設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 彈簧隔振器基本參數(shù)

本文以錦州25-1油田CEPF平臺(tái)中層甲板上中壓壓縮機(jī)CEPF-X-2502C為例進(jìn)行彈簧隔振設(shè)計(jì)。該壓縮機(jī)由功率1 050 kW、轉(zhuǎn)速980 r/min的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為一級(jí)活塞往復(fù)式壓縮機(jī)。壓縮機(jī)設(shè)備總質(zhì)量54.3 t，橇塊總質(zhì)量78.3 t，壓縮機(jī)組總質(zhì)量132.6 t。壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速為993 r/min，工作頻率f為16.55 Hz。

2.2 橇座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用彈簧隔振設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)組要求橇座必須具有足夠的剛度，以保證橇座上的設(shè)備振動(dòng)滿足要求。本文在剛性基礎(chǔ)壓縮機(jī)組橇座結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過在主橇的上下表面焊接一層30 mm厚鋼板來(lái)提高橇座的結(jié)構(gòu)剛度，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)組前6階固有模態(tài)均為剛體變形，避免了局部振型的產(chǎn)生。

圖3 CEPF-X-2502C壓縮機(jī)組彈性基礎(chǔ)橇座結(jié)構(gòu)

2.3 彈簧隔振器參數(shù)計(jì)算

本項(xiàng)目壓縮機(jī)組激振頻率f=16.55 Hz，取彈簧振動(dòng)頻率f0=3.5 Hz，則頻率比λ=4.7。壓縮機(jī)組的總質(zhì)量m=132.6 t，根據(jù)式(1)計(jì)算得到所有彈簧隔振器的總剛度為64.06 kN/mm。

根據(jù)壓縮機(jī)組橇座的尺寸，取彈簧組數(shù)為12組，則每組彈簧的承重N=110.5 kN。由于要考慮彈簧的承重留20%的裕量，所以每組彈簧的承重為139 kN，每組彈簧的剛度k=5.34 kN/mm。

當(dāng)機(jī)器低速回轉(zhuǎn)時(shí)，即在機(jī)器啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)，可能通過共振頻率，此時(shí)需要阻尼器來(lái)降低系統(tǒng)的振動(dòng)。取阻尼比ζ=0.2，根據(jù)式(2)計(jì)算得到所有彈簧隔振器的阻尼系數(shù)為1 165.82 kN·s/m，則每組彈簧隔振器阻尼系數(shù)為97.15 kN·s/m。

2.4 動(dòng)力分析

根據(jù)本項(xiàng)目壓縮機(jī)組橇座的結(jié)構(gòu)，建立CEPF-X-2502C壓縮機(jī)組的有限元模型，如圖4所示。在有限元模型中，彈簧隔振基礎(chǔ)被簡(jiǎn)化為一個(gè)XY平面內(nèi)的板單元系統(tǒng)。根據(jù)所建立的有限元模型，計(jì)算該壓縮機(jī)組隔振基礎(chǔ)低頻范圍的固有頻率，結(jié)果見表2。

本項(xiàng)目壓縮機(jī)組的工作頻率為16.55 Hz，從表2可以看出：壓縮機(jī)組隔振系統(tǒng)的第1階振動(dòng)模態(tài)頻率2.64 Hz，小于0.8倍工作頻率；而較接近工作頻率的第8階模態(tài)和第9階模態(tài)，頻率分別為13.30 Hz和18.79 Hz，前者小于0.9倍工作頻率，后者大于1.10倍工作頻率，二者均避開了壓縮機(jī)組工作頻率±10%的范圍?？梢姡搲嚎s機(jī)組隔振系統(tǒng)的前20階固有頻率均能遠(yuǎn)離壓縮機(jī)組的工作頻率，可避開引起劇烈振動(dòng)的共振區(qū)域，振動(dòng)特性優(yōu)良，可不進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

圖4 CEPF-X-2502C壓縮機(jī)組有限元模型

表2 CEPF-X-2502C壓縮機(jī)組隔振系統(tǒng)固有頻率

2.5 現(xiàn)場(chǎng)隔振測(cè)試與分析

為檢驗(yàn)彈簧隔振的效果，應(yīng)用DASP數(shù)據(jù)采集儀和速度傳感器對(duì)運(yùn)行中的CEPF-X-2502C壓縮機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，通過采集的振動(dòng)速度信號(hào)對(duì)隔振效果和振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行分析。

1) 隔振效果。為分析彈性基礎(chǔ)支撐的壓縮機(jī)組振動(dòng)傳遞特性，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)彈簧隔振效果，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示，測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形和頻譜如圖6所示。從圖6可以看出，由壓縮機(jī)組橇座傳遞到安裝甲板上的振動(dòng)能量明顯衰減，根據(jù)實(shí)測(cè)信號(hào)計(jì)算壓縮機(jī)組橇座測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)信號(hào)速度有效值為1.46 mm/s，而與之相鄰的安裝甲板測(cè)點(diǎn)2的振動(dòng)信號(hào)速度有效值僅為0.21 mm/s?？梢?，本項(xiàng)目壓縮機(jī)組彈簧隔振設(shè)計(jì)較好地解決了壓縮機(jī)組與甲板結(jié)構(gòu)之間的剛性耦合問題。根據(jù)隔振效率計(jì)算公式可知，本項(xiàng)目壓縮機(jī)組彈簧隔振系統(tǒng)隔振效率達(dá)85%以上，隔振效果顯著。

圖5 CEPF-X-2502C壓縮機(jī)組彈簧隔振測(cè)點(diǎn)布置

圖6 CEPF-X-2502C壓縮機(jī)組彈簧隔振測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形和頻譜

2) 振動(dòng)強(qiáng)度。隔振設(shè)計(jì)的主要目的是解決壓縮機(jī)組與甲板結(jié)構(gòu)之間的剛性耦合問題，但不能降低壓縮機(jī)組振動(dòng)的響應(yīng)值。因此，在評(píng)價(jià)隔振效果的同時(shí)，還必須對(duì)壓縮機(jī)組關(guān)鍵位置的振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，以保證壓縮機(jī)組的安全運(yùn)行。分別隨機(jī)采集壓縮機(jī)橇、電機(jī)座、壓縮機(jī)座、壓縮機(jī)缸體、二層橇及安裝甲板測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)速度信號(hào)，計(jì)算不同測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)速度信號(hào)有效值，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，本項(xiàng)目壓縮機(jī)組彈簧隔振不同測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)速度信號(hào)有效值均小于API 618標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4.5 mm/s[11]，表明采用彈簧隔振基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)組關(guān)鍵位置振動(dòng)強(qiáng)度滿足要求。

表3 CEPF-X-2502C壓縮機(jī)組彈簧隔振不同測(cè)點(diǎn)位置振動(dòng)速度信號(hào)有效值

3 結(jié)論

根據(jù)彈簧隔振原理，提出了海洋平臺(tái)大型往復(fù)壓縮機(jī)組彈簧隔振基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的具體計(jì)算方法和流程，并以錦州25-1CEPF平臺(tái)X-2502C壓縮機(jī)組為例，進(jìn)行了彈簧隔振設(shè)計(jì)計(jì)算及工程應(yīng)用研究。結(jié)果表明，本文提出的彈簧隔振設(shè)計(jì)方法較好地解決了錦州25-1CEPF平臺(tái)X-2502C壓縮機(jī)組與安裝甲板結(jié)構(gòu)的剛性動(dòng)態(tài)耦合問題，有效地降低了壓縮機(jī)組動(dòng)載荷對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)測(cè)隔振效率達(dá)85%以上，壓縮機(jī)組關(guān)鍵位置的振動(dòng)強(qiáng)度滿足相關(guān)規(guī)范要求。本文研究對(duì)海洋平臺(tái)大型活塞往復(fù)壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝具有一定的指導(dǎo)意義。

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(編輯：呂歡歡)

Design and application of spring vibration isolation for reciprocating compressors on offshore platforms

Huang Yehua1Li Guobin2Dai Guohua1

(1.TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China; 2.DalianMaritimeUniversity,Dalian,Liaoning116026,China)

In order to solve the problem of rigid dynamic coupling between the skid-mounted reciprocating compressors on offshore platform and the deck structures, based on the vibration isolation principle, the specific calculation methods and flow chart for designing spring vibration isolation of large reciprocating compressors was put forward. Taking the X-2502C compressors unit of JZ 25-1 CEPF platform as an example, the design of compressors skid structure and the calculation of spring isolation parameters were carried out. The dynamic analysis of spring vibration isolation foundation of reciprocating compressors was conducted with the finite element method, and the field testing on the running CEPF-X-2502C compressors was conducted with the data collection instrument and the speed sensor. The results showed that the problems of rigid dynamic coupling between the compressors and the deck structure can be solved by the spring vibration isolation design method proposed here. The effect of dynamic load of compressors on deck structures can be reduced effectively. The measured vibration isolation efficiency reached 85%; and the vibration strength of key positions in compressors meets the requirements. This study has certain significance for the structure design and installation of large reciprocating compressors on offshore platforms.

offshore platform; reciprocating compressors; spring vibration isolation design; field testing; JZ 25-1 CEPF platform

黃業(yè)華，男，教授級(jí)高級(jí)工程師,2011年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事海洋石油開發(fā)工作。地址:天津市濱海新區(qū)海洋石油大廈A座(郵編:300452)。E-mail:huangyh@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0132-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.021

TB535+.1； TE974

A

2015-12-16 改回日期：2016-02-03

黃業(yè)華,李國(guó)賓,戴國(guó)華.海洋平臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)組彈簧隔振設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(3)：132-136.

Huang Yehua,Li Guobin,Dai Guohua.Design and application of spring vibration isolation for reciprocating compressors on offshore platforms[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):132-136.