高 勛，黃志新，雷 林，王智勇

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)組采撬裝結(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[1-3]?，F(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。因此，如何妥善處理壓縮機(jī)組之間的振動(dòng)耦合，保證海洋平臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)組的安全運(yùn)行，是目前國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)迫切需要解決的問題。

1 確定隔振頻率及隔振系統(tǒng)固有頻率

彈性支承的固有頻率應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇，由所需的振動(dòng)傳遞率TA 或隔振效率I 決定，見式（1）。其中，η 為隔振系數(shù)。當(dāng)缺乏這方面資料時(shí)，一般應(yīng)使固有頻率fn和擾動(dòng)頻率f 之比在以下范圍內(nèi)，即f 是fn的2.5～5.0 倍。

當(dāng)上述條件難于滿足時(shí)，應(yīng)力求將fn控制在f 的70%以下。為了避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，最好在設(shè)備的常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不讓fn與f 靠近。對(duì)于那些以隔聲或緩沖為主要目的彈性支撐，fn應(yīng)為f 的1.6～2.0 倍。

錦州25-1 南油田WHPD 平臺(tái)預(yù)留氣舉流程實(shí)施項(xiàng)目新增的兩臺(tái)往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)橇，型號(hào)為WHPD-X-2501A/B。WHPD-X-2501 壓縮機(jī)組運(yùn)行的額定轉(zhuǎn)速為990 r/min，相應(yīng)的激振頻率為16.5 Hz；要求的隔振效率I 不低于82%。為了安全，按照隔振效率為94%進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以計(jì)算得出隔振系統(tǒng)固有頻率應(yīng)不高于3.93 Hz。

2 確定橇座質(zhì)量、剛度和尺寸

當(dāng)設(shè)備以垂向振動(dòng)完全獨(dú)立的方式彈性支撐時(shí)，通過式（2）可以計(jì)算出由激振力所引起的設(shè)備振幅A。

式中 Q——擾動(dòng)力（或激振力），kg

W——被隔振設(shè)備的重量，kg

g——重力加速度，980 cm/s2

當(dāng)算出的設(shè)備的振幅A 超出容許值時(shí)，則應(yīng)增加W 以限制A 在容許值之內(nèi)。為此，應(yīng)把設(shè)備剛性地固定在鋼制的或混凝土制的橇座上，然后將橇座按彈性支撐的方式連接在基礎(chǔ)上。

大、中型往復(fù)式壓縮機(jī)在豎向和水平向擾力和回轉(zhuǎn)力矩、扭轉(zhuǎn)力矩都較大，因此，未作修改時(shí)其橇座的豎向、水平向和繞旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)方向都會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)。在隔振設(shè)計(jì)時(shí)，需要做尺寸和重量都較大的隔振基礎(chǔ)橇座才能滿足工藝和隔振要求。根據(jù)隔振指標(biāo)，鋼結(jié)構(gòu)的橇座基礎(chǔ)的自振頻率要避開設(shè)備的工作轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)頻率的3 倍以上，橇座及附加惰性塊質(zhì)量一般要2～3倍于被隔振設(shè)備的質(zhì)量，具體的數(shù)值也可以根據(jù)隔振設(shè)備許可的振幅和隔振方向?qū)?yīng)的總擾力幅值來(lái)計(jì)算。橇座質(zhì)量m2可以由式（3）計(jì)算得出。

式中 [v]——設(shè)備允許的振動(dòng)速度，cm/s

m1——被隔振設(shè)備質(zhì)量，kg

p0——作用在隔振體系質(zhì)量中心處沿被隔振方向的擾力幅值，kg·cm/s2

ω——干擾圓頻率，rad/s

橇座通常由型鋼或混凝土構(gòu)成，前者制作方便，也可具備足夠的剛性，但是自重較輕；后者剛性較好、重量較大，一般橇座以鋼結(jié)構(gòu)為框架、內(nèi)部灌漿處理來(lái)保證隔振的剛度和質(zhì)量要求。橇座的幾何尺寸由被隔振設(shè)備的幾何尺寸、安裝和操作條件等決定，通常采用長(zhǎng)方形和正方形，需要時(shí)也可以做成多角形、圓形等形狀。

橇座惰性塊的主要作用有：①降低整體固有頻率，提高隔振效果；②減少被隔振機(jī)械設(shè)備自身的振動(dòng)幅值；③降低隔振系統(tǒng)的重心，以提高穩(wěn)定性；④減少機(jī)組重量分布不均勻性的影響；⑤克服剛性低的隔振元件產(chǎn)生的搖擺運(yùn)動(dòng)；⑥減少具有壓力的流體輸送機(jī)械隔振時(shí)輸出口處的反作用力影響。

3 確定隔振器型式及剛度、阻尼

當(dāng)所需的垂向固有頻率在5 Hz 以上時(shí)，可以選用橡膠隔振器，但是要考慮其耐久性及工作環(huán)境的影響：如果在3～5 Hz，宜采用金屬?gòu)椈筛粽?；低? Hz 時(shí)宜采用空氣彈簧隔振，較易調(diào)節(jié)。目前常用的為彈簧阻尼的復(fù)合隔振器。當(dāng)隔振材料確定后，則根據(jù)機(jī)械設(shè)備的形狀和激振力的類型、大小來(lái)確定隔振器的結(jié)構(gòu)形式。

由已知的彈性支承垂向頻率，可以通過式（4）推算處總的垂向支承剛度。

式中 K——彈性支承垂向總的動(dòng)剛度，kg/cm

W——物體總重量，W=mg

δst——彈性支承在物體總重量下的靜撓度，cm

d——隔振材料的動(dòng)態(tài)系數(shù)，其值等于隔振器的動(dòng)剛度和靜剛度之比

繪制彈性支撐的靜撓度和隔振材料的動(dòng)態(tài)系數(shù)與固有頻率間的關(guān)系（圖1）。隔振設(shè)備質(zhì)量、彈性支承動(dòng)剛度與固有頻率間的關(guān)系如圖2 所示。

圖1 彈性支撐的靜撓度和隔振材料的動(dòng)態(tài)系數(shù)與固有頻率的關(guān)系

圖2 隔振設(shè)備質(zhì)量、彈性支承動(dòng)剛度與固有頻率的關(guān)系

根據(jù)被隔振橇座的結(jié)構(gòu)尺寸、機(jī)腳數(shù)量和相鄰隔振器2～3 m的適宜間距，確定選用的隔振器數(shù)量。隔振器的剛度可以由被隔振設(shè)備的重量，結(jié)合固有頻率值，由圖2 定出垂向剛度值。根據(jù)工程資料顯示，隔振器水平剛度一般取為垂向剛度的80%，但是當(dāng)水平擾力及振動(dòng)較大時(shí)，可以適當(dāng)增加水平剛度值，一般選取垂向和水平向剛度比較接近的隔振器。

隔振設(shè)計(jì)要求體系的自振頻率小于強(qiáng)迫振動(dòng)頻率，因此，在動(dòng)力設(shè)備啟動(dòng)或關(guān)機(jī)過程中必會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)共振，即通過共振。通過共振的最大振幅雖然總小于穩(wěn)定振動(dòng)時(shí)的共振幅值，但比穩(wěn)定振動(dòng)大得多。為防止設(shè)備發(fā)生過大的振動(dòng)和隔振器承受過大的動(dòng)載荷，需要用阻尼來(lái)控制通過共振時(shí)的振幅。通過共振時(shí)的振幅與通過共振的速度有關(guān)，速度越快，最大振幅越小。由于動(dòng)力設(shè)備啟動(dòng)和關(guān)機(jī)的時(shí)間一般大于5 s，強(qiáng)迫振動(dòng)頻率大于10 Hz，這時(shí)共振的最大的振幅與穩(wěn)定共振振幅比較接近。為了便于計(jì)算，假定兩者是相等的，則共振的最大振幅。

共振是瞬時(shí)的，允許的最大振動(dòng)可以取穩(wěn)定振動(dòng)時(shí)的5～6倍，即[Amax]=（5～6）A。由此可計(jì)算隔振器所必須的阻尼。

阻尼確定的另一種方法是根據(jù)構(gòu)造要求配置，即隔振體系的豎向和水平向均需要配置不小于0.05 的阻尼比，不能僅配置豎向阻尼不配置水平阻尼，不然啟動(dòng)、停機(jī)和調(diào)速時(shí)會(huì)產(chǎn)生比正常工作狀態(tài)大得多的水平向振動(dòng)，且正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)平穩(wěn)性也較差，會(huì)產(chǎn)生較大的低諧波振動(dòng)，工程實(shí)踐中較適宜的阻尼比范圍為0.05～0.20，這樣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)比較平穩(wěn)。

通過式（4），可以計(jì)算出隔振系統(tǒng)需要的總的垂向支撐剛度不大于40.29 kN/mm。

在確定了彈性支撐的剛度、阻尼等參數(shù)后，即可按產(chǎn)品樣本查找合適的隔振器。再?gòu)膹?qiáng)度方面的要求來(lái)校核彈性支撐的大小、尺寸，隔振器的承載力可按靜載荷驗(yàn)算，但應(yīng)考慮剛度、重力、重心誤差產(chǎn)生的受力不均，留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，隔振器的額定載荷應(yīng)為工作載荷的1.25 倍以上。

4 參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

將WHPD-X-2501 壓縮機(jī)組橇裝及隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)匯總（表1）。根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行工況和隔振效率的要求（不低于82%），設(shè)計(jì)隔振效率選擇為95%。設(shè)計(jì)的運(yùn)行工況下機(jī)組重量為66 298 kg，其中，運(yùn)行工況下機(jī)組重量=橇座+橇內(nèi)設(shè)備+惰性質(zhì)量，橇座質(zhì)量為18 765 kg，橇內(nèi)設(shè)備質(zhì)量為34 235 kg，增加的惰性（40 mm 厚鋼板）質(zhì)量為13 298 kg。其他設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。

表1 彈簧隔振器設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 彈簧隔振器設(shè)計(jì)結(jié)果

計(jì)算過程說(shuō)明如下：

（1）壓縮機(jī)及其橇裝在運(yùn)行工況下初始質(zhì)量約53 019 kg，其中底橇質(zhì)量為18.765 kg，橇上設(shè)備質(zhì)量為34 235 kg，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，底橇質(zhì)量應(yīng)不小于橇上設(shè)備的1.0～1.5 倍。另外，考慮到實(shí)際吊裝時(shí)的重量要求，額外在底橇增加了一塊與底橇大小相同、厚40 mm 的鋼板，其質(zhì)量約13 298 kg。最終，運(yùn)行工況下壓縮機(jī)機(jī)組橇裝總重約66 298 kg。

（2）壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為990 r/min，基頻為16.5 Hz，隔振效率設(shè)計(jì)值為94%，根據(jù)式（1）計(jì)算出隔振器固有頻率為3.92 Hz，隔振器總剛度為40.29 kN/mm。選用一組10 個(gè)隔振器時(shí)，則單個(gè)隔振器垂直剛度為4.029 kN/mm，單個(gè)隔振器水平剛度按垂直剛度的80%計(jì)算，為3.223 kN/mm。