李廣鑫 胡安斌 劉超 肖文生 劉健 陳亞寧

摘要：海上壓裂設(shè)備作為海洋油氣資源增產(chǎn)作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，在保證高效、安全運(yùn)行的同時(shí)，其噪聲問題對設(shè)備與從業(yè)人員也產(chǎn)生重要影響。以某型號橇裝式海洋油氣壓裂設(shè)備為研究對象，對噪聲數(shù)值模擬和測試方法進(jìn)行研究，建立橇裝式海洋油氣壓裂設(shè)備三維模型、壓裂設(shè)備整機(jī)有限元模型和壓裂設(shè)備邊界元網(wǎng)格模型；利用Virtulal.Lab Acoustic對壓裂設(shè)備整機(jī)輻射噪聲進(jìn)行預(yù)測，獲取壓裂設(shè)備聲場聲壓云圖及噪聲顯著頻段；通過對壓裂設(shè)備進(jìn)行噪聲測試，確定出不同工況下各測點(diǎn)的最大聲壓級、總聲壓級、平均聲壓級和聲功率級。研究結(jié)果分析出壓裂設(shè)備輻射噪聲的顯著頻段，壓裂設(shè)備噪聲呈明顯的寬頻特性，泵頭處噪聲較為顯著。將數(shù)值仿真結(jié)果與噪聲測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。仿真分析所得結(jié)果為壓裂設(shè)備后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和噪聲控制提供了指導(dǎo)和參考。

關(guān)鍵詞：海洋油氣壓裂設(shè)備；有限元模型；Virtulal.Lab Acoustic；輻射噪聲；噪聲測試

0 引 言

海上壓裂設(shè)備是海洋油氣資源增產(chǎn)作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，作業(yè)時(shí)壓裂船上各設(shè)備緊湊的布局在甲板上，壓裂橇之間的振動干擾會降低機(jī)組工作效率，嚴(yán)重情況下還會引起機(jī)組強(qiáng)烈共振，致使機(jī)組被迫停機(jī)［1］。同時(shí)壓裂設(shè)備在工作過程中會產(chǎn)生巨大的噪聲，受船舶空間的限制，工作人員長期暴露在高分貝噪聲環(huán)境下，而且壓裂現(xiàn)場距離從業(yè)人員的休息室也非常近，噪聲也嚴(yán)重危害相關(guān)人員的身心健康［2-4］。因此，有必要開展海洋油氣壓裂設(shè)備的噪聲特性研究，為后續(xù)減振降噪分析做鋪墊。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對壓裂系統(tǒng)噪聲分析已經(jīng)進(jìn)行了一些基礎(chǔ)理論性研究。J.M.OEHRING等［5-7］針對水力壓裂系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲大的問題，設(shè)計(jì)了一系列的降噪設(shè)備；B.J.LEWIS等［8］提出了一種壓裂設(shè)備噪聲衰減方案，通過由多個(gè)噪聲源產(chǎn)生的噪聲頻率與存儲于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多條頻率相比較，識別產(chǎn)生該噪聲的1個(gè)或多個(gè)噪聲源，發(fā)出與該噪聲對應(yīng)的抗噪聲以達(dá)到降噪的效果；LIU J.C.等［9］利用Cadna/A環(huán)境噪聲模擬軟件建立了某壓裂作業(yè)模擬聲環(huán)境的簡化模型，得到壓裂作業(yè)過程中的噪聲等值線圖，隨后進(jìn)行了現(xiàn)場測試，結(jié)果表明測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本一致；C.RADTKE等［10］對油氣開發(fā)的4個(gè)階段包括水力壓裂階段，使用A和C加權(quán)聲級收集噪聲測量值；劉健等［11］以海洋油氣壓裂設(shè)備為測試對象，采用九點(diǎn)聲壓法的測量方法，通過測試分析各測點(diǎn)的聲壓級，確定了壓裂設(shè)備作業(yè)時(shí)的頻率特性和主要聲源。

總體來看，國內(nèi)外學(xué)者對壓裂設(shè)備噪聲特性研究的文獻(xiàn)較少，且大多為現(xiàn)場試驗(yàn)，對海上油氣壓裂設(shè)備整機(jī)聲源識別、噪聲分布與噪聲控制方面的研究更為缺乏，無法準(zhǔn)確預(yù)測壓裂設(shè)備在不同工況下的噪聲輻射?；诖?，筆者以某型橇裝式海上油氣壓裂設(shè)備為研究對象，結(jié)合多體動力學(xué)理論、邊界元法以及多仿真軟件，形成聯(lián)合計(jì)算輻射噪聲的方法，分析壓裂設(shè)備在不同作業(yè)工況下的噪聲特性，并通過噪聲測試分析，確定壓裂設(shè)備的主要噪聲源與噪聲頻譜特性，為后續(xù)海上油氣壓裂設(shè)備的減振降噪優(yōu)化提供一定參考。

1 噪聲分析理論

目前數(shù)值聲學(xué)分析主要有2種方法：有限元法和邊界元法［12］。其中，聲學(xué)邊界元法計(jì)算范圍廣，能夠計(jì)算邊界封閉和不封閉的聲場［13-14］。聲學(xué)邊界元法只需要計(jì)算結(jié)構(gòu)的邊界表面，降低求解的維度，有較高的計(jì)算精度和計(jì)算效率，故采用邊界元法計(jì)算輻射聲場的聲學(xué)響應(yīng)。

研究主要針對壓裂設(shè)備的外聲場，且壓裂設(shè)備邊界元面網(wǎng)格封閉，故采用直接邊界元法?？紤]到壓裂設(shè)備的噪聲由結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生，且結(jié)構(gòu)和與之接觸的流體間的相互作用不明顯，在仿真計(jì)算時(shí)可以忽略，不會影響計(jì)算結(jié)果的精度。綜上考慮，確定壓裂設(shè)備的噪聲仿真分析采用非耦合直接邊界元法。

2 壓裂設(shè)備結(jié)構(gòu)輻射噪聲數(shù)值仿真

2.1 壓裂設(shè)備輻射噪聲分析模型建立

Virtual.Lab Acoustic軟件是專門從事噪聲分析的CAE軟件［14］，基于該聲學(xué)軟件，采用聲學(xué)邊界元法對壓裂設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)表面噪聲頻域的仿真計(jì)算，并通過后處理功能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。將有限元分析計(jì)算的結(jié)構(gòu)振動數(shù)據(jù)加載到邊界元模型上，在完成邊界條件加載后，計(jì)算壓裂設(shè)備結(jié)構(gòu)輻射相關(guān)問題［15］。聲學(xué)非耦合計(jì)算流程如圖1所示。

聲場是由聲源發(fā)出的聲波在某種彈性介質(zhì)（主要為空氣）內(nèi)傳播所占據(jù)的一定的空間［4］。聲場中的任意一個(gè)空間位置為場點(diǎn)，場點(diǎn)網(wǎng)格的作用是提取聲學(xué)仿真結(jié)果，進(jìn)行頻譜分析；仿真定義的場點(diǎn)相當(dāng)于現(xiàn)場測試時(shí)采用的傳聲器，可以測得該場點(diǎn)的聲壓和聲強(qiáng)，進(jìn)而計(jì)算出整個(gè)場點(diǎn)的整機(jī)聲功率和各場點(diǎn)總聲壓級，獲取壓裂設(shè)備的總體噪聲水平。采用5個(gè)自由表面（1個(gè)反射表面）九點(diǎn)聲壓法的測量方法，在5個(gè)測量表面的中點(diǎn)各布置1個(gè)測點(diǎn)作為基本測點(diǎn)，在上端的4個(gè)自由頂角各布置一個(gè)場點(diǎn)作為附加測點(diǎn)，共有9個(gè)測點(diǎn)，如圖3所示。

除底面外，各個(gè)測量表面均距壓裂設(shè)備基準(zhǔn)體表面1 m（d=1 m），壓裂設(shè)備基準(zhǔn)體表面是指恰好包絡(luò)壓裂設(shè)備的一個(gè)最小矩形六面體。壓裂設(shè)備底面距離甲板很近，因此不設(shè)置測量面，而是添加1個(gè)硬邊界條件的對稱平板模擬底面反射面，反射面距離壓裂設(shè)備底面0.25 m。場點(diǎn)網(wǎng)格以及反射面如圖4所示。

場點(diǎn)網(wǎng)格為長寬高為8 270 mm×4 200 mm×2 705 mm的長方體，場點(diǎn)網(wǎng)格密度設(shè)置為40。各場點(diǎn)位置坐標(biāo)如表2所示。至此，海洋油氣壓裂設(shè)備輻射噪聲分析模型建立完成。

2.2 壓裂設(shè)備輻射噪聲分析

與振動仿真步數(shù)對應(yīng)，一個(gè)完整的仿真周期共216個(gè)載荷步，每隔18個(gè)載荷步提取1次整機(jī)輻射聲場聲壓分布。部分整機(jī)聲壓云圖如圖5所示。

由聲壓云圖可知，在壓裂設(shè)備的1個(gè)工作周期內(nèi)，整機(jī)輻射噪聲的聲壓級在87～100 dB之間，其中靠近壓裂泵一側(cè)的聲壓級大于其他位置，輻射噪聲較為明顯；尤其是壓裂泵頭位置，發(fā)動機(jī)氣缸蓋的聲壓級也比較大。在壓裂設(shè)備工作時(shí)，壓裂泵頭承受較大的液壓力，氣缸蓋承受著較大的氣體力，因此將這2處確定為主要噪聲源。壓裂泵頭和氣缸蓋也是后續(xù)減振降噪的主要研究對象。

2.3 壓裂設(shè)備輻射噪聲聲場場點(diǎn)分析

振動分析求取的響應(yīng)為時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)，對壓裂設(shè)備進(jìn)行噪聲特性分析時(shí)，需要通過傅里葉變換將時(shí)域的信號轉(zhuǎn)換為頻域信號。取9個(gè)場點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行A計(jì)權(quán)聲級下的1/3倍頻程譜分析，A計(jì)權(quán)聲級是模仿60 dB以下的聲壓，最符合人耳感應(yīng)的響應(yīng)曲線，因此A計(jì)權(quán)得到的結(jié)果與人耳感覺十分接近。A計(jì)權(quán)響應(yīng)與頻率的關(guān)系如表3所示。

由圖6與表4可知，各測點(diǎn)聲壓級變化規(guī)律整體上相近，噪聲顯著頻段均在400～4 000 Hz范圍內(nèi)，該頻段的噪聲能量主導(dǎo)了壓裂設(shè)備噪聲的總聲壓級水平，也決定了壓裂設(shè)備輻射噪聲的特點(diǎn)。

3 壓裂設(shè)備的噪聲測試分析

3.1 測試設(shè)備與方法

采用DH5902數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)測試壓裂設(shè)備噪聲。試驗(yàn)主要器材包括：

（1）9個(gè)MPA201電容傳聲器作為測試的接收設(shè)備，將測試聲壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

（2）噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行信號處理，得到測試的聲壓數(shù)據(jù)。

（3）其他測試輔助器材包括聲級校準(zhǔn)器、風(fēng)罩、噪聲測量支架等。

采用5個(gè)自由表面（1個(gè)反射表面）九點(diǎn)聲壓法的測試方法。為了確保仿真結(jié)果與測試結(jié)果具有對比性，測試中9個(gè)傳聲器的位置要保證與噪聲仿真中9個(gè)測點(diǎn)的位置一一對應(yīng)。

3.2 測試結(jié)果分析

3.2.1 環(huán)境噪聲

環(huán)境噪聲的空間分布和變化情況復(fù)雜，現(xiàn)場測試時(shí)環(huán)境噪聲會影響測試結(jié)果。因此，為消除環(huán)境噪聲影響，保證各測點(diǎn)測試聲壓值的精準(zhǔn)，首先應(yīng)對環(huán)境噪聲進(jìn)行測試分析，然后與所測聲源的噪聲對比，預(yù)估背景噪聲引起的誤差，進(jìn)行修正處理［18］。具體修正值如表5所示。

3.2.2 單臺壓裂設(shè)備的測試與分析

以某型號橇裝式海洋油氣壓裂設(shè)備為試驗(yàn)對象，分別對單機(jī)運(yùn)行工況下1～6擋的噪聲進(jìn)行測試分析。因仿真計(jì)算使用的為壓裂設(shè)備中常見的4擋設(shè)備，故只列出第4擋的測試結(jié)果。具體如下：

（1）壓裂設(shè)備聲壓級計(jì)算。由于聲壓信號無法直觀體現(xiàn)壓縮機(jī)噪聲特性，所以對各測點(diǎn)聲壓信號進(jìn)行A計(jì)權(quán)1/3倍頻程譜分析。4擋工況下各測點(diǎn)A計(jì)權(quán)1/3倍頻程譜聲壓級曲線如圖7所示。

由1/3倍頻程曲線可知，4擋工況下噪聲顯著頻段為315～4 000 Hz，機(jī)組噪聲從低頻到高頻較為均勻，屬于寬頻噪聲，中心頻率處于中頻頻段。4擋工況下壓裂設(shè)備1～9測點(diǎn)的最大聲壓級和對應(yīng)的中心頻率由1/3倍頻程譜曲線獲得，如表6所示。根據(jù)式（9）計(jì)算1～9測點(diǎn)的總聲壓級，并根據(jù)表5對比4擋工況下的測試噪聲與環(huán)境噪聲的變化量，對總聲壓級做修正處理，總聲壓級和修正聲壓級如表7所示。

3.3 仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比分析

仿真的工況為壓裂設(shè)備常見的第4擋，選取噪聲仿真9個(gè)場點(diǎn)的聲壓級與對應(yīng)的測點(diǎn)聲壓級進(jìn)行A計(jì)權(quán)1/3倍頻程譜分析，對比仿真模擬結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果，如圖9所示。

由1/3倍頻程譜曲線可知，仿真數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)存在一定的差值，但大部分差值都在10%以內(nèi)，且曲線整體趨勢相符，噪聲顯著頻段均在400～4 000 Hz范圍內(nèi)，可以認(rèn)為二者結(jié)果非常相近，能夠驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性?？傮w上模擬值低于試驗(yàn)值，主要原因在于模擬計(jì)算時(shí)，忽略了一些輻射噪聲貢獻(xiàn)量不大的變速箱齒輪的激勵，并且研究主要考慮壓裂設(shè)備的機(jī)械噪聲和氣動噪聲，沒有涉及發(fā)動機(jī)的燃燒噪聲，導(dǎo)致場點(diǎn)的聲壓級模擬值低于試驗(yàn)值。

4 結(jié) 論

采用數(shù)值仿真與試驗(yàn)測試相結(jié)合的方法進(jìn)行海上油氣壓裂設(shè)備噪聲特性分析，基于多體動力學(xué)理論、邊界元法以及多仿真軟件聯(lián)合計(jì)算輻射噪聲的方法展開相關(guān)研究，主要形成以下結(jié)論：

（1）采用非耦合直接邊界元法，建立了壓裂設(shè)備輻射噪聲分析模型，完成壓裂設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)聲輻射分析。分析得出在靠近泵頭處聲壓級最高可達(dá)100 dB以上，下方聲壓級普遍高于上方聲壓級，壓裂設(shè)備噪聲顯著頻段均在400～4 000 Hz范圍內(nèi)，從低頻到高頻較為均勻，屬于寬頻帶噪聲，中心頻率處于中頻頻段。通過疊加原理計(jì)算出各場點(diǎn)總聲壓級，均超出國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 5979—1986）規(guī)定的機(jī)艙區(qū)主機(jī)操縱處限制值為90 dB的要求，噪聲較大，需要進(jìn)行噪聲控制。

（2）對單臺壓裂設(shè)備進(jìn)行噪聲測試及數(shù)據(jù)處理，分析出不同工況下各測點(diǎn)的最大聲壓級、總聲壓級和平均聲壓級，靠近測點(diǎn)1的泵頭處聲壓級最大，主要原因是受液壓力的影響，且受甲板反射的影響，低處位置噪聲聲壓級較大。

（3）對壓裂設(shè)備噪聲的仿真結(jié)果和測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，分析出了模擬值低于試驗(yàn)值的原因，并分析得出壓裂設(shè)備的泵頭處和氣缸蓋處為主要的噪聲源。仿真與分析結(jié)果為后續(xù)壓裂設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)和噪聲控制提供了一定的指導(dǎo)和參考。

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