史曉慶，穆 頃，安振武，張曉頻，朱本瑞

（1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心 天津300452；2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300350）

0 引 言

往復(fù)式壓縮機(jī)是海洋平臺(tái)不可缺少的生產(chǎn)設(shè)備，從天然氣的處理、采集外輸?shù)綖榘l(fā)動(dòng)機(jī)提供高壓燃料氣，應(yīng)用十分廣泛。往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)激振載荷，如果平臺(tái)剛度和強(qiáng)度不滿足要求，則會(huì)造成平臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)過大，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，并隨之帶來一系列問題，主要表現(xiàn)在壓縮機(jī)設(shè)備零部件加速磨損、頻繁更換增加維修和保養(yǎng)費(fèi)用，縮短設(shè)備使用壽命，由此引起局部共振，進(jìn)而導(dǎo)致振源附近的儀器、設(shè)備無法正常使用，還會(huì)造成平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷、主軸承破壞、螺栓松動(dòng)和焊縫開裂等［1］。此外，振動(dòng)產(chǎn)生的高強(qiáng)噪聲會(huì)對(duì)工作人員身體造成一定傷害，威脅健康安全。因此，對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)引起的振動(dòng)進(jìn)行評(píng)估，并針對(duì)性地采取控制和減振措施，將壓縮機(jī)組的振動(dòng)控制在允許范圍內(nèi)，對(duì)保證機(jī)組安全運(yùn)行具有重要意義。

本文以某平臺(tái)改造新增往復(fù)壓縮機(jī)為例，通過模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析解析平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)水平，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化壓縮機(jī)底撬結(jié)構(gòu)和平臺(tái)支持結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)合理的的壓縮機(jī)底撬結(jié)構(gòu)和平臺(tái)支撐梁連接的焊接方案，為平臺(tái)安全提供技術(shù)保障。

1 新增壓縮機(jī)靜力分析初步評(píng)估

某平臺(tái)改造新增往復(fù)壓縮機(jī)，將其布置在下層甲板東南角，甲板外擴(kuò)尺寸22.35 m×8.35 m，如圖1所示。壓縮機(jī)組整撬尺寸約為12.3 m×5.5 m，重量約為131 t。

在改造方案研究初步階段，由于壓縮機(jī)廠家不確定，缺少詳細(xì)準(zhǔn)確的壓縮機(jī)資料，無法進(jìn)行動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)水平分析，故可通過先進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算來初步評(píng)估方案是否可行。首先根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖紙、結(jié)構(gòu)校核報(bào)告、重量控制報(bào)告和后期改造資料等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用SACS軟件建立平臺(tái)當(dāng)前服役狀態(tài)的模型［2］，然后考慮本次改造新增的設(shè)備、管線等荷載，對(duì)新增往復(fù)壓縮機(jī)荷載考慮1.5～2倍的動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行加載計(jì)算。由于新增往復(fù)壓縮機(jī)重量較大，又布置在平臺(tái)主軸線外，對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和樁基影響較大，所以需要對(duì)平臺(tái)組塊和導(dǎo)管架進(jìn)行整體校核，重點(diǎn)關(guān)注平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、樁基承載能力、壓縮機(jī)安裝方案和可行的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案。壓縮機(jī)的初步靜力校核結(jié)果可作為評(píng)判當(dāng)前改造方案是否可行的依據(jù)和下一階段動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和動(dòng)力響應(yīng)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

2.1 上部組塊資料和結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)資料和當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)、平臺(tái)上部設(shè)備重量及其分布、活載荷分布等數(shù)據(jù)，采用ANSYS軟件建立平臺(tái)上部組塊整體有限元模型。建模時(shí)單元類型選取如下：對(duì)于上部組塊中圓管結(jié)構(gòu)，采用PIPE16單元模擬；對(duì)于支撐甲的梁結(jié)構(gòu)，采用BEAM188中梁截面單元模擬；對(duì)于上部組塊錐形結(jié)構(gòu)，采用BEAM188中Cone截面單元模擬；對(duì)于甲板結(jié)構(gòu)，采用SHELL63單元模擬；對(duì)于上部組塊相關(guān)設(shè)備，采用MASS21單元模擬。上部組塊結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，壓縮機(jī)位置的局部結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 新增壓縮機(jī)位置局部改造模型Fig.3 Local modification model for location of new compressor

新增壓縮機(jī)位置的局部結(jié)構(gòu)，根據(jù)壓縮機(jī)底撬形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在支撐電機(jī)、壓縮機(jī)及洗滌罐的底撬結(jié)構(gòu)梁下部均應(yīng)有對(duì)應(yīng)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)梁。

根據(jù)壓縮機(jī)廠家資料，本次改造新增往復(fù)式壓縮機(jī)型號(hào)為Ariel KBT/4，額定功率為1 400 kW，額定轉(zhuǎn)速為990 rpm，激勵(lì)頻率約為16.5 Hz，壓縮機(jī)組布置總圖如圖4所示。壓縮機(jī)組和電機(jī)中心線高為1 463 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)軸高度H≥315 mm。

圖4 Ariel KBT/4壓縮機(jī)組示意圖Fig.4 Schematic diagram of Ariel KBT/4 compressor unit

圖5 上部組塊第一階模態(tài)振型Fig.5 First mode shape of upper block

圖6 上部組塊第二階模態(tài)振型Fig.6 Second mode shape of upper block

圖7 上部組塊第三階模態(tài)振型Fig.7 Third mode shape of upper block

2.2 壓縮機(jī)資料

根據(jù)廠家資料獲取該壓縮機(jī)的激勵(lì)載荷，其中壓縮機(jī)組旋轉(zhuǎn)不平衡力和不平衡力矩如表1所示。

表1 壓縮機(jī)組激勵(lì)載荷Tab.1 Compressor unit excitation load

根據(jù)《Foundations for Dynamic Equipment》（ACI 351.3R-04）中方法計(jì)算得到電機(jī)動(dòng)載荷，其中轉(zhuǎn)子重量為1 896 kg，由此數(shù)據(jù)計(jì)算得到電機(jī)端動(dòng)載荷，如表2所示。

表2 電機(jī)激勵(lì)載荷Tab.2 Motor excitation load

2.3 動(dòng)力響應(yīng)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

新增壓縮機(jī)組的撬體結(jié)構(gòu)分析由壓縮機(jī)廠家完成，其內(nèi)容包括分析壓縮機(jī)撬體結(jié)構(gòu)在機(jī)組運(yùn)行載荷作用下的強(qiáng)度和變形，以及安裝在撬體結(jié)構(gòu)上的管道和設(shè)備等壓縮機(jī)不平衡力和不平衡力矩、電機(jī)不平衡力、壓縮機(jī)氣缸氣體力、壓縮機(jī)管道和設(shè)備中氣流脈動(dòng)不平衡力等動(dòng)態(tài)激振載荷作用下的振動(dòng)響應(yīng)。本文主要針對(duì)新增壓縮機(jī)振動(dòng)對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行分析。

振動(dòng)評(píng)定限值可按照制造廠的規(guī)定確定，如制造廠沒有明確說明，則按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或等同的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，確定平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)的峰值速度應(yīng)＜6.0 mm/s。

根據(jù)《Reciprocating Compressors for Petroleum,Chemical，and Gas Industry Services》（ANSI/API STD 618—2007），確定平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)固有頻率應(yīng)與壓縮機(jī)激勵(lì)頻率分開±20%，新增壓縮機(jī)型號(hào)為Ariel KBK4，其激勵(lì)頻率為16.5 Hz，故支撐結(jié)構(gòu)頻率應(yīng)＜13.2 Hz或＞19.8 Hz。

根據(jù)《Mechanical vibration—Measurement and evaluation of machine vibration—Part 8：Reciprocating compressor systems》（ISO 20816-8—2018），對(duì)于額定功率＞300 kW且＜50 MW的大型機(jī)組，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸高度不低于315 mm且支撐類型為柔性支撐時(shí)，速度有效值應(yīng)＜7.1 mm/s。

根據(jù)《Mechanical vibration—Guidelines for the measurement，reporting and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships》（ISO 6954：2000（E））［3］，確定平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)的加速度有效值應(yīng)＜286 mm/s2，有效速度應(yīng)＜8 mm/s。

根據(jù)《容積式壓縮機(jī)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)》（GB/T 7777—2021），確定壓縮機(jī)振動(dòng)烈度應(yīng)≤18.0，即振動(dòng)速度有效值≤18 mm/s。

保守起見，取以上參數(shù)的最小值，以此作為平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即支撐結(jié)構(gòu)固有頻率避開共振區(qū)間，振動(dòng)速度峰值＜6.0 mm/s，振動(dòng)加速度有效值＜286 mm/s2。

3 動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)和前提，通過對(duì)平臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析，可以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和振型參與系數(shù)，并為瞬態(tài)分析提供基礎(chǔ)參數(shù)。

計(jì)算時(shí)，上部組塊底端邊界條件取鉸支，通過ANSYS中的模態(tài)分析模塊，計(jì)算得到平臺(tái)上部組塊前50階固有頻率，如表3所示。

表3 上部組塊整體固有頻率/HzTab.3 Overall natural frequency /Hz of upper block

由以上分析結(jié)果可知，平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)前50階固有頻率不超過5.2 Hz，往復(fù)壓縮機(jī)激勵(lì)頻率為16.5 Hz，顯然二者相差甚遠(yuǎn)，不會(huì)發(fā)生共振，且有足夠的頻率儲(chǔ)備。

3.2 響應(yīng)分析

新增壓縮機(jī)位于平臺(tái)下層甲板東南一隅的外延甲板，該位置周圍無其他大型振動(dòng)設(shè)備。根據(jù)前期《曹妃甸11-6平臺(tái)組塊振動(dòng)分析》《歧口18-2油田WHP4平臺(tái)新增電站振動(dòng)分析》等課題研究經(jīng)驗(yàn)，距離相對(duì)較遠(yuǎn)或不在同一甲板層的設(shè)備彼此間的振動(dòng)影響較小。故本次計(jì)算僅考慮該新增壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況，中層甲板壓縮機(jī)和其他振動(dòng)設(shè)備的影響忽略不計(jì)。

3.2.1 載荷施加

本次新增壓縮機(jī)，其底撬與平臺(tái)焊接示意圖如圖8所示。根據(jù)該焊接方式，將壓縮機(jī)動(dòng)載荷等效施加至對(duì)應(yīng)的焊縫位置，如圖9所示，整個(gè)上部組塊的響應(yīng)分析模型如圖10所示。

圖8 壓縮機(jī)與平臺(tái)焊接位置示意圖Fig.8 Compressor and platform welding position diagram

圖9 壓縮機(jī)載荷施加示意圖Fig.9 Compressor load application diagram

圖10 振動(dòng)響應(yīng)分析計(jì)算模型Fig.10 Vibration response analysis calculation model

3.2.2 測(cè)點(diǎn)選取

選取壓縮機(jī)安裝位置附近的60個(gè)節(jié)點(diǎn)作為振動(dòng)評(píng)價(jià)的測(cè)點(diǎn)。為方便描述，將每列節(jié)點(diǎn)按位置從左至右分別命名為Column1、Column2、Column3、Column4、Column5、Column6，每列各10個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.2.3 諧響應(yīng)分析

由表1可知，壓縮機(jī)組的動(dòng)載荷包括一階垂向、一階和二階水平向激勵(lì)力，其固有頻率16.5 Hz。因此，諧響應(yīng)分析時(shí)取掃頻范圍為0～40 Hz，掃頻步長(zhǎng)為0.4 Hz，共計(jì)得到100個(gè)載荷子步，分析工況有2種，如表4所示。

表4 諧響應(yīng)分析工況Tab.4 Harmonic response analysis condition

對(duì)壓縮機(jī)所在位置分別進(jìn)行2種工況下的諧響應(yīng)分析，然后提取測(cè)點(diǎn)的位移幅值響應(yīng)結(jié)果，如圖11、12所示，限于篇幅，只列出測(cè)點(diǎn)Column1的結(jié)果。

圖11 垂向激勵(lì)下平臺(tái)Z方向位移幅頻響應(yīng)-測(cè)點(diǎn)Column 1Fig.11 Amplitude-frequency response of platform displacement in Z direction under vertical excitation at measuring point Column 1

圖12 水平向激勵(lì)下平臺(tái)X方向位移幅頻響應(yīng)-測(cè)點(diǎn)Column 1Fig.12 Amplitude-frequency response of platform displacement in X direction under horizontal excitation at measuring point Column 1

由諧響應(yīng)分析結(jié)果可知，平臺(tái)垂向振動(dòng)響應(yīng)峰值頻率在3.6 Hz附近，振動(dòng)響應(yīng)較大對(duì)應(yīng)的頻率主要集中在0～8 Hz之內(nèi)；水平向振動(dòng)響應(yīng)峰值頻率在2.0 Hz附近，響應(yīng)較大對(duì)應(yīng)的頻率主要集中在0～8 Hz之內(nèi)。

上述2種工況下，壓縮機(jī)激勵(lì)頻率附近均無顯著峰值，平臺(tái)最大響應(yīng)峰值頻率遠(yuǎn)離壓縮機(jī)激勵(lì)頻率，且均具有50%以上的頻率儲(chǔ)備，滿足ANSI/API STD 618—2007中“結(jié)構(gòu)固有頻率與激勵(lì)頻率分開裕度大于±20%”的要求。

3.2.4 瞬態(tài)動(dòng)力分析

取計(jì)算時(shí)間為40 s，計(jì)算步長(zhǎng)為0.003 s，阻尼比ξ為0.02，將壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的動(dòng)載荷按照正弦激勵(lì)施加至焊接位置，計(jì)算得到所有評(píng)估位置的速度響應(yīng)及加速度響應(yīng)曲線，如圖13、14所示，限于篇幅，只列出最大值所在測(cè)點(diǎn)組的結(jié)果。統(tǒng)計(jì)各列測(cè)點(diǎn)的垂向和水平向的速度響應(yīng)峰值和加速度有效值的最大值，如表5、6所示。

我們提出交流和對(duì)話的民俗志，實(shí)際上是將它看作一種生產(chǎn)方式，即生產(chǎn)學(xué)術(shù)知識(shí)的方式。我們到田野現(xiàn)場(chǎng)去做訪談，然后和被訪談人一起進(jìn)行知識(shí)交流和匯集，以及進(jìn)行討論，最后由我們負(fù)責(zé)完成地方民俗志或某事象民俗志的書寫，這個(gè)過程就是一種生產(chǎn)過程，即依靠民眾和學(xué)者來共同生產(chǎn)民俗學(xué)成果的過程。生產(chǎn)理論是馬克思主義政治經(jīng)濟(jì)學(xué)的經(jīng)典理論，后來一些西方馬克思主義學(xué)者大力發(fā)揚(yáng)了這個(gè)理論，并將之?dāng)U展到其他人文社會(huì)科學(xué)研究領(lǐng)域，比如列斐伏爾就強(qiáng)調(diào)文化空間的生產(chǎn)性，他認(rèn)為一切文化現(xiàn)象都是被生產(chǎn)的過程，而且是再生產(chǎn)的過程。[注][法]亨利·列斐伏爾：《空間與政治》，李春譯，上海人民出版社，2015年。

表5 各測(cè)點(diǎn)垂向速度和加速度響應(yīng)最大值Tab.5 Maximum vertical velocity and acceleration responses of each measuring point

表6 各測(cè)點(diǎn)水平向速度和加速度響應(yīng)最大值Tab.6 Maximum horizontal velocity and acceleration responses of each measuring point

圖13 垂向加速度響應(yīng)-測(cè)點(diǎn)Column 6Fig.13 Vertical acceleration response at measuring point Column 6

圖14 水平向加速度響應(yīng)-測(cè)點(diǎn)Column 3Fig.14 Horizontal acceleration response at measuring point Column 3

由表5、6的結(jié)果可知，新增壓縮機(jī)附近測(cè)點(diǎn)的垂向最大振動(dòng)速度值為1.61 mm/s，最大振動(dòng)加速度有效值為114.53 mm/s2；新增壓縮機(jī)附近測(cè)點(diǎn)的水平向最大振動(dòng)速度值為0.47 mm/s，最大振動(dòng)加速度有效值為33.94 mm/s2，均能夠滿足ISO 6954：2000（E）要求。

3.2.5 結(jié)論

本項(xiàng)目使用ANSYS有限元軟件對(duì)某平臺(tái)上部組塊進(jìn)行了模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析，得出如下結(jié)論。

①新增壓縮機(jī)與平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生共振，且支撐結(jié)構(gòu)固有頻率與壓縮機(jī)激勵(lì)頻率分開裕度滿足要求。

②對(duì)平臺(tái)上部組塊壓縮機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，結(jié)果表明，平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)速度＜6.0 mm/s，加速度有效值＜286 mm/s2，新增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可行。

4 往復(fù)式壓縮機(jī)減振措施

壓縮機(jī)振動(dòng)涉及到壓縮機(jī)本體自身振動(dòng)和管路振動(dòng)，其影響因素較多且復(fù)雜，需要在設(shè)計(jì)階段考慮可能帶來的振動(dòng)影響，并針對(duì)性地采取措施。

①減小氣流脈動(dòng)和脈動(dòng)不平衡力。管內(nèi)脈動(dòng)氣流在轉(zhuǎn)彎、變截面、盲管和閥門等位置產(chǎn)生的交變的載荷-激振力會(huì)導(dǎo)致管道機(jī)械振動(dòng)，通過合理設(shè)置緩沖罐、濾波管和孔板等措施使管道中脈動(dòng)變得輕微，改變管道系統(tǒng)的氣柱固有頻率，避免氣柱共振［4］。在管道設(shè)計(jì)上，進(jìn)行氣柱固有頻率計(jì)算，盡可能減少?gòu)濐^，加強(qiáng)安全閥支撐和管道支撐。

②合理設(shè)計(jì)壓縮機(jī)底撬。壓縮機(jī)所有電纜管線、儀器儀表管等都要安裝在底撬上，底撬應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，設(shè)計(jì)時(shí)通過調(diào)整底撬長(zhǎng)度和寬度，使其底面形心和機(jī)組的質(zhì)心位于同一鉛垂線上［5］，盡量避開共振區(qū)工作，控制撬座的振幅。

③提高壓縮機(jī)下方結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。壓縮機(jī)底撬與平臺(tái)結(jié)構(gòu)梁直接連接，常用的小梁 H300/H350不能滿足強(qiáng)度要求，需要提高梁的截面規(guī)格或增加筋板，并保證主梁的連續(xù)。在支撐電機(jī)、壓縮機(jī)及洗滌罐的底撬結(jié)構(gòu)梁下部應(yīng)有對(duì)應(yīng)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)梁。對(duì)于布置在平臺(tái)主軸線外的壓縮機(jī)，還需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果適當(dāng)增加斜撐，提高局部剛度，以減小振動(dòng)引起的位移和變形。

④優(yōu)化壓縮機(jī)底撬和平臺(tái)結(jié)構(gòu)梁的焊接。部分壓縮機(jī)底撬和平臺(tái)連接只焊接撬邊，結(jié)構(gòu)不能對(duì)壓縮機(jī)底撬形成有效支撐，需要加強(qiáng)電機(jī)壓縮機(jī)及洗滌罐的焊接。所有底撬結(jié)構(gòu)梁在與平臺(tái)結(jié)構(gòu)梁焊接時(shí)應(yīng)先對(duì)齊、再焊接；如發(fā)現(xiàn)底撬結(jié)構(gòu)梁和平臺(tái)結(jié)構(gòu)梁有超標(biāo)的變形，則必須把變形糾正到允許值范圍后才能進(jìn)行焊接。

5 結(jié) 語

海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估往往只考慮上部設(shè)備荷載、活荷載、風(fēng)浪流和海冰的作用，常忽略設(shè)備引起的振動(dòng)問題。本文以改造新增往復(fù)式壓縮機(jī)為例，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)壓縮機(jī)底撬的形式在下方對(duì)應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)梁，提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)評(píng)估，其結(jié)果滿足規(guī)范要求，確保了機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性。此分析方法和減振措施可以應(yīng)用到平臺(tái)其他振動(dòng)設(shè)備的動(dòng)力分析中，如鉆井泵、空壓機(jī)和注水泵等，具有廣泛的實(shí)用性和參考價(jià)值。