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)計研發(fā)中心 天津300452;2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300350)
往復(fù)式壓縮機(jī)是海洋平臺不可缺少的生產(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)行過程中會產(chǎn)生動態(tài)激振載荷,如果平臺剛度和強(qiáng)度不滿足要求,則會造成平臺振動響應(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,還會造成平臺結(jié)構(gòu)的疲勞損傷、主軸承破壞、螺栓松動和焊縫開裂等[1]。此外,振動產(chǎn)生的高強(qiáng)噪聲會對工作人員身體造成一定傷害,威脅健康安全。因此,對往復(fù)式壓縮機(jī)引起的振動進(jìn)行評估,并針對性地采取控制和減振措施,將壓縮機(jī)組的振動控制在允許范圍內(nèi),對保證機(jī)組安全運(yùn)行具有重要意義。
本文以某平臺改造新增往復(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)分析解析平臺結(jié)構(gòu)的動力特性和動力響應(yīng)水平,根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化壓縮機(jī)底撬結(jié)構(gòu)和平臺支持結(jié)構(gòu),并設(shè)計合理的的壓縮機(jī)底撬結(jié)構(gòu)和平臺支撐梁連接的焊接方案,為平臺安全提供技術(shù)保障。
某平臺改造新增往復(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)行動力特性和動力響應(yīng)水平分析,故可通過先進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力計算來初步評估方案是否可行。首先根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)圖紙、結(jié)構(gòu)校核報告、重量控制報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,對新增往復(fù)壓縮機(jī)荷載考慮1.5~2倍的動力系數(shù)進(jìn)行加載計算。由于新增往復(fù)壓縮機(jī)重量較大,又布置在平臺主軸線外,對平臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和樁基影響較大,所以需要對平臺組塊和導(dǎo)管架進(jìn)行整體校核,重點(diǎn)關(guān)注平臺結(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)果可作為評判當(dāng)前改造方案是否可行的依據(jù)和下一階段動力分析的基礎(chǔ)。
根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)資料和當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)、平臺上部設(shè)備重量及其分布、活載荷分布等數(shù)據(jù),采用ANSYS軟件建立平臺上部組塊整體有限元模型。建模時單元類型選取如下:對于上部組塊中圓管結(jié)構(gòu),采用PIPE16單元模擬;對于支撐甲的梁結(jié)構(gòu),采用BEAM188中梁截面單元模擬;對于上部組塊錐形結(jié)構(gòu),采用BEAM188中Cone截面單元模擬;對于甲板結(jié)構(gòu),采用SHELL63單元模擬;對于上部組塊相關(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,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)有對應(yīng)的平臺結(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)型號為Ariel KBT/4,額定功率為1 400 kW,額定轉(zhuǎn)速為990 rpm,激勵頻率約為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
根據(jù)廠家資料獲取該壓縮機(jī)的激勵載荷,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)組激勵載荷Tab.1 Compressor unit excitation load
根據(jù)《Foundations for Dynamic Equipment》(ACI 351.3R-04)中方法計算得到電機(jī)動載荷,其中轉(zhuǎn)子重量為1 896 kg,由此數(shù)據(jù)計算得到電機(jī)端動載荷,如表2所示。
表2 電機(jī)激勵載荷Tab.2 Motor excitation load
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)備中氣流脈動不平衡力等動態(tài)激振載荷作用下的振動響應(yīng)。本文主要針對新增壓縮機(jī)振動對平臺整體結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行分析。
振動評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,則按國際標(biāo)準(zhǔn)或等同的國家標(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),確定平臺支撐結(jié)構(gòu)固有頻率應(yīng)與壓縮機(jī)激勵頻率分開±20%,新增壓縮機(jī)型號為Ariel KBK4,其激勵頻率為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,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)械振動測量與評價》(GB/T 7777—2021),確定壓縮機(jī)振動烈度應(yīng)≤18.0,即振動速度有效值≤18 mm/s。
保守起見,取以上參數(shù)的最小值,以此作為平臺支撐結(jié)構(gòu)的振動評價標(biāo)準(zhǔn),即支撐結(jié)構(gòu)固有頻率避開共振區(qū)間,振動速度峰值<6.0 mm/s,振動加速度有效值<286 mm/s2。
模態(tài)分析是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)和前提,通過對平臺進(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)。
計算時,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,計算得到平臺上部組塊前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)激勵頻率為16.5 Hz,顯然二者相差甚遠(yuǎn),不會發(fā)生共振,且有足夠的頻率儲備。
新增壓縮機(jī)位于平臺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設(shè)備。根據(jù)前期《曹妃甸11-6平臺組塊振動分析》《歧口18-2油田WHP4平臺新增電站振動分析》等課題研究經(jīng)驗(yàn),距離相對較遠(yuǎn)或不在同一甲板層的設(shè)備彼此間的振動影響較小。故本次計算僅考慮該新增壓縮機(jī)正常運(yùn)行時的振動情況,中層甲板壓縮機(jī)和其他振動設(shè)備的影響忽略不計。
3.2.1 載荷施加
本次新增壓縮機(jī),其底撬與平臺焊接示意圖如圖8所示。根據(jù)該焊接方式,將壓縮機(jī)動載荷等效施加至對應(yīng)的焊縫位置,如圖9所示,整個上部組塊的響應(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 振動響應(yīng)分析計算模型Fig.10 Vibration response analysis calculation model
3.2.2 測點(diǎn)選取
選取壓縮機(jī)安裝位置附近的60個節(jié)點(diǎn)作為振動評價的測點(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)組的動載荷包括一階垂向、一階和二階水平向激勵力,其固有頻率16.5 Hz。因此,諧響應(yīng)分析時取掃頻范圍為0~40 Hz,掃頻步長為0.4 Hz,共計得到100個載荷子步,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,只列出測點(diǎn)Column1的結(jié)果。
圖11 垂向激勵下平臺Z方向位移幅頻響應(yīng)-測點(diǎn)Column 1Fig.11 Amplitude-frequency response of platform displacement in Z direction under vertical excitation at measuring point Column 1
圖12 水平向激勵下平臺X方向位移幅頻響應(yīng)-測點(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,平臺垂向振動響應(yīng)峰值頻率在3.6 Hz附近,振動響應(yīng)較大對應(yīng)的頻率主要集中在0~8 Hz之內(nèi);水平向振動響應(yīng)峰值頻率在2.0 Hz附近,響應(yīng)較大對應(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)激勵頻率附近均無顯著峰值,平臺最大響應(yīng)峰值頻率遠(yuǎn)離壓縮機(jī)激勵頻率,且均具有50%以上的頻率儲備,滿足ANSI/API STD 618—2007中“結(jié)構(gòu)固有頻率與激勵頻率分開裕度大于±20%”的要求。
3.2.4 瞬態(tài)動力分析
取計算時間為40 s,計算步長為0.003 s,阻尼比ξ為0.02,將壓縮機(jī)正常運(yùn)行時的動載荷按照正弦激勵施加至焊接位置,計算得到所有評估位置的速度響應(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點(diǎn)組的結(jié)果。統(tǒng)計各列測點(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)知識的方式。我們到田野現(xiàn)場去做訪談,然后和被訪談人一起進(jìn)行知識交流和匯集,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)了這個理論,并將之?dāng)U展到其他人文社會科學(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)附近測點(diǎn)的垂向最大振動速度值為1.61 mm/s,最大振動加速度有效值為114.53 mm/s2;新增壓縮機(jī)附近測點(diǎn)的水平向最大振動速度值為0.47 mm/s,最大振動加速度有效值為33.94 mm/s2,均能夠滿足ISO 6954:2000(E)要求。
3.2.5 結(jié)論
本項目使用ANSYS有限元軟件對某平臺上部組塊進(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)與平臺支撐結(jié)構(gòu)不會發(fā)生共振,且支撐結(jié)構(gòu)固有頻率與壓縮機(jī)激勵頻率分開裕度滿足要求。
②對平臺上部組塊壓縮機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力響應(yīng)分析,結(jié)果表明,平臺支撐結(jié)構(gòu)局部振動速度<6.0 mm/s,加速度有效值<286 mm/s2,新增加結(jié)構(gòu)設(shè)計方案可行。
壓縮機(jī)振動涉及到壓縮機(jī)本體自身振動和管路振動,其影響因素較多且復(fù)雜,需要在設(shè)計階段考慮可能帶來的振動影響,并針對性地采取措施。
①減小氣流脈動和脈動不平衡力。管內(nèi)脈動氣流在轉(zhuǎn)彎、變截面、盲管和閥門等位置產(chǎn)生的交變的載荷-激振力會導(dǎo)致管道機(jī)械振動,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)計上,進(jìn)行氣柱固有頻率計算,盡可能減少彎頭,加強(qiáng)安全閥支撐和管道支撐。
②合理設(shè)計壓縮機(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)計時通過調(diào)整底撬長度和寬度,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)有對應(yīng)的平臺結(jié)構(gòu)梁。對于布置在平臺主軸線外的壓縮機(jī),還需要根據(jù)計算結(jié)果適當(dāng)增加斜撐,提高局部剛度,以減小振動引起的位移和變形。
④優(yōu)化壓縮機(jī)底撬和平臺結(jié)構(gòu)梁的焊接。部分壓縮機(jī)底撬和平臺連接只焊接撬邊,結(jié)構(gòu)不能對壓縮機(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)梁在與平臺結(jié)構(gòu)梁焊接時應(yīng)先對齊、再焊接;如發(fā)現(xiàn)底撬結(jié)構(gòu)梁和平臺結(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。
海洋平臺的結(jié)構(gòu)安全評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)備引起的振動問題。本文以改造新增往復(fù)式壓縮機(jī)為例,設(shè)計時根據(jù)壓縮機(jī)底撬的形式在下方對應(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)行了動力響應(yīng)評估,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)用到平臺其他振動設(shè)備的動力分析中,如鉆井泵、空壓機(jī)和注水泵等,具有廣泛的實(shí)用性和參考價值。