曹玉林，王永順

（1.中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司/渤中作業(yè)公司，河北 秦皇島 066000；2.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司,天津 300452）

1 背景

海洋平臺結構復雜、造價高昂，不僅承靜載荷的作用，還要承載大量的動態(tài)設備激勵、海風和海浪等動載荷的作用，受力情況異常復雜。其中設備引起的動載荷影響范圍相對較小，但是最為普遍，發(fā)生概率較高。對平臺生產流程的安全運行帶來不利影響。

某平臺注水增壓泵撬塊區(qū)域甲板一直存在高振動問題，并且造成注水增壓泵組電機軸承和泵機械密封頻繁損壞，嚴重影響平臺的正常生產。本文針對上述存在的問題，進行仿真分析，找出振動原因，提出相應的減振措施。

2 原因分析

由于海洋平臺所處環(huán)境，不可避免會遭受風、浪、地震、海嘯等自然環(huán)境所帶來的沖擊，但平臺上機械設備的振動可人為的控制其振動的大小。就機械設備所產生振動的原因可以簡單概括以下3點：

2．1 設備加工和裝配誤差

由于加工和裝配產生的誤差,會造成設備內部機構各軸線不平行,導致泵與電機連接處聯(lián)軸器嚙合不好,引起振動。一般情況下是先把設備分別加工好后,再用螺栓固定在撬塊上，通過添加墊塊來調平安裝面。由于加工孔距有偏差,或固定螺栓松動，加上撬座本身不能保證平整度,因而很難保證機構連接軸中心線平行,以致產生振動。

2．2 設備安裝基礎剛度不足

機械設備安裝基礎，一方面是指安裝設備的撬塊，要有足夠的強度和剛度，保證設備運行時撬座不會產生大的變形，能給設備提供一個穩(wěn)定的工作環(huán)境；另一方面是指安裝設備撬塊的海洋平臺結構主梁足以支撐平臺上設備的持續(xù)運行而不發(fā)生大的變形。如果基礎不穩(wěn)定，設備運行時將會產生不平衡力，這種不平衡力帶來的沖擊無法精確估計，因此產生的振動也是不可估量的。對此建議平臺設計者借助有限元分析軟件，仿真模擬甲板結構，進行全面分析，使甲板結構和撬塊有足夠的強度和剛度來支撐設備運行，達到治標又治本的目的。

圖1 泵現(xiàn)場狀態(tài)圖

圖2 注水增壓泵機組典型振動頻譜圖

2．3 甲板上其他設備引起的耦合振動

海洋平臺主體結構,各部分之間用焊接方式連接為一體。設備安裝極為緊湊，設備運行時因其振動不可避免會對周圍甲板，及相鄰設備產生振動，從而通過結構傳播振動能量到甲板其他地方。我們知道，如果兩者頻率波動方向一致且接近或相同，則會疊加，即所謂的共振，發(fā)生耦合振動；若兩者頻率波動方向相反，則會消減，即降低振動。甲板上設備也存在這個規(guī)律，有些設備會發(fā)生振動加強，有些設備可能會降低振動。所以，我們必須從平臺結構、撬塊、設備、管線等幾個方面進行整體考慮，保證每個設備安裝基礎穩(wěn)定，設備自身振動值滿足要求，這樣才可避免甲板上眾多設備之間發(fā)生耦合振動。

圖2為某海洋平臺注水增壓泵機組典型振動頻譜圖，在頻譜圖上主要以半倍頻諧波為主，由于鋼結構基礎剛度分布及注水增壓泵機組本身質量的影響，1X幅值被放大。幾臺注水增壓泵機組安裝在同一鋼結構上，同時運行，電機驅動，轉速接近而不會完全相同，電機機組振動并相互耦合產生較大的背景噪聲。

3 仿真分析

模態(tài)分析與有限元仿真技術是研究海洋結構動力特性的一種現(xiàn)代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領域中的應用。

3．1 仿真分析技術難點

設備振動分析在海洋工程結構設計中較為困難,在運用有限元分析軟件來模擬甲板振動情況也存在技術難點：

（1）計算機對分析模型要求比較高，對復雜模型一般做簡化處理，去掉一些附屬結構和開孔、倒角、圓角等結構特征。同時對機械結構各種工況條件下的邊界條件及處理受制于各種客觀因素，趨于理想化設計，這種結果會導致計算結果與實際情況有偏差。

（2）很難確定設備激勵的大小，雖然有些設備廠家會提供一些設備激振力信息，但是跟設備實際運行時存在很大誤差, 因此設備激勵的選取尤為困難 ,需要經過多次試算才找到反映實際振動情況的激勵。

本文利用實驗模態(tài)分析和有限元分析相結合的方法，對平臺注水增壓泵撬塊區(qū)域結構振動問題進行分析，找到問題原因所在，并提出整改方案和措施。

3．2 仿真分析過程

依據文獻中模型的建立方法，在有限元軟件中采用直接法建模。主要包括建立模型、邊界條件設置、模態(tài)分析振動響應分析等。模型和網格劃分如圖3 所示。

圖3 甲板振動仿真模型

圖4 甲板模態(tài)陣型圖

有限元仿真結果基本與實驗模態(tài)分析一致，甲板振型表現(xiàn)為泵甲板整體彎曲變形，在不同的工況下，振型會發(fā)生局部的變化。甲板模態(tài)陣型圖如圖4所示。圖中局部模態(tài)頻率和振型與注水增壓泵撬塊甲板特征頻率和測試ODS振型相符。注水增壓泵的水平振動主要是泵機組自身模態(tài)，垂直和軸向振動則與甲板剛度有關。

通過現(xiàn)場測試數(shù)據分析，注水增壓泵甲板區(qū)域存在整體性支撐剛度不足問題?？紤]到現(xiàn)場施工難度，及平臺現(xiàn)場實際結構不具備對整體區(qū)域進行結構加強的條件，因此可以換一種方式，采用給機械設備和基礎間增加減振裝置來進行處理。

4 改造方案

隔振裝置的使用在建筑、航空、船舶、汽車等領域非常廣泛。結構隔振技術是在基礎與主體結構之間，安裝隔振裝置，當振動波傳入基礎結構時，利用隔振裝置消耗振動能量，從而避免振動能傳入主體結構，減小主體結構振動反應以及隔振部位的位移，有效降低設備振動對主體結構的影響，從而避免海洋平臺設備間發(fā)生振動耦合。

根據上述分析，采用增加減振器的方式來達到預期的減振效果。減振器主要由阻尼器、彈簧和相關連接安裝件組成。它能緩和并且衰減設備運行過程中產生的振動和沖擊，降低平臺的動應力，有利于提高設備的使用壽命和操作穩(wěn)定性。

4．1 實施方案

在泵橇底部安裝減振器，通過計算，選擇JA型低頻阻尼彈簧減振器，如圖5所示。每臺泵使用6個減振器，4個限位裝置，并對泵體橇底部對應減振器的6個位置進行結構局部加強，減振器均安裝在泵橇底部。

圖5 減振器安裝布置圖

圖6 設備測點布置圖

4．2 改造結果

現(xiàn)場對泵撬塊底部安裝減振器后，進行現(xiàn)場振動測試評估，設備測點布置圖如圖6所示。

整改后設備局部振動高點降幅在26%～79%之間，如表1所示。

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從改造結果可以看出，使用減振器結構減振效果明顯。

5 結語

由于海洋平臺是特殊的鋼結構裝置，各設備間空間有限，主體結構無法加強自身來降低設備及甲板的振動時，選擇在設備和結構基礎間增加減振器，也是一種有效的減振方法。同時，減振器體積小，不占用設備空間,且安裝減振器整體施工量較小，工程費用不大，工期可控，減振效果良好。此項技術可以逐步推廣到海洋平臺中，解決動設備之間存在的共振問題。