李廣鑫 胡安斌 劉超 肖文生 劉健 陳亞寧

摘要：海上壓裂設備作為海洋油氣資源增產(chǎn)作業(yè)的關(guān)鍵設備之一，在保證高效、安全運行的同時，其噪聲問題對設備與從業(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備為研究對象，對噪聲數(shù)值模擬和測試方法進行研究，建立橇裝式海洋油氣壓裂設備三維模型、壓裂設備整機有限元模型和壓裂設備邊界元網(wǎng)格模型；利用Virtulal.Lab Acoustic對壓裂設備整機輻射噪聲進行預測，獲取壓裂設備聲場聲壓云圖及噪聲顯著頻段；通過對壓裂設備進行噪聲測試，確定出不同工況下各測點的最大聲壓級、總聲壓級、平均聲壓級和聲功率級。研究結(jié)果分析出壓裂設備輻射噪聲的顯著頻段，壓裂設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)果進行對比，驗證了仿真分析結(jié)果的準確性。仿真分析所得結(jié)果為壓裂設備后續(xù)優(yōu)化設計和噪聲控制提供了指導和參考。

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

0 引 言

海上壓裂設備是海洋油氣資源增產(chǎn)作業(yè)的關(guān)鍵設備之一，作業(yè)時壓裂船上各設備緊湊的布局在甲板上，壓裂橇之間的振動干擾會降低機組工作效率，嚴重情況下還會引起機組強烈共振，致使機組被迫停機［1］。同時壓裂設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)外學者對壓裂系統(tǒng)噪聲分析已經(jīng)進行了一些基礎(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，設計了一系列的降噪設備；B.J.LEWIS等［8］提出了一種壓裂設備噪聲衰減方案，通過由多個噪聲源產(chǎn)生的噪聲頻率與存儲于計算機系統(tǒng)的多條頻率相比較，識別產(chǎn)生該噪聲的1個或多個噪聲源，發(fā)出與該噪聲對應的抗噪聲以達到降噪的效果；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］以海洋油氣壓裂設備為測試對象，采用九點聲壓法的測量方法，通過測試分析各測點的聲壓級，確定了壓裂設備作業(yè)時的頻率特性和主要聲源。

總體來看，國內(nèi)外學者對壓裂設備噪聲特性研究的文獻較少，且大多為現(xiàn)場試驗，對海上油氣壓裂設備整機聲源識別、噪聲分布與噪聲控制方面的研究更為缺乏，無法準確預測壓裂設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備為研究對象，結(jié)合多體動力學理論、邊界元法以及多仿真軟件，形成聯(lián)合計算輻射噪聲的方法，分析壓裂設備在不同作業(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)值聲學分析主要有2種方法：有限元法和邊界元法［12］。其中，聲學邊界元法計算范圍廣，能夠計算邊界封閉和不封閉的聲場［13-14］。聲學邊界元法只需要計算結(jié)構(gòu)的邊界表面，降低求解的維度，有較高的計算精度和計算效率，故采用邊界元法計算輻射聲場的聲學響應。

研究主要針對壓裂設備的外聲場，且壓裂設備邊界元面網(wǎng)格封閉，故采用直接邊界元法。考慮到壓裂設備的噪聲由結(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，在仿真計算時可以忽略，不會影響計算結(jié)果的精度。綜上考慮，確定壓裂設備的噪聲仿真分析采用非耦合直接邊界元法。

2 壓裂設備結(jié)構(gòu)輻射噪聲數(shù)值仿真

2.1 壓裂設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］，基于該聲學軟件，采用聲學邊界元法對壓裂設備進行結(jié)構(gòu)表面噪聲頻域的仿真計算，并通過后處理功能進行數(shù)據(jù)處理分析。將有限元分析計算的結(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，計算壓裂設備結(jié)構(gòu)輻射相關(guān)問題［15］。聲學非耦合計算流程如圖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］。聲場中的任意一個空間位置為場點，場點網(wǎng)格的作用是提取聲學仿真結(jié)果，進行頻譜分析；仿真定義的場點相當于現(xiàn)場測試時采用的傳聲器，可以測得該場點的聲壓和聲強，進而計算出整個場點的整機聲功率和各場點總聲壓級，獲取壓裂設備的總體噪聲水平。采用5個自由表面（1個反射表面）九點聲壓法的測量方法，在5個測量表面的中點各布置1個測點作為基本測點，在上端的4個自由頂角各布置一個場點作為附加測點，共有9個測點，如圖3所示。

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

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

2.2 壓裂設備輻射噪聲分析

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

由聲壓云圖可知，在壓裂設備的1個工作周期內(nèi)，整機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)動機氣缸蓋的聲壓級也比較大。在壓裂設備工作時，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 壓裂設備輻射噪聲聲場場點分析

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

由圖6與表4可知，各測點聲壓級變化規(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了壓裂設備噪聲的總聲壓級水平，也決定了壓裂設備輻射噪聲的特點。

3 壓裂設備的噪聲測試分析

3.1 測試設備與方法

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

（1）9個MPA201電容傳聲器作為測試的接收設備，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器、風罩、噪聲測量支架等。

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

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雜，現(xiàn)場測試時環(huán)境噪聲會影響測試結(jié)果。因此，為消除環(huán)境噪聲影響，保證各測點測試聲壓值的精準，首先應對環(huán)境噪聲進行測試分析，然后與所測聲源的噪聲對比，預估背景噪聲引起的誤差，進行修正處理［18］。具體修正值如表5所示。

3.2.2 單臺壓裂設備的測試與分析

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

（1）壓裂設備聲壓級計算。由于聲壓信號無法直觀體現(xiàn)壓縮機噪聲特性，所以對各測點聲壓信號進行A計權(quán)1/3倍頻程譜分析。4擋工況下各測點A計權(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擋工況下壓裂設備1～9測點的最大聲壓級和對應的中心頻率由1/3倍頻程譜曲線獲得，如表6所示。根據(jù)式（9）計算1～9測點的總聲壓級，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備常見的第4擋，選取噪聲仿真9個場點的聲壓級與對應的測點聲壓級進行A計權(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)，可以認為二者結(jié)果非常相近，能夠驗證仿真結(jié)果的準確性?？傮w上模擬值低于試驗值，主要原因在于模擬計算時，忽略了一些輻射噪聲貢獻量不大的變速箱齒輪的激勵，并且研究主要考慮壓裂設備的機械噪聲和氣動噪聲，沒有涉及發(fā)動機的燃燒噪聲，導致場點的聲壓級模擬值低于試驗值。

4 結(jié) 論

采用數(shù)值仿真與試驗測試相結(jié)合的方法進行海上油氣壓裂設備噪聲特性分析，基于多體動力學理論、邊界元法以及多仿真軟件聯(lián)合計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，建立了壓裂設備輻射噪聲分析模型，完成壓裂設備整機結(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100 dB以上，下方聲壓級普遍高于上方聲壓級，壓裂設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。通過疊加原理計算出各場點總聲壓級，均超出國家標準（GB 5979—1986）規(guī)定的機艙區(qū)主機操縱處限制值為90 dB的要求，噪聲較大，需要進行噪聲控制。

（2）對單臺壓裂設備進行噪聲測試及數(shù)據(jù)處理，分析出不同工況下各測點的最大聲壓級、總聲壓級和平均聲壓級，靠近測點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）對壓裂設備噪聲的仿真結(jié)果和測試結(jié)果進行對比，驗證了仿真計算的準確性，分析出了模擬值低于試驗值的原因，并分析得出壓裂設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)壓裂設備的優(yōu)化設計和噪聲控制提供了一定的指導和參考。

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