海洋平台往复压缩机组弹簧隔振设计与应用

黄业华 李国宾 戴国华

(1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452； 2.大连海事大学 辽宁大连 116026)

海洋平台往复压缩机组弹簧隔振设计与应用

黄业华1李国宾2戴国华1

(1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452； 2.大连海事大学 辽宁大连 116026)

为解决海洋平台橇装结构往复压缩机组与安装甲板结构存在刚性动态耦合的问题，根据隔振原理，提出了海洋平台大型往复压缩机组弹簧隔振基础设计的具体计算方法和流程。以锦州25-1 CEPF平台X-2502C压缩机组为例，进行了压缩机橇座结构设计及弹簧隔振器参数计算，采用有限元分析方法对往复压缩机组弹簧隔振基础进行了动力分析，并应用数据采集仪和速度传感器对运行中的CEPF-X-2502C压缩机组进行了现场测试。结果表明，本文提出的弹簧隔振设计方法较好地解决了压缩机组与安装甲板结构的刚性动态耦合问题，有效降低了压缩机组动载荷对甲板结构的动力作用，实测隔振效率达85%以上，压缩机组关键位置振动强度满足要求。本文研究对海洋平台大型往复压缩机组结构设计与安装具有一定的指导意义。

海洋平台；往复压缩机组；弹簧隔振设计；现场测试；锦州25-1 CEPF平台

目前国内海洋平台大型活塞往复压缩机组通常采用橇装结构,为提高压缩机组的刚度，通过焊接方法与平台甲板梁刚性连接[1-4]。现场应用表明，当同一甲板上安装多台压缩机组且同时运转时，压缩机组之间会产生振动耦合，造成压缩机组及甲板结构均出现振动过大的问题，影响压缩机组的安全运行[5-9]。因此，如何妥善处理压缩机组之间的振动耦合问题，保证海洋平台大型活塞往复压缩机组的安全运行，是目前国内海洋平台大型活塞往复压缩机组设计与安装迫切需要解决的问题。

本文根据弹簧隔振原理，提出了海洋平台大型往复压缩机组弹簧隔振基础设计的具体计算方法和流程。以锦州25-1CEPF平台中压压缩机组为例，将弹簧隔振方法应用于压缩机组结构的设计，通过现场振动测试对实际效果进行了分析，结果表明本文提出的弹簧隔振设计方法较好地解决了压缩机组之间的振动耦合问题，对海洋平台大型往复压缩机组结构设计与安装具有一定的指导意义。

1 弹簧隔振原理及设计方法

1.1 隔振的原理

采用弹簧隔振基础的压缩机组可简化为一个单自由度隔振系统[9]，如图1所示。从图1可以看出，压缩机组产生的激振力F1通过弹簧和阻尼传递到甲板上。与通过焊接刚性固定在甲板上的压缩机组相比，传递到甲板上的动载力F2不等于F1，二者之比K=F2/F1，称为传递系数。如果传递系数小于1，则甲板上承受动载力F2小于激振力F1。可见，隔振的前提是合理选择弹簧和阻尼，使传递系数小于1。

图1 压缩机组单自由度隔振系统模型

根据单自由度隔振系统的模型可知，传递系数与压缩机组的质量m、产生的激振频率f、弹簧的刚度k和阻尼系数c存在一定的关系。如果弹簧隔振系统的固有频率为f0，阻尼比为ζ，则有

(1)

(2)

式(2)中：ω为弹簧圆频率，ω=2πf0。

传递系数K为

(3)

式(3)中：λ为激振频率f与固有频率f0之比，λ=f/f0。

图2 K随λ变化的曲线[10]

表1 不同频率比时的传递系数和隔振效果

1.2 隔振设计方法

本文根据隔振原理对海洋平台往复压缩机组进行弹簧隔振设计，主要完成弹簧刚度和阻尼的计算，设计步骤如下：

1) 确定频率比λ。根据隔振原理，对于低调谐，隔振弹簧的选取原则一般为取隔振弹簧的固有频率f0等于激振频率f的1/3～1/5，即λ=3～5，选择隔振器时通常要求隔振效率要达到95%以上。

2) 确定隔振弹簧的固有频率f0。根据压缩机组的激振频率f和频率比λ计算隔振弹簧的固有频率f0=f/λ。

3) 计算弹簧的刚度k。根据固有频率f0，由式(1)计算弹簧的刚度k。

4) 计算弹簧的阻尼系数c。阻尼系数c=2mζω，考虑压缩机组的振动特性，须取较大的阻尼比，ζ=0.1～0.2。

5) 确定弹簧隔振器的数量。选择原则是使2组弹簧之间的间距不要太大，即让2组弹簧之间基础平台的挠度不要太大，同时考虑弹簧的承重留20%的裕量。

2 海洋平台压缩机组弹簧隔振设计实例

2.1 弹簧隔振器基本参数

本文以锦州25-1油田CEPF平台中层甲板上中压压缩机CEPF-X-2502C为例进行弹簧隔振设计。该压缩机由功率1 050 kW、转速980 r/min的电机驱动，为一级活塞往复式压缩机。压缩机设备总质量54.3 t，橇块总质量78.3 t，压缩机组总质量132.6 t。压缩机在运行时的转速为993 r/min，工作频率f为16.55 Hz。

2.2 橇座结构设计

采用弹簧隔振设计的压缩机组要求橇座必须具有足够的刚度，以保证橇座上的设备振动满足要求。本文在刚性基础压缩机组橇座结构的基础上，通过在主橇的上下表面焊接一层30 mm厚钢板来提高橇座的结构刚度，如图3所示。这种结构的压缩机组前6阶固有模态均为刚体变形，避免了局部振型的产生。

图3 CEPF-X-2502C压缩机组弹性基础橇座结构

2.3 弹簧隔振器参数计算

本项目压缩机组激振频率f=16.55 Hz，取弹簧振动频率f0=3.5 Hz，则频率比λ=4.7。压缩机组的总质量m=132.6 t，根据式(1)计算得到所有弹簧隔振器的总刚度为64.06 kN/mm。

根据压缩机组橇座的尺寸，取弹簧组数为12组，则每组弹簧的承重N=110.5 kN。由于要考虑弹簧的承重留20%的裕量，所以每组弹簧的承重为139 kN，每组弹簧的刚度k=5.34 kN/mm。

当机器低速回转时，即在机器启动或停机时，可能通过共振频率，此时需要阻尼器来降低系统的振动。取阻尼比ζ=0.2，根据式(2)计算得到所有弹簧隔振器的阻尼系数为1 165.82 kN·s/m，则每组弹簧隔振器阻尼系数为97.15 kN·s/m。

2.4 动力分析

根据本项目压缩机组橇座的结构，建立CEPF-X-2502C压缩机组的有限元模型，如图4所示。在有限元模型中，弹簧隔振基础被简化为一个XY平面内的板单元系统。根据所建立的有限元模型，计算该压缩机组隔振基础低频范围的固有频率，结果见表2。

本项目压缩机组的工作频率为16.55 Hz，从表2可以看出：压缩机组隔振系统的第1阶振动模态频率2.64 Hz，小于0.8倍工作频率；而较接近工作频率的第8阶模态和第9阶模态，频率分别为13.30 Hz和18.79 Hz，前者小于0.9倍工作频率，后者大于1.10倍工作频率，二者均避开了压缩机组工作频率±10%的范围。可见，该压缩机组隔振系统的前20阶固有频率均能远离压缩机组的工作频率，可避开引起剧烈振动的共振区域，振动特性优良，可不进行谐响应分析。

图4 CEPF-X-2502C压缩机组有限元模型

表2 CEPF-X-2502C压缩机组隔振系统固有频率

2.5 现场隔振测试与分析

为检验弹簧隔振的效果，应用DASP数据采集仪和速度传感器对运行中的CEPF-X-2502C压缩机组进行现场测试，通过采集的振动速度信号对隔振效果和振动强度进行分析。

1) 隔振效果。为分析弹性基础支撑的压缩机组振动传递特性，准确评价弹簧隔振效果，测点布置如图5所示，测得的振动信号时域波形和频谱如图6所示。从图6可以看出，由压缩机组橇座传递到安装甲板上的振动能量明显衰减，根据实测信号计算压缩机组橇座测点1振动信号速度有效值为1.46 mm/s，而与之相邻的安装甲板测点2的振动信号速度有效值仅为0.21 mm/s。可见，本项目压缩机组弹簧隔振设计较好地解决了压缩机组与甲板结构之间的刚性耦合问题。根据隔振效率计算公式可知，本项目压缩机组弹簧隔振系统隔振效率达85%以上，隔振效果显著。

图5 CEPF-X-2502C压缩机组弹簧隔振测点布置

图6 CEPF-X-2502C压缩机组弹簧隔振测点振动信号时域波形和频谱

2) 振动强度。隔振设计的主要目的是解决压缩机组与甲板结构之间的刚性耦合问题，但不能降低压缩机组振动的响应值。因此，在评价隔振效果的同时，还必须对压缩机组关键位置的振动强度进行测量，以保证压缩机组的安全运行。分别随机采集压缩机橇、电机座、压缩机座、压缩机缸体、二层橇及安装甲板测点处的振动速度信号，计算不同测点处振动速度信号有效值，结果如表3所示。从表3可以看出，本项目压缩机组弹簧隔振不同测点处振动速度信号有效值均小于API 618标准规定的4.5 mm/s[11]，表明采用弹簧隔振基础设计的压缩机组关键位置振动强度满足要求。

表3 CEPF-X-2502C压缩机组弹簧隔振不同测点位置振动速度信号有效值

3 结论

根据弹簧隔振原理，提出了海洋平台大型往复压缩机组弹簧隔振基础设计的具体计算方法和流程，并以锦州25-1CEPF平台X-2502C压缩机组为例，进行了弹簧隔振设计计算及工程应用研究。结果表明，本文提出的弹簧隔振设计方法较好地解决了锦州25-1CEPF平台X-2502C压缩机组与安装甲板结构的刚性动态耦合问题，有效地降低了压缩机组动载荷对平台结构的影响，实测隔振效率达85%以上，压缩机组关键位置的振动强度满足相关规范要求。本文研究对海洋平台大型活塞往复压缩机组结构设计与安装具有一定的指导意义。

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(编辑：吕欢欢)

Design and application of spring vibration isolation for reciprocating compressors on offshore platforms

Huang Yehua1Li Guobin2Dai Guohua1

(1.TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China; 2.DalianMaritimeUniversity,Dalian,Liaoning116026,China)

In order to solve the problem of rigid dynamic coupling between the skid-mounted reciprocating compressors on offshore platform and the deck structures, based on the vibration isolation principle, the specific calculation methods and flow chart for designing spring vibration isolation of large reciprocating compressors was put forward. Taking the X-2502C compressors unit of JZ 25-1 CEPF platform as an example, the design of compressors skid structure and the calculation of spring isolation parameters were carried out. The dynamic analysis of spring vibration isolation foundation of reciprocating compressors was conducted with the finite element method, and the field testing on the running CEPF-X-2502C compressors was conducted with the data collection instrument and the speed sensor. The results showed that the problems of rigid dynamic coupling between the compressors and the deck structure can be solved by the spring vibration isolation design method proposed here. The effect of dynamic load of compressors on deck structures can be reduced effectively. The measured vibration isolation efficiency reached 85%; and the vibration strength of key positions in compressors meets the requirements. This study has certain significance for the structure design and installation of large reciprocating compressors on offshore platforms.

offshore platform; reciprocating compressors; spring vibration isolation design; field testing; JZ 25-1 CEPF platform

黄业华，男，教授级高级工程师,2011年毕业于西南石油大学油气储运专业，获博士学位，现从事海洋石油开发工作。地址:天津市滨海新区海洋石油大厦A座(邮编:300452)。E-mail:huangyh@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0132-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.021

TB535+.1； TE974

A

2015-12-16 改回日期：2016-02-03

黄业华,李国宾,戴国华.海洋平台往复压缩机组弹簧隔振设计与应用[J].中国海上油气，2016,28(3)：132-136.

Huang Yehua,Li Guobin,Dai Guohua.Design and application of spring vibration isolation for reciprocating compressors on offshore platforms[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):132-136.