海洋平台注水增压泵甲板振动分析及处理方法

曹玉林，王永顺

（1.中海石油（中国）有限公司秦皇岛32-6作业公司/渤中作业公司，河北 秦皇岛 066000；2.中海油能源发展装备技术有限公司,天津 300452）

1 背景

海洋平台结构复杂、造价高昂，不仅承静载荷的作用，还要承载大量的动态设备激励、海风和海浪等动载荷的作用，受力情况异常复杂。其中设备引起的动载荷影响范围相对较小，但是最为普遍，发生概率较高。对平台生产流程的安全运行带来不利影响。

某平台注水增压泵撬块区域甲板一直存在高振动问题，并且造成注水增压泵组电机轴承和泵机械密封频繁损坏，严重影响平台的正常生产。本文针对上述存在的问题，进行仿真分析，找出振动原因，提出相应的减振措施。

2 原因分析

由于海洋平台所处环境，不可避免会遭受风、浪、地震、海啸等自然环境所带来的冲击，但平台上机械设备的振动可人为的控制其振动的大小。就机械设备所产生振动的原因可以简单概括以下3点：

2．1 设备加工和装配误差

由于加工和装配产生的误差,会造成设备内部机构各轴线不平行,导致泵与电机连接处联轴器啮合不好,引起振动。一般情况下是先把设备分别加工好后,再用螺栓固定在撬块上，通过添加垫块来调平安装面。由于加工孔距有偏差,或固定螺栓松动，加上撬座本身不能保证平整度,因而很难保证机构连接轴中心线平行,以致产生振动。

2．2 设备安装基础刚度不足

机械设备安装基础，一方面是指安装设备的撬块，要有足够的强度和刚度，保证设备运行时撬座不会产生大的变形，能给设备提供一个稳定的工作环境；另一方面是指安装设备撬块的海洋平台结构主梁足以支撑平台上设备的持续运行而不发生大的变形。如果基础不稳定，设备运行时将会产生不平衡力，这种不平衡力带来的冲击无法精确估计，因此产生的振动也是不可估量的。对此建议平台设计者借助有限元分析软件，仿真模拟甲板结构，进行全面分析，使甲板结构和撬块有足够的强度和刚度来支撑设备运行，达到治标又治本的目的。

图1 泵现场状态图

图2 注水增压泵机组典型振动频谱图

2．3 甲板上其他设备引起的耦合振动

海洋平台主体结构,各部分之间用焊接方式连接为一体。设备安装极为紧凑，设备运行时因其振动不可避免会对周围甲板，及相邻设备产生振动，从而通过结构传播振动能量到甲板其他地方。我们知道，如果两者频率波动方向一致且接近或相同，则会叠加，即所谓的共振，发生耦合振动；若两者频率波动方向相反，则会消减，即降低振动。甲板上设备也存在这个规律，有些设备会发生振动加强，有些设备可能会降低振动。所以，我们必须从平台结构、撬块、设备、管线等几个方面进行整体考虑，保证每个设备安装基础稳定，设备自身振动值满足要求，这样才可避免甲板上众多设备之间发生耦合振动。

图2为某海洋平台注水增压泵机组典型振动频谱图，在频谱图上主要以半倍频谐波为主，由于钢结构基础刚度分布及注水增压泵机组本身质量的影响，1X幅值被放大。几台注水增压泵机组安装在同一钢结构上，同时运行，电机驱动，转速接近而不会完全相同，电机机组振动并相互耦合产生较大的背景噪声。

3 仿真分析

模态分析与有限元仿真技术是研究海洋结构动力特性的一种现代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。

3．1 仿真分析技术难点

设备振动分析在海洋工程结构设计中较为困难,在运用有限元分析软件来模拟甲板振动情况也存在技术难点：

（1）计算机对分析模型要求比较高，对复杂模型一般做简化处理，去掉一些附属结构和开孔、倒角、圆角等结构特征。同时对机械结构各种工况条件下的边界条件及处理受制于各种客观因素，趋于理想化设计，这种结果会导致计算结果与实际情况有偏差。

（2）很难确定设备激励的大小，虽然有些设备厂家会提供一些设备激振力信息，但是跟设备实际运行时存在很大误差, 因此设备激励的选取尤为困难 ,需要经过多次试算才找到反映实际振动情况的激励。

本文利用实验模态分析和有限元分析相结合的方法，对平台注水增压泵撬块区域结构振动问题进行分析，找到问题原因所在，并提出整改方案和措施。

3．2 仿真分析过程

依据文献中模型的建立方法，在有限元软件中采用直接法建模。主要包括建立模型、边界条件设置、模态分析振动响应分析等。模型和网格划分如图3 所示。

图3 甲板振动仿真模型

图4 甲板模态阵型图

有限元仿真结果基本与实验模态分析一致，甲板振型表现为泵甲板整体弯曲变形，在不同的工况下，振型会发生局部的变化。甲板模态阵型图如图4所示。图中局部模态频率和振型与注水增压泵撬块甲板特征频率和测试ODS振型相符。注水增压泵的水平振动主要是泵机组自身模态，垂直和轴向振动则与甲板刚度有关。

通过现场测试数据分析，注水增压泵甲板区域存在整体性支撑刚度不足问题。考虑到现场施工难度，及平台现场实际结构不具备对整体区域进行结构加强的条件，因此可以换一种方式，采用给机械设备和基础间增加减振装置来进行处理。

4 改造方案

隔振装置的使用在建筑、航空、船舶、汽车等领域非常广泛。结构隔振技术是在基础与主体结构之间，安装隔振装置，当振动波传入基础结构时，利用隔振装置消耗振动能量，从而避免振动能传入主体结构，减小主体结构振动反应以及隔振部位的位移，有效降低设备振动对主体结构的影响，从而避免海洋平台设备间发生振动耦合。

根据上述分析，采用增加减振器的方式来达到预期的减振效果。减振器主要由阻尼器、弹簧和相关连接安装件组成。它能缓和并且衰减设备运行过程中产生的振动和冲击，降低平台的动应力，有利于提高设备的使用寿命和操作稳定性。

4．1 实施方案

在泵橇底部安装减振器，通过计算，选择JA型低频阻尼弹簧减振器，如图5所示。每台泵使用6个减振器，4个限位装置，并对泵体橇底部对应减振器的6个位置进行结构局部加强，减振器均安装在泵橇底部。

图5 减振器安装布置图

图6 设备测点布置图

4．2 改造结果

现场对泵撬块底部安装减振器后，进行现场振动测试评估，设备测点布置图如图6所示。

整改后设备局部振动高点降幅在26%～79%之间，如表1所示。

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从改造结果可以看出，使用减振器结构减振效果明显。

5 结语

由于海洋平台是特殊的钢结构装置，各设备间空间有限，主体结构无法加强自身来降低设备及甲板的振动时，选择在设备和结构基础间增加减振器，也是一种有效的减振方法。同时，减振器体积小，不占用设备空间,且安装减振器整体施工量较小，工程费用不大，工期可控，减振效果良好。此项技术可以逐步推广到海洋平台中，解决动设备之间存在的共振问题。