LNG再气化模块动设备基础及支撑结构振动研究

张丽华，诸俊楷，徐海涛

(1.江苏联合职业技术学院 镇江分院，江苏 镇江 212000；2.北京数码易知科技发展有限责任公司 镇江分公司，江苏 镇江 212000；3.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212000)

0 引言

由动设备所引起的设备基础及相连支撑结构有害振动一直是海工平台的关注焦点，针对性地形成可靠、高效的有害振动预报和评估方法，对保障海上作业人员和相关设备安全有着重要意义。

朱丹宸等利用Ansys Workbench软件对轴承支撑结构进行模态计算和传递函数的计算，分析了结构振动传递趋势。王德如等对海上风机支撑结构进行动力响应分析，计算出结构的疲劳寿命。王晓阳等采用有限元法对吊机封固装置的支撑结构进行计算，得出满足规范要求的支撑结构设计。李全超等研究了轴承支撑刚度、基座支撑刚度等支撑参数对系统振动固有特性,并提出轴系减振设计参数控制方向。冯亮等对柔性连接结构以及刚性连接结构的振动传递进行了分析，得到抑制高频振动的方法。ADILAH等根据力学实验，提出了一种有效的浮式海上风力涡轮机长期疲劳损伤评估方法。刘艳敏等对不同结构形式电机基座在设备激励下所引起的振动响应进行数值计算模拟，提出一种改进优化的侧挂式电机基座结构。屠艳等研究了钻探船全船固有频率与固有振型，将全船固有频率与船上振动激励源的激振频率进行对比分析，得到船体总振动固有频率储备系数。朱煜等对正常状态和不同故障状态下离心泵机组的轴向和径向振动情况进行试验测量和数据分析，获得了正常状态和故障状态的时域图和频谱图，验证了基于振动分析方法的有效性。以上学者对于结构振动问题进行了研究，分析了振动趋势，提出了相关优化方案，但对振动问题仅采用有限元及模态分析方法进行研究。

对此，本文基于SACS软件的结构分析，参考相关标准、法规和指南对某浮式储存及再气化装置(Floating Storageand Re-gasification Unit，FSRU)上的LNG再气化模块离心泵设备基础及支撑结构的振动问题进行研究，建立等效模型，先后使用模态分析进行共振判别、谐响应分析的响应判别，对可能的有害振动进行预报和评估。

1 项目背景

再气化模块是液化天然气FSRU上的核心工艺模块。模块中的核心设备LNG高压供给泵能够从储罐中持续抽取低温液体提供货源，与之相关的动力安全评估对确保设备及结构安全十分关键。该再气化模块整体的支撑结构型式和设备布置见图1。图中，1号和2号LNG供给泵与方向坐标一致，视图中相互遮挡。

2台离心泵通常同时启动作业，也可单独使用为后续工艺模块提供LNG。2台设备采用直立型整体化安装，型号及相连基础结构型式完全一致，前后串连布置在再气化模块的二层工艺甲板靠船尾区域。该设备工作时对由自身动力或周围环境引起的最大振幅(机械结构弹性变形)上限要求较严格，因此配有可定期进行系统升级的振动监控系统。

图1 LNG 再气化模块正视图

2 等效模型建立

使用SACS软件建立三维梁柱等效结构模型，以设备基础及相连结构为重点模拟区域，并保证整个模块的纵横梁结构的刚度和质量与实际情况保持一致。

在模态分析与谐响应分析中，将与设备基础直接和间接相连Joint节点的、、方向位移取为主自由度222 000，同时设置模块支腿与主甲板相连的节点为简支边界条件111 000。设置222 000的Joint节点详细分布情况见图2。图中，“▽”表示节点已被选取平动主自由度，数字为节点编号。

图2 泵设备基础及支撑结构三维立面图及俯视图

3 计算分析过程

3.1 模态分析

使用Extract Mode Shape模态分析模块，根据重量控制报告，校对包含结构、设备和油水在内的各项重量分布，通过改变结构密度的方式进行施加。在设备质心增设虚拟点，使用Joint Weight节点质量加载功能输入设备湿重，并使用虚拟高刚度杆件将虚拟点与整个支撑结构关键节点相连。通过扩大计算的频域范围，求取模型的前40阶模态振型及频率，确保计算结果能覆盖46.67～73.33 Hz对应泵设备最低转速到最高转速的工作频域。具体设备参数见表1。

表1 设备驱动电机及设备重量等技术参数

通过Mode Animation振型动态效果功能得到第31、36阶结果分别对应为设备基础结构的第1阶和第2阶自振频率和模态振型，结果见图3。

图3 设备基础及支撑结构的前两阶自振频率

离心泵的额定转速=3 579 r/min下该系统1阶激振频率为=59.65 Hz，对比计算结果中的第1阶结构自振频率56.287 Hz和第2阶66.727 Hz可得，该系统的结构自振频率与激励频率较接近，设备作业过程中有发生共振的风险。根据这一情况，需使用谐响应分析求取结构在该激励频率的速度和加速度度响应值，并依据相关标准和法规进行校核。

3.2 谐响应分析

因设备供 应商无法提供准确的不平衡力作为系统的载荷输入，本文结合表1数据，采用美国认证协会ACI 351.3R-04动力设备基础推荐设计指南中推荐的式(1)求取激振力。

(1)

式中：为动力设备旋转部分重量，该泵设备的旋转重量约占干重的25%；为离心泵的额定转速，取正常工作转速3 579 r/min。

经计算，=28.286 kN。

使用Engine Vibration机械强迫振动分析模块进行谐响应分析。因外加激励频率相对较高，接近60 Hz，属于高频结构振动问题，最终选取5%作为系统阻尼比。对模拟1号、2号泵设备质心的虚拟点001和002分别施加和，作用力大小为，并同时考虑二者之间的0°、90°、180°和270°相位差共4种载荷工况，最终根据模拟计算结果选取位移响应最大的相位同步工况作为校核重点。频域范围同样选取2 800～4 400 r/min，求得基座区域范围内最大的位移Joint 0013的、、3个方向的位移随频率变化的曲线，见图4。

图4结果显示，横轴在额定转速下对应纵轴方向最大位移≈0.012 7 mm。计算显示最大响应点出现在支撑结构与基座连接处。可能的原因是该区域钢结构截面存在突变，后期设备调试过程中观测到的振动幅度较大位置也同样在这一区域。

3.3 校核准则选取

离心式机械基础振动通常的计算结果包含结构位移、速度和加速度的响应结果。考虑到浮式生产装置海上作业环境的特殊性及旋转机械设备本身的可持续作业要求，本次计算结果的校核分别参考和对比了NORSOK-S002和PIP-STC01015规定的相关衡准，具体判定标准曲线见图5。因选取的校核点基本都在设备基础附近，选取曲线区域4，根据以往的工程实践经验，对于高频振动，分别使用水平和垂直方向的加速度响应值上限来进行安全评估。

图4 最大位移点的3个平动自由度位移

图5 NORSOK-S002规定的水平和垂直方向加速度上限曲线

图5中，根据人员长期工作或居住在某一区域的程度将校核标准分为以下5个等级：

区域1 中央控制室和生活区；区域2 工作间、实验室、控制室和办公室；区域3化工工艺作业区、轮机设备操作间和钻井区域；区域4振动设备的周边作业区；区域5永久性无人员作业或维修的区域，针对长期在海上作业的油气平台，该等级通常适用于能够被接受的振动幅值最大上限。

考虑到设备安全作业的要求中针对振动机械基础及支撑结构设计的规定，在动设备厂商无法提供保障设备安全下推荐的准确数值情况下，采用以下稳定振动速度上限作为衡准对分析结果进行校核：①离心式机械3.05 mm/s；②往复式机械3.81 mm/s。本文研究的设备为离心式LNG低温液体泵，因此选择A作为判定标准。

根据相关动力分析式(2)和式(3)，分别输入基础结构附近关键节点的位移和系统激励频率=59.65 Hz换算得到速度响应值和加速度响应幅值，见表2。

=2π

(2)

(3)

从表2所列出的对比结果可以看出，使用NORSOK-S002校核加速度幅值，基本都能满足要求，且有一定安全裕度，但是使用PIP-STC01015校核速度幅值的结果则很难全部满足要求。NORSOKS-002主要考虑的是油气平台的结构和人员安全，而PIP-STC01015主要考虑设备及其基础支撑结构，考虑到本次使用公式计算的离心激振力相对较大，因此本文认为校核结果表明，现有设备基础结构、该模块结构本身的设计和总体布置能够满足动力设备正常工作时的振动要求，调试阶段振动实测值也同样满足要求。

表2 1号离心泵设备的基础及相连支撑结构关键Joint的振动校核对比

4 结论

(1)LNG再气化模块基础结构的设计方案未考虑振动问题，通常是离心泵设备基础及模块支撑结构出现有害振动的源头。

(2)本文FSRU上的气化模块核心设备LNG供给泵的基础结构设计符合规范要求，无须在交船阶段做补强或改造。但是考虑到在FSRU长达30 a营运过程中，LNG供给泵自身轴系和零件可能存在磨损、结构腐蚀甚至疲劳失效等问题，建议船东和设备厂商在装置运营和设备维护时复检支撑结构和设备底座的平整度、螺栓的紧固情况，以及相连管道、管阀及其他重要连接件的纠偏对位等。也可以根据现场的勘验情况考虑设备全寿命周期振动监控系统的智能化和数字化升级。

(3)在海工装备的工程设计和施工阶段对动设备基础及其附属结构的动力特性进行的分析和评估可以对结构设计方案优化、设备的安装调试及整个海工装备的后期运维起到辅助作用。