模態分析技術在海洋平臺壓縮機甲板高振動治理中的應用研究

魏海，馬驍，張盛，王永順

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司；2.中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452）

1 背景

某海上石油平臺配置有三臺天然氣外輸壓縮機，均為燃氣發動機驅動，壓縮機額定轉速為1000r/min，擔任著整個作業公司天然氣外輸的重任。油田投產以來，外輸壓縮機的甲板一直存在高振動現象，部分區域共振現象非常明顯，嚴重影響壓縮機的安全穩定運行，給海上油氣生產帶來不利影響。主要表現在：劇烈的壓縮機振動加劇各零部件的磨損，容易引起控制儀表失靈，降低設備的使用壽命，加大維護保養成本。同時，壓縮機的高振動會引起附屬設備、甲板和設備結構的疲勞損傷，甚至會造成地腳螺栓斷裂、焊縫開裂、管道接頭處松動甚至脫落，導致燃氣泄漏，造成安全隱患。此外，人員長期處于壓縮機的高噪音環境，容易誘發職業病，對身體造成永久性損傷。目前機組是兩開一備，隨油田產氣量的增長，將會三臺機組全開，屆時甲板的振動問題將會更加嚴重。

圖1 壓縮機測點布置圖

2 原因分析

通過對現場進行實地調研，收集設備信息，甲板結構信息，設備運行歷史，并進行現場多工況的振動測試，首先對發動機和壓縮機本體進行監測分析，然后在對機組本體進行故障分析的基礎上再對甲板和撬塊進行測試和模態分析，以便分析和找到高振動的原因。

2.1 發動機和壓縮機監測

圖2 壓縮機甲板測點布置圖

發動機和壓縮機的測試主要包含振動速度和加速度測試，其中速度測試是為判斷機組振動是否超標，而加速度測試是為確定部件摩擦、軸承故障等，設備測點布置如圖1所示。從測試結果上看，機組振動不超標，速度值最大不超過7mm/s，加速度測試也顯示機組各運動部件和軸承自身運轉正常。

2.2 現場甲板振動數據采集

根據現場設備布置和振動情況布置，甲板測點如圖2所示。現場通過在多種工況下測量甲板上各點的振動響應，以測點1為基準點，獲得其余測點相對參考點的傳遞率，并進行模態參數識別來得到結構的頻率、阻尼及振型等模態參數。

2.3 甲板測試，實驗模態及分析

根據現場測試數據建立平臺甲板和設備撬塊的模態陣型，結果如圖3、圖4所示。根據模態振型可以看出，壓縮機兩側甲板，在壓縮機固定激勵下，甲板整體振動形式以彎曲變形為主。撬塊振動形式也存在這種左右擺動現象。

圖3 壓縮機甲板模態陣型

圖4 壓縮機撬塊模態陣型

3 解決方案

3.1 技術路線

設備狀態監測一般只對設備本身進行診斷分析，很少考慮設備周邊甲板振動影響而造成設備的故障。由于受海上平臺空間所限的特殊性，所有設備必須安裝在有限的空間內，所以設備運行起來，相互之間存在一定的影響。

有些設備振動問題必須從平臺結構、撬塊、設備、管線等幾個方面進行整體考慮，這就需要一種新的測試分析技術對問題進行全面分析，才能達到治標又治本的目的。

模態分析是用實驗方法在結構上人為施加某種激勵(或直接利用自然激勵)，利用測量的激勵和響應數據,采取各種數據處理和數學分析方法,獲得表征結構動力特性的模態參數。模態分析是建立在測試的基礎上，采用理論和試驗相結合的方法來建立設備的模型，從而對問題進行分析，找到問題的原因所在。考慮到甲板的結構比較大，同時天然氣壓縮機一直在運轉，沒法進行人工激勵，所以采用工作模態分析（OMA）的方法來分析得到結構的動態固有特性參數。

有限元仿真分析方法的不足之處在于對復雜模型的建立有較大難度，甚至有一些難以確定的因素，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，而且實際設計過程又需要做大量的簡化處理，這種結果會造成與現場實際情況難以吻合，從而導致計算結果與實際情況有很大偏差。

模態分析與有限元仿真技術是研究結構動力特性的一種現代方法，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。此項技術在國內外應用比較廣泛，尤其是在機械、建筑、航天航空、船舶、汽車等應用較多，且取得了一定成效。國內外各個行業的模態分析都是在總結自身行業特點上形成的，具有強烈的行業特點。

圖5 甲板振動仿真分析

本文利用實驗模態分析和有限元分析相結合的方法對平臺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。

仿真分析：（1）有限元仿真結果基本與實驗模態分析一致，甲板振型表現為壓縮機甲板整體彎曲變形，在不同的工況下，振型會發生局部的變化如圖5所示；（2）各工況下，甲板的振動響應振型基本一致；（3）壓縮機過道區域甲板是需要重點優化設計的部位，同時，考慮到現場施工難度，可以改造的空間比較小，盡量采取簡單有效的方案；（4）甲板的局部固有頻率比較接近壓縮機轉頻的諧波，所以共振是引起甲板高振動和管線高振動的重要原因。

3.2 改造方案

結構減振的方法一般分為兩大類：一類是整體改造，使甲板結構的固有頻率遠離共振區；另一類是局部改造，降低振動比較大區域的振動水平。考慮到現場實際情況，采用第二類改造方案，通過有限元仿真分析，在壓縮機甲板下方增加4根立柱和4根橫梁，如圖6所示。方案實施后預計甲板平均振動降幅在40%以上。對部分高振動管線根據現場測試數據分析和計算，依據現場現有條件焊接強度足夠的支架，安裝U型管卡，如圖7所示。

3.3 改造結果

現場對壓縮機甲板進行結構整改后，再次進行現場測試評估。

圖6 甲板結構整改方案

圖7 管線減振整改方案

（1）整改后甲板上局部振動高點降幅在40%-70%之間。對甲板上所有108個測點全部納入統計分析，平均降幅在43．5%， 如 圖 8 所示；（2）現場管線支架安裝后振動至少降低70%以上，改造前管線振動通過目測就能看出存在明顯的抖動現象，改造后，通過目測、手摸均無明顯振感。振動得到明顯降低，極大改善了設備的運行狀態，保證了海上油田的安全生產。

圖8 甲板整改前后振動數據（mm/s）

4 結語

海洋平臺在建造或是擴建改造過程中，往往只考慮設備靜載荷和風、海浪、地震等引起的低頻動載荷，而忽略設備動載荷引起的甲板結構高振動問題，但是在設備實際運行過程中往往是由于動載荷過大，造成周邊甲板高振動并引起撬塊、機組和管線等一系列振動問題。模態分析和計算機仿真分析技術與設備狀態監測技術相結合，通過設備的振動分析、模態分析和仿真分析，提出設備與設備所在甲板的結構優化方案，為海洋平臺甲板高振動問題的解決找到了一個科學有效的方法。同時，此項技術完全可以介入平臺前期設計及動設備的選型和安裝過程中，避免因上述問題造成動設備投用后，出現高振動問題。目前此方法已經廣泛應用到中海油天津分公司、湛江分公司、深圳分公司的海上平臺，并逐步推廣到中海油的外部市場，從實施結果看，均取得了良好的效果。

[1]趙得有，金咸定．船體振動學[M]．上海：上海交通大學出版社，2000 ．

[2]韓國明，劉玉民，譚鈞．模態分析與有限元耦合技術[J]．機械強度，1990，卷（02）：11-14．

[3]楊永謙，肖金生．實用有限元分析技術[M]．北京：機械工業出版社，2010．

[4]任小強，陳務軍，付功義，董石麟．ANSYS在分析局部雙層網殼幾何非線性時的應用[A]． 第十屆空間結構學術會議論文集[C]．

[5]2002年邢靜忠;李軍;;ANSYS的建模方法和網格劃分[J]．中國水運 (學術版 );2006．09．