15萬t油船SCR結構平臺振動分析及改進策略

孫澤仁，周 宏

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

船舶航行時產生振動的原因各不相同，振動響應的范圍和程度也有所不同。依據振動響應的范圍大小，振動可分為總體振動和局部振動。若引起振動的激勵載荷足夠大，如主機不平衡載荷，其可能引發船舶結構的總體振動，此時船體結構的振動響應頻率和激勵頻率一致，表現為船體梁大范圍的同頻振動；若激勵載荷較小，如柴油主發電機工作時的振動載荷，其僅會引發附近相連結構的局部振動。總體振動和局部振動都有可能產生較大的振動響應，如不加以控制，不僅不利于船員身心健康，還會引起結構構件的疲勞性破壞或機械設備的故障，影響船舶正常運營。因此，有效控制船上振動是保證船舶的居住性、安全性和功能性的重要措施[1]。

在實際的船舶振動控制中，振動控制有2種思路：①避免共振，使得結構設計的固有頻率與激振頻率錯開一定范圍，一般為15%～20%，即在限制頻率帶范圍以外，一般增加結構的剛度使得其最低固有頻率大于限制頻率帶的上限；②在無法避免共振的情況下，可改善剛度設計，如強結構對齊等。第1種振動控制思路一般適合于局部振動控制，在船舶總體振動控制中多采用第2種振動控制思路。若可行，2種思路同時采用，效果更佳。

本文以某15萬t油船的SCR結構平臺為研究對象，首先根據綜合反饋信息進行定性判斷，初步確定引起其明顯振動的原因；其次利用有限元方法對分析結果進行數值驗證，以提高該區域的局部結構的最低固有頻率為原則，設計振動改進方案；最后通過同型姐妹船實船試航測試數據驗證前期分析的可靠性和振動改善方案的有效性，為后續船舶結構持續振動改進設計提供必要的技術支撐。

1 船舶概況

1.1 船舶主要尺度和參數

某15萬t油船主要參數如下：

總長274.30 m，垂線間長269.90 m，型寬48.00 m，型深23.20 m，結構吃水17.15 m，載重噸156 000 t，服務航速14.5 kn。該船配備1臺MAN B&W 6G70ME-C9.5主機，最大持續功率(MCR)和轉速為15 100 kW×72.0 r/min，正常持續功率(NCR)和轉速為11 476 kW×65.7 r/min；配備1只4葉固定螺距槳。

1.2 案例背景

該油船為已交付船東的首制船，第2艘姐妹船正在塢內搭載，機艙分段吊裝已結束。該船所選用的主機高壓SCR脫NOx裝置，與其他相同船比體積略大，因此設計時在機艙開口延伸局部結構平臺用于布置該發生器，見圖1。營運船反饋：主機轉速為60 r/min且SCR工作下，壓載吃水工況時，平臺結構和主機排氣管有明顯的振動；超過或低于該轉速時，SCR平臺振動現象不明顯。

2 結構振動原因定性分析和數值驗證

2.1 結構振動原因定性分析

(1)SCR工作時，主機廢氣排放產生的載荷對支撐平臺的強度問題已在原設計中得到解決，并通過了船東和船級社審核，所以可以排除動載荷引起的因結構強度不夠的大變形問題。

(2)在原橫撐平臺設計中按要求考慮了主機機架通過橫撐引起的振動，并且橫撐平臺與SCR平臺不在同一位置，因此排除由主機機架引起的SCR平臺明顯振動問題。

(3)根據經驗，SCR結構平臺的最低固有頻率一般為5～8 Hz左右，同時經過SCR管道的廢氣排放頻率和主機的工作頻率一致且主機為6缸機，因此廢氣排放頻率在主機60 r/min時為6 Hz，落在限制頻率帶范圍內。

綜上，在主機60 r/min時，經SCR管道的廢氣排放頻率和SCR結構平臺的最低固有頻率耦合發生共振是引起SCR平臺明顯振動的主要原因。

2.2 結構振動有限元計算

2.2.1 模型建立

為驗證定性分析的可靠性，采用通用有限元軟件MSC.Patran & Nastran的SQL103模塊對SCR平臺結構進行建模分析，根據機艙結構圖紙建立三維計算模型。

模型范圍：機艙二甲板SCR位置的結構位于縱向Fr.14～Fr.51、橫向左、右舷距中7 650 mm；局部的支承構件如小肘板等不計入模型中，桁材、強梁的開孔忽略不計。

單元：殼單元模擬甲板、縱桁板等強構件；梁單元模擬各種板結構的縱骨、橫梁、支柱、桁架等桿件結構，以及強構件的面板等；質點單元模擬SCR反應器和汽化器的重量。按實際構件排布劃分單元，計算模型見圖2。

圖2 原設計有限元計算模型

2.2.2 邊界條件

模型范圍選取在強構件或艙壁位置處，同時根據實際位移轉角情況，邊界條件見表1。

表1 邊界條件

2.2.3 計算結果

經計算，原設計SCR平臺一階固有頻率f約為5.15 Hz，見圖3。此頻率落在主機SCR排氣激勵頻率(主機轉速60 r/min，f=6 Hz)的限制振動帶范圍內，驗證了前面的定性分析結果。

圖3 原設計振動計算結果

2.2.4 振動改進方案的設計和選擇

后續的改進方案應以提高平臺剛度并避開主機MCR轉速時的共振限制頻率帶范圍(0～8.64 Hz)為原則，尤其以提高平臺右舷SCR反應器范圍內X向的抗轉角剛度為重點，確定了3個振動改進方案。

方案1：將汽化器處突出的平臺首、尾補全，并加大距中1 180 mm處的縱桁。

方案2：在方案1的基礎上加大L04位置處的縱桁。

方案3：在汽化器和排氣管安裝位置、平臺正面采用工字梁H350 mm×20 mm +350 mm×20 mm和H560 mm×20 mm +350 mm×20 mm組合成桁架結構，并將端部與右舷距中7 650 mm機艙甲板間立柱固定以增加橫向剛度，并在汽化器平臺處首、尾用工字鋼連接補強。

方案1～方案3的計算結果見圖4～圖6，對比結果見表2。由于方案3能有效地提高SCR平臺X向的抗轉角剛度，并且能有效避開MCR主機轉速時的限制頻率帶(f=10.49 Hz > 8.64 Hz)，結合已交付和在建姐妹船的現狀，機艙設備、管舾件和電纜等錯綜復雜，且無法考慮重新布置平臺縱桁，在機艙平臺以下空間受限情況不可能做任何大的改動，因此選擇方案3作為最終的振動改進實施方案。

圖4 方案1計算結果

圖5 方案2計算結果

圖6 方案3計算結果

表2 不同振動改善方案計算結果對比

3 實船測試

在姐妹船試航中對該平臺的改進區域進行了振動測試，風速蒲福風力4級，水深58 m，結果見表3。從數據結果來看，滿足ISO 6954—2000 振動標準要求,即C類工作區域的頻率計權方根值的限值為8.0 mm/s[2],振動結果也滿足船員舒適性要求，同時也印證了前期分析、計算結果的有效性和可靠性。

表3 SCR平臺振動測量結果

4 結論

(1)使用重大新設備或不同廠家設備前，要深入了解設備的原理及各參數要求。在考慮設備本身可能產生振動的影響和振動特性后，將設備合理布置在剛度大的結構上，避免后期繁瑣的整改，影響船舶設計建造質量。

(2)結構設計時，不僅要考慮布置和強度問題，還要考慮剛度問題，特別是有結構振動疲勞風險的區域，如SCR平臺、透氣桅桿、燈桅、雷達桅平臺或其他重要設備的基座區域等。通常可提高結構剛度，設計使該區域的最低固有頻率在限制頻率帶范圍之外即可；若難以避免，可采用吸能減振措施或利用簡化公式估算使其滿足振動響應規范要求。

(3)由于振動問題本身的復雜性，當出現振動問題時要采用定性分析和定量計算相結合的辦法，最終徹底有效地解決問題并積累可靠的經驗。

(4)在進行振動測量時，所有的振動測量點應布置在強結構上。