FPSO低壓火炬管線現場振動測量分析方法

陸海峰，胡萬里，張侃侃，迪力木拉提·吾卜力喀斯木

（懿朵信息科技(上海)有限公司，上海 201100）

浮式生產儲卸裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)作為海上油氣處理的移動工廠，能夠實現油氣處理、儲存、發電、供熱等功能，其工作水深范圍廣，抗惡劣氣候能力強，具備重復多次長時間使用的特點，是當今海上油氣開發的重點大型產品。由于FPSO涉及的工藝系統數量龐大，彼此功能存在區別，因此在前期安裝調試階段，通常采用模塊化安裝，分區域調試的方法，通過確保每個工藝系統的安裝和調試質量，來確保整船功能的完整性。低壓火炬管線(Low pressure flare pipings，LPFPs)作為FPSO的關鍵工藝系統之一，主要負責排放加工處理階段的廢氣，該系統管線的振動情況將顯著影響整船的運行質量。為了在調試階段檢測LPFPs的振動是否合格，本文提供了一套完整的振動測量及分析方法，使用該方法在調試環節判斷該管線的運行狀態起到了很好的支撐作用。

1 振動測量及分析方法

1.1 結構振動基本方程

LPFPs在運行時可近似看作多自由度振動系統，根據牛頓第二定律可推導得出其振動時的基本方程為：

式中，[M]為系統的剛度矩陣，[C]為系統的結構阻尼矩陣，[K]為系統結構的剛度矩陣，{F}為系統所受的激勵向量，{˙x˙}為結構的振動加速度向量，{}為結構的振動速度向量，{x}為結構的振動位移向量。

1.2 加速度計測量理論

現場測量時，選用壓電式加速度傳感器，其本質是一種機電轉換裝置，當內部的壓電元件收到外界載荷時，極化面則會隨載荷變化產生對應的電荷。壓電式加速度傳感器的原理圖和力學模型見圖1。

圖1 原理及模型圖

使用時，通常將加速度計用強力膠貼敷于待測物體表面，或使用馬鞍形磁座吸附于待測物體表面。加速度傳感器要與設備表面緊密貼合，以便準確測量待測件的振動，消除二次振動的干擾。

1.3 信號分析方法

振動信號的采集和分析是振動測量分析的關鍵環節。信號分析技術路線如圖2。

圖2 信號分析技術路線

在現場測量時，能夠通過加速度計直接采集待測件的加速度時程信號，能夠直觀判斷出在何時間點振動出現最大值，要想進一步分析振動信號的特征，則需要對時域加速度信號進行數據處理，得到振動速度的頻譜信號。通過振動速度頻譜則可以判斷出振動的關鍵頻率，以及在該頻率下振動的峰值情況是否超標。

由于振動信號是非規律性間隔采集的信號，因此，使用辛普森積分公式進行積分，公式如下：

式中，(t)為采集的振動加速度信號，1tt2分別為待積分的兩個時間點，為t～t時刻的振動速度。12通過對每個間隔時間點內的加速度進行積分，即可得到對應時間段內的振動速度信號。對時域速度信號使用傅里葉變換，即可轉換到頻域。

為了更加直觀地分析振動信號的大小，還需要計算得到振動速度信號的均方根值。（Root mean square，RMS）。[f1，f2]Hz頻率段內的振動速度RMS計算公式如下：

1.4 振動判斷方法

采用頻譜判斷和RMS判斷兩種方法來綜合評估LPFPs的動態特性。在0～300Hz頻率范圍內，首先，根據下式判斷是否有頻率點對應的振動速度幅值超過標準。若有頻率點對應的振動速度幅值超過標準值，則認為該點在該頻率上的振動超標，定義此頻率為關鍵頻率。若無頻率點對應的振動速度幅值超過標準值，則關鍵頻率定義為機組運行的基頻。再根據RMS值判斷0～300Hz內振動速度的總RMS值，結合關鍵頻率進行計算，判斷總體振動情況是否超標。

式中，Concern為需要關注的振動下限值，Problem為有問題的振動下限值，f為振動頻率。在振動速度頻譜圖中，當振動速度值全部位于Concern下限值以下時，認為該點的振動情況是可接受的，無須進行整改。當振動速度值超過Concern下限但未超過Problem下限值時，認為當前的振動需要關注，在后續運行時持續監控此點的振動響應情況。當振動速度值超過Problem下限時，認為該點的振動會對結構的健康產生影響，需要對該點進行調整，以降低振動速度值。

2 現場振動測量方案

2.1 測量流程

（1）測量前。測量前核對待測工況，確保機組在該工況下能夠穩定運行30分鐘以上。根據PDMS模型預估加速度計測點的安裝位置。通常在LPFPs的彎頭、三通、支架、小支管、直管中部布置測點。測點預估好后在現場使用馬克筆對每個測點進行標記，并按照LPFPs從左到右、從上到下、從小到大的原則進行編號。LPFPs共標記了65個測點，部分預估的測點位置的截圖如圖3。

圖3 預估測點位置圖

采用三向振動加速度計，測量每個點位的X、Y和Z三個方向的振動加速度。受到現場空間布置、加速度計自身布置方式，加速度計局部的坐標系可能和LPFPs的坐標系不統一。為統一起見，定義FPSO船尾至船頭為全局+Y方向，豎直向上方向為+Z方向，根據右手定則定義船體右側為+X方向。記錄加速度計局部坐標系和全局坐標系的對應關系，數據處理環節以全局坐標系為準。根據預估的測點位置粘貼傳感器，記錄坐標對應關系。部分點位加速度計現場實拍圖如圖4。

圖4 現場測點實拍圖

（2）測量時。測量開始前核對并記錄機組運行工況，LPFPs的運行工況見表1。待工況穩定運行后，采集30s的振動加速度信號。為消除導線的振動帶來的低頻振顫噪聲，將導線固定在待測件表面，避免發生晃動。

表1 運行工況

記錄每個加速度計局部坐標系和整船全局坐標系的對應關系，部分測點的坐標對應關系見表2。

表2 坐標對應關系

2.2 測試設備

本文采用的振動數據采集與分析系統包括SimcenterSCADAS SCM205振動數據采集儀，PCB振動加速度傳感器和若干導線。振動加速度傳感器用于測量管道的振動。現場設備連接方式示意圖及現場布置圖分別如圖5和圖6。

圖5 系統布置圖

圖6 設備現場布置圖

3 測量結果及分析

將采集的數據經過(3)-(6)的處理后，得到振動速度頻譜圖。V08-X和V09-X的頻譜如下。可以發現，兩個測點的最大峰值頻率均為59.52Hz，設備轉速為3600rpm，在系統中能夠產生60Hz的基頻。基頻與最大峰值頻率相對誤差0.8%，即可認為該點的振動主要是由于設備基頻導致的。V08-X點位全部頻譜均低于Concern下限，認為該點的振動情況處在安全范圍，可以接受該點的振動，并不需要進行額外整改。V09-X在59.52Hz的振動速度超過了Concern下限，但未超過Problem下限，需要在后續運行過程中對這個點進行定期監控。其他部分點位的RMS值匯總表如圖7、圖8和表3所示。

表3 RMS結果

圖7 V08-X速度頻譜

圖8 V09-X速度頻譜

4 結語

為了在調試階段檢測LPFPs的振動是否合格，本文提供了一套完整的振動測量及分析方法，根據頻譜結果和RMS結果能夠對振動總值和關鍵頻率進行辨別，有助于初步判斷LPFPs的運行狀態和振動原因。使用該方法在調試環節判斷該管線的運行狀態起到了很好的支撐作用。該方法也具有一定推廣性，可以用于在FPSO其余工藝系統調試階段分析振動情況。