锦州25－1平台压缩机组振动异常分析及甲板结构改造

黄业华 戴国华

（中海石油（中国）有限公司锦州25－1南油气田开发项目组 天津 300452）

锦州25－1平台压缩机组振动异常分析及甲板结构改造

黄业华 戴国华

（中海石油（中国）有限公司锦州25－1南油气田开发项目组 天津 300452）

为探明锦州25－1平台压缩机组振动异常的原因，应用有限元法建立了该平台压缩机组结构三维模型，并对压缩机甲板结构进行了模态分析和谐响应分析。锦州25－1平台压缩机组安装甲板竖直方向刚度不足是造成压缩机组振动异常的主要原因，因此提出了对该平台压缩机安装甲板竖直方向钢梁进行加强的改造方案，从而提高了其刚度。通过模态分析和谐响应分析可以了解平台压缩机组振动特性，为平台结构的优化设计提供理论依据，从而实现海洋平台结构的优化设计，避免有害振动的发生。

锦州25－1平台；压缩机组；甲板；振动异常；模态分析；谐响应分析；结构改造

往复压缩机是海洋平台上的重要设备，主要用于天然气的预处理、集输以及为发动机提供高压燃料气等，其运行过程中不可避免地会产生振动。往复压缩机产生的振动会带来一系列的问题，如机器本身可能会无法正常运转，可能使振源邻近的仪器、设备等无法正常工作，还会产生噪声而对附近工作人员的身体有一定的危害等［1－3］。因此，在海洋平台设计阶段必须对往复压缩机组的振动特性进行分析，预报结构振动的固有特性，从而避免有害振动的发生。然而，以往平台设计中常常忽略往复压缩机组振动特性的分析，平台投产后往复压缩机组出现振动过大问题时常凭经验采用试凑的方法进行结构加强，这种方法不仅费时费力，还不一定能找到最佳方案［4］。模态分析和谐响应分析是研究结构动力特性的一种近代方法，已在结构系统的动态特性评价［5］、结构动态特性的预估和优化设计［6－7］、结构系统故障的诊断和预报［8］、结构辐射噪声的控制［9］及结构系统载荷的识别［10－11］等工程领域得到应用。在工程振动领域，通过模态分析和谐响应分析可了解结构的振动特性，为结构的优化设计提供理论依据［12］。因此，进行海洋平台往复压缩机组结构的模态分析和谐响应分析，研究其结构振动特性，可实现海洋平台结构的优化设计，避免有害振动的发生。本文以锦州25－1平台往复压缩机组为例，应用有限元分析方法建立了往复压缩机组结构模型，通过模态分析和谐响应分析研究了压缩机甲板结构的振动特性，并提出了对该平台压缩机安装甲板垂直方向（y向）钢梁进行加强，从而提高了其刚度。

1 平台压缩机组振动异常分析

1.1 振动异常现象分析

锦州25－1平台有2台由电机驱动的单级天然气输送往复式高压压缩机（CEP－X－2520A/B）和3台由电机驱动的二级辅助输气往复式中压压缩机（CEP－X－2510A/B/C），压缩机组在该平台的布置见图1。其中，高压压缩机电机转速1 500 r/min，功率238 kW；中压压缩机电机转速1 500 r/min，功率438 kW。

图1 锦州25－1平台压缩机组布置图Fig.1 Compressors arrangement in JZ 25－1offshore platform

图2 锦州25－1平台中压压缩机振动幅值（2012.1.30—2012.2.4）Fig.2 Vibration amplitude of medium pressure compressor in JZ 25－1offshore platform（2012.1.30—2012.2.4）

该平台投入使用以来，压缩机组开始陆续出现了一些振动问题，主要表现在中压压缩机运转时出现非周期性的振动值波动，且振动峰值过大。图2为2012年1月30日至2月4日测得的3台中压压缩机的振动峰值，可以看出，3台中压压缩机的振动值波动较大，超过规定的8～12 mm/s。对振动探头、机组对中、机组固定螺栓检查以及专业公司对机组本身进行技术检测，均未发现任何问题。经过进一步分析，认为可能是由于中压压缩机所在甲板结构缺失部分加强结构，平台晃动严重时造成机组本身的振动加剧。

1.2 振动特性分析

1.2.1 有限元模型的建立

压缩机组安装于平台中层甲板上，其运行时产生的激振力对其他甲板影响很小。根据平台压缩机系统图纸，使用Ansys Workbench的DesignModeler进行三维建模。网格划分时，单元类型梁单元选BEAM188，板壳单元选SHELL181，每个节点有6个自由度。网格划分类型选择以四边形网格为主，无法生成四边形网格的地方采用少量的三角形网格，单元大小选择为默认值。所建立的有限元模型见图3，有限元模型包括931个体，459个面，3 677个边，3 957个点；划分网格后共9 598个节点，6 049个单元。

图3 锦州25－1平台压缩机组及甲板结构三维有限元模型Fig.3 Three dimensional finite element model of compressors and deck in JZ 25－1offshore platform

1.2.2 模态分析和谐响应分析

1）模态分析。将图3所示的有限元模型导入Static Structural模块中，对整个模型施加沿z轴负方向的重力加速度载荷，采用固定约束，施加于平台桩腿，约束6个方向的自由度，进行静力分析，再导入Modal模块中进行模态分析。图4为锦州25－1平台模型约束条件，平台压缩机甲板结构前48阶的固有频率计算结果见表1，可以看出甲板结构的固有频率整体偏低，远离压缩机转频25 Hz，不易形成共振。

图4 锦州25－1平台模型约束条件Fig.4 Constraint conditions in JZ 25－1offshore platform model

表1 锦州25－1平台压缩机甲板结构固有频率Table 1 Natural frequency of compressor deck structure in JZ 25－1offshore platform

2）谐响应分析。在模态分析的基础上，对平台甲板进行在压缩机系统激励作用下的谐响应分析，激振力的作用点选在压缩机和电机基座上。在计算中主要考虑来自压缩机及电机的激振力，其大小由设备制造商提供，所有的动态载荷均以稳态简协载荷进行施加，假设压缩机的激振力与电机激振力同相位。其中压缩机在水平和垂直方向的不平衡力分别为1 961.7、983.0 N，不平衡力矩分别为34 594.0、2 026.9N·m；电机的扭矩及离心力分别为0.595 2 N·m和124.68 N。根据电机的转速确定激振力频率为25 Hz，按其波动范围为±10%计算，即计算时输入的频段范围是22.5～27.5 Hz。该平台中压压缩机采用2用（A机和B机）1备（C机）的工作方式，分3种工况进行分析：工况1为A和C机工作，B机不工作；工况2为A和B机工作，C机不工作；工况3为B和C机工作，A机不工作。图5为不同工况下运行时锦州25－1平台压缩机安装甲板总变形云图。

图5 不同工况下锦州25－1平台压缩机安装甲板变形云图Fig.5 Deformation cloud map of the compressor deck in JZ 25－1offshore platform in different conditions

从图5可以看出，在压缩机和电机激励作用下，压缩机安装甲板结构存在明显的变形响应，其变形以绕x轴摆动和沿z轴上下振动为主，表明y向刚度明显不足，需要加强。以A、C两台压缩机同时运行（工况1）为例，计算压缩机安装甲板响应值范围是11.23～18.08 mm/s，大于HSE振动评价标准规定的振动限制值5.75 mm/s（80 Hz），不符合规范要求，表明压缩机安装甲板振动过大。

2 甲板结构改造方案及其实施效果

2.1 改造方案

根据锦州25－1平台压缩机组振动异常原因分析可以看出，甲板刚度不足是导致压缩机组振动异常的主要原因，因此，为了解决压缩机组振动异常的问题，提出了甲板结构改造方案，即对压缩机组安装甲板的结构梁进行加强，在原刚度不足梁的底部焊接辅梁，并将原为连通的梁添加新梁，使其成为整体梁（图6）。

图6 锦州25－1平台压缩机甲板结构改造方案Fig.6 Rehabilitation programs of the compressor deck structure in JZ 25－1offshore platform

2.2 改造后振动特性分析

为了解甲板结构改造后压缩机组的振动特性，对改造后平台甲板进行了模态分析及谐响应分析。

1）模态分析。表2为改造后锦州25－1平台压缩机甲板结构的固有频率，可以看出，改造后压缩机甲板结构的固有频率仍然整体偏低，远离压缩机转频25 Hz，不易形成共振。

表2 改造后锦州25－1平台压缩机甲板结构固有频率Table 2 Natural frequency of the transtormed compressor deck structure in JZ 25－1offshore platform

2）谐响应分析。图7为改造后不同工况下运行时锦州25－1平台压缩机安装甲板总变形云图，可以看出，改造后压缩机安装甲板的纵向刚度得以加强，在压缩机和电机激励作用下，改造后压缩机安装甲板结构的变形响应明显减小，绕x轴摆动和沿z轴上下变形显著降低。以A、C两台压缩机同时运行（工况1）为例，改造后压缩机安装甲板响应值范围是0.23～0.29 mm/s，远低于HSE振动评价标准规定的振动限制值5.75 mm/s（80 Hz），符合规范要求，表明结构改造后压缩机安装甲板的振动被明显降低。

图7 改造后不同工况下锦州25－1平台压缩机安装甲板变形云图Fig.7 Deformation cloud map of the transformed compressor deck in JZ 25－1offshore platform in different conditions

2.3 实施效果

为了更真实、全面地了解压缩机安装甲板改造前后的振动情况，同时为了验证有限元分析结果的正确性与可信度，对安装甲板进行了振动测试，测点布置如图8，改造前后安装甲板的垂直方向的振动速度峰值如图9所示。从图9可以看出，压缩机安装甲板改造后，除5、6及7测点外，其余测点位置的振动速度峰值均明显降低，表明对压缩机安装甲板结构进行加强是有效的，也说明本文有限元分析结果是正确、可信的。

图8 锦州25－1平台压缩机安装甲板振动测点布置Fig.8 Measuring points layout of the compressor deck in JZ 25－1offshore platform

图9 锦州25－1平台压缩机安装甲板改造前后的振动对比Fig.9 Vibration of the transformed compressor deck comtrast to the original one’s in JZ 25－1offshore platform

3 结论

1）以锦州25－1平台压缩机组为例，应用有限元法对该平台压缩机甲板结构进行模态分析和谐响应分析。模态分析表明，锦州25－1平台压缩机甲板结构固有频率偏低，远离工作频率，不易形成共振；谐响应分析表明，在压缩机和电机的激励作用下，锦州25－1平台压缩机安装甲板结构存在明显的变形响应，其变形以绕x轴摆动和沿z轴上下振动为主。

2）分析认为，锦州25－1平台压缩机组安装甲板y向刚度不足是造成压缩机组振动异常的主要原因，因此提出了对该平台压缩机安装甲板y向钢梁进行加强的改造方案，从而提高了其刚度。这表明，通过模态分析和谐响应分析可以了解平台压缩机组振动特性，为结构优化设计提供理论依据。

［1］张海云，董晓雨，高鹏.海洋平台往复压缩机脉动和振动控制方法［J］.压缩机技术，2010，223（5）：24－26.

Zhang Haiyun，Dong Xiaoyu，Gao Peng.Pulsation ＆vibration control strategies for reciprocating compressors on offshore platform［J］.Compressor Technology，2010，223（5）：24－26.

［2］余建星，孙凡，杨晓蓉.基于非线性理论的海上平台空调机组振动预测与减振研究［J］.船舶力学，2009，13（1）：115－120.

Yu Jianxing，Sun Fan，Yang Xiaorong.Vibration prediction and reduction research on platform refrigeration system based on nonlinear theory［J］.Journal of Ship Mechanics，2009，13（1）：115－120.

［3］黄曌宇，唐文勇，汪怡，等.自升式海洋平台振动特性分析的研究综述和展望［J］.中国工程机械学报，2009，7（3）：367－372.

Huang Zhaoyu，Tang Wenyong，Wang Yi，et al.Literature reviews and future directions on vibration property analysis for self－elevating offshore platforms［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2009，7（3）：367－372.

［4］赵东，王威强，马汝建，等.海洋平台振动控制研究现状及近期发展［J］.石油机械，2005，33（5）：69－72.

Zhao Dong，Wang Weiqiang，Ma Rujian，et al.Research status for offshore platform vibration control and recent developments［J］.China Petroleum Machinery，2005，33（5）：69－72.

［5］郭荣，周鋐.某型轿车白车身试验模态分析及动态特性评价［J］.机械设计，2010，27（8）：18－22.

Guo Rong，Zhou Hong.Experimental modal analysis and dynamic characteristic evaluation of body－in－white of some car［J］.Journal of Machine Design，2010，27（8）：18－22.

［6］麻海舰，周鋐.利用白车身振动模态试验对车身动态设计的评价与分析［J］.噪声与振动控制，2007，27（4）：58－60.

Ma Haijian，Zhou Hong.The vibration testing and modal analysis for body－in－white of a car［J］.Noise and Vibration Control，2007，27（4）：58－60.

［7］许金余，张其顶，宋洪斌，等.基于模态分析的钢结构损伤识别方法研究［J］.机械科学与技术，2007，26（2）：206－208.

Xu Jinyu，Zhang Qiding，Song Hongbin，et al.Steel structuraldamage detection method based on modal analysis［J］.Mechanical Science and Technology，2007，26（2）：206－208.

［8］VERBOVEN P，GUILLAUME P，CAUBERGHE B，et al.Modal parameter estimation from input－output Fourier data using frequency－domain maximum likelihood identification［J］.Journal of Sound and Vibration，2004，276（3）：957－979.

［9］王海亮，林忠钦，金先龙.基于响应面模型的薄壁构件耐撞性优化设计［J］.应用力学学报，2003，20（3）：61－65.

Wang Hailiang，Lin Zhongqin，Jin Xianlong.Optimal design of thin－walled sections for structural crashworthiness based on the response surface model［J］.Chinese Journal of Applied Mechanics，2003，20（3）：61－65.

［10］蔡元奇，朱以文，刘礼华.动态载荷识别中的模态确定方法研究［J］.振动工程学报，2006，19（4）：543－546.

Cai Yuanqi，Zhu Yiwen，Liu Lihua.Research on method for determining modality in dynamic load identification［J］.Journal of Vibration Engineering，2006，19（4）：543－546.

［11］文祥荣，智浩，缪龙秀.基于模态分析法的结构动载荷识别研究［J］.北方交通大学学报，2000，24（4）：11－14

Wen Xiangrong，Zhi Hao，Miao Longxiu.Research on structural dynamic load identification based on modal analysis method［J］.Journal of Northern Jiaotong University，2000，24（4）：11－14.

［12］隋晓东，戴挺，高锋.压力机机身振动特性的模态分析［J］.噪声与振动控制，2010，30（1）：10－13.

Sui Xiaodong，Dai Ting，Gao Feng.Modal analysis of compressor frame’s vibration［J］.Noise and Vibration Control，2010，30（1）：10－13.

Analysis on the abnormal vibration of the compressor set and the deck structure reform for JZ 25－1platform

Huang Yehua Dai Guohua
（JZ25－1S Field Development Project Team，CNOOC Ltd.，Tianjin300452，China）

In order to investigate the abnormal vibration of the compressor set in JZ25－1 offshore platform，three－dimensional model of the compressor set was established by the finite element method（FEM），and then analysis of modal and harmonic response for the compressor deck was carried out.Results showed that the main reason for the abnormal vibration of the compressor set was the shortage of rigidity along the vertical direction of the deck.Therefore，the remanufacture plan to reinforce the girder rigidity along the vertical direction of the deck in the platform was put forward.The vibration characteristics of the compressor set can be obtained through the analysis of modal and harmonic response，which will provide the theoretical basis for optimization design of the platform structure to avoid harmful vibrations.

JZ 25－1 platform；compressor set；deck；abnormal vibration；modal analysis；harmonic response analysis；structure modification

TH457；TU311.3

A

2014－06－03改回日期：2014－10－18

（编辑：叶秋敏）

黄业华，戴国华.锦州25－1平台压缩机组振动异常分析及甲板结构改造［J］.中国海上油气，2015，27（2）：93－97，111.

Huang Yehua，Dai Guohua.Analysis on the abnormal vibration of the compressor set and the deck structure reform for JZ25－1 platform［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：93－97，111.

1673－1506（2015）02－0093－05

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.016

黄业华，男，教授级高级工程师，2011年毕业于西南石油大学，获博士学位，现主要从事海上油气田开发及项目管理工作。地址：中海石油（中国）有限公司锦州25－1南油气田开发项目组（邮编：300452）。E－mail：yehuahuang88＠163.com。