橇装压缩机振动对海洋平台结构影响分析

张国冻，于成龙，杨森，杨启福，邓冠华

中海油能源发展股份有限公司湛江采油服务文昌分公司（广东湛江 524057）

国内海上气田开发逐步趋于深水化、大型化、整装化，对天然气增压设备的要求不断提高。往复式压缩机组作为重要的增压设备正朝着橇装化、复杂化的方向发展[1-4]，橇装压缩机组一般由涤气系统、缓冲及压缩机组、后冷却系统、滑油分配系统等组成。由于往复式压缩机固有的运动特性，在其高速运行过程中容易产生振动问题[5]。因气田生产时需对高压气、湿气、低压气等不同组分、压力的气体分别进行增压处理，气田需布置多台（套）不同的压缩机组。大型的橇装机组同时运行，会放大振动问题[6]，是平台安全运行一个不可忽略的隐患。引起振动的原因有两种：一种是平台甲板结构固有频率与天然气压缩机的激励频率一致，发生共振[7-9]；另一种是天然气压缩机的激励过大使结构产生振动[10-11]。为论证上述两种振动对平台结构的影响，基于有限元分析软件ANSA、ABAQUS，对南海西部某气田中心平台的6 台压缩机组进行振动特性分析，分析平台整体震动是否在ISO 6954—2000 振动标准许可的4 mm/s范围内。

1 平台压缩机概况

南海西部某气田中心平台为8 腿平台，水深117.7 m，平台设上、中、下三层甲板。平台共设有6台橇装式往复式压缩机组，其中3台湿气压缩机组X-2501A/B/C布置于标高（+）24 m的中层甲板上，位于平台主轴A、B，与副轴2.1至主轴3之间；1台低压气回收往复压缩机组X-2810布置于标高（+）24 m的中层甲板上，位于平台主轴A南侧，与副轴2.3至主轴3之间；2台干气外输往复压缩机组X-2701A/B布置于标高（+）18 m的底层甲板上，位于平台主轴A、B，与副轴2.1至2.3之间。各压缩机组相关参数见表1。

表1 各压缩机组相关参数

平台除上述压缩机组外，还有凝析油外输泵、甲醇及化学药剂注入泵、开闭排泵、火炬分液泵、生活海淡水泵等动设备，这些设备最大功率均不超过150 kW，对平台整体震动影响较小，因此本次分析不考虑这些设备对平台振动的影响。

2 有限元模型

2.1 压缩机模型建立

大型的橇装式压缩机组内部设备布置极其紧凑且复杂，6 台压缩机组因处理介质、操作压力、操作温度的不同，内部结构也存在较大差异。电机、压缩机、涤气罐、冷却器、滑油模组等主要设备的结构、大小和质量均不同，各橇块内部的管线尺寸及走向也不同。要建立起与实际布置情况完全一致的模型并不可行，因此，在不影响整体计算结果准确性的前提下，需对橇块某些局部结构进行简化处理[12-13]。

根据各压缩机橇内部布置图纸，使用ANSA 软件进行模型建立。各压缩机橇块模型采用壳单元组成，各橇底座梁结构模型与实际布置情况一致，并离散成由节点及单元组成的力学模型，按Q345R钢材对其赋予相应属性。电机、压缩机、涤气罐、冷却器等主要重设备按实际重心位置和结构质量以施加质量点的形式建立模型。尽可能全面地施加附属的管线、辅机等设备重量。

2.2 平台模型建立

平台模型建立与压缩机橇块类似，主要根据平台结构梁总体布置图进行建模。主体梁结构按实际布置情况建立模型后，按实际重心位置和结构质量对生活楼模块、钻机支持模块、钻机模块、电气房模块4 部分重组件进行质量施加，建立平台3 层甲板至导管架中间部分的结构模型。

2.3 模型连接

各压缩机橇块通过施加约束方式连接至平台甲板结构，得到各压缩机组有限元模型。整体设备及其质量点的分布情况如图1所示。

图1 整体设备及其质量点的分布情况

平台甲板结构所使用的材料为Q345钢材，其材料属性见表2。

表2 Q345钢材部分属性

2.4 模型网格划分

对平台甲板结构有限元模型进行质量检查，各项检查指标均满足有限元仿真的需要，有限元模型效果如图2所示。

图2 平台甲板结构有限元模型

3 平台甲板结构振动特性模态分析

3.1 载荷及边界条件

平台为导管架式，下部由导管架连接至海底基桩。除上部浪涌、风载外不存在其他约束条件。浪涌、风载对平台导管架会造成一定的摆晃，振幅小、频率极低且不规律[14]，对本次分析影响较小，本次模态分析的支撑边界约束条件暂不考虑导管架本身振动移动影响。因此，模型支柱底端施加简单支撑边界条件，上部不进行约束[15-16]。用于模拟平台的支撑边界条件，即约束梁单元X、Y、Z方向位移自由度。边界约束条件如图3所示。

图3 边界约束条件

3.2 模态分析

通过模态分析得到平台整体的前20 阶固有频率，见表3。

表3 平台甲板固有频率

由表3 可以看到平台结构的固有频率在1～15 阶，平台模型的固有频率随阶数升高而增大。在15～20 阶的高阶时，其固有频率达到稳定，最大值为8.92 Hz，这与作为激励源的各压缩机工作频率（40～50 Hz）相差较大。因此，不会发生共振情况。

4 平台甲板结构振动特性谐响应分析

4.1 载荷及边界条件

激励源主要来自于各压缩机组产生的动态载荷，即不平衡力和力矩[17-19]。各压缩机组的不平衡力参数见表4。

表4 各压缩机组产生的不平衡力和力矩

4.2 谐响应分析结果

频率范围的选取主要是各压缩机组的正常工作频率，即40～50 Hz，对平台进行谐响应分析。在谐响应分析的基础上获得了平台甲板结构速度云图、速度-频率曲线关系、位移云图、位移-频率曲线关系、工作频率下的结构响应数值等，具体如图4、图5所示。

图4 平台甲板结构速度云图

图5 平台结构的位移云图

从图4 和图5 可以看出，速度及位移最大点为同一处，位于中层甲板与下层甲板连接处。该处布置有3台湿气压缩机，激励力较大，导致该处响应较大。在各机组40～50 Hz 的工作频率区间内，平台甲板结构响应速度及位移的最大值均为40 Hz频率时产生。此频率下响应最大点的速度和位移在各个方向上的值及合值，见表5。

表5 平台整体结构工作频率下响应数值

由表5 可知速度主要方向为X方向，位移主要方向为Z方向。当压缩机组处于工作频率时，平台响应速度为1.7 mm/s，在ISO 6954—2000 振动标准许可的4 mm/s范围内。

5 结论

1）平台整体模态分析结果显示，平台固有频率最大值与作为激励源的各压缩机工作频率相差较大，压缩机组运行不会发生平台共振。因此，在电机、泵、发电机组等动设备选型时，除存在极低频率运行工况外，不需要考虑共振问题。

2）谐响应分析结果显示6台橇装式往复式压缩机组在工频同时运行的最极端工况下，对平台整体的结构稳定性影响很小。证明了对多级分离后的干气、湿气、低压气，采用橇装往复式压缩机组进行分别增压的技术方案适用于南海西部某海上气田中心平台。其橇装设计方案、机组选型、平台空间布置等为类似的海上平台设计提供了参考。