海上平臺(tái)在動(dòng)設(shè)備影響下的振動(dòng)分析研究

羅 超，王巍巍，楊江輝，韓 笑，周 楠

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

海上平臺(tái)在動(dòng)設(shè)備影響下的振動(dòng)分析研究

羅 超，王巍巍，楊江輝，韓 笑，周 楠

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

總結(jié)了海洋平臺(tái)動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)機(jī)理和振源數(shù)學(xué)模型，對(duì)其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析流程和要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并針對(duì)動(dòng)設(shè)備作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了闡述，最后給出了針對(duì)動(dòng)設(shè)備振動(dòng)所需的控制手段，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。

海上平臺(tái)；動(dòng)設(shè)備；振動(dòng)

海洋石油平臺(tái)作為海上油氣生產(chǎn)的中心環(huán)節(jié)，其上布置了多種動(dòng)設(shè)備，包括電站設(shè)備、泵設(shè)備、壓縮機(jī)等等。這些動(dòng)設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，不僅對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全造成影響，而且在多臺(tái)機(jī)組的相互作用下，會(huì)使甲板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，加速結(jié)構(gòu)的破壞，長(zhǎng)期的振動(dòng)還會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞。另外，振動(dòng)和振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，會(huì)對(duì)平臺(tái)的工作人員工作和休息產(chǎn)生影響，且不滿(mǎn)足HSE要求。因此，對(duì)海洋石油平臺(tái)上動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，在設(shè)計(jì)中對(duì)動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)進(jìn)行控制迫在眉睫。

1 海洋平臺(tái)動(dòng)設(shè)備振源分析

1.1 海洋平臺(tái)振源分類(lèi)

隨著海洋石油平臺(tái)的大型化和集成化，海洋石油平臺(tái)上的動(dòng)設(shè)備也越來(lái)越多很多，往往一座平臺(tái)既要實(shí)現(xiàn)采油功能，又要實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)功能。海洋平臺(tái)上的動(dòng)設(shè)備分類(lèi)方式也很復(fù)雜。通常按照動(dòng)設(shè)備功能來(lái)分，可分為：電站裝置、熱站裝置、泵類(lèi)設(shè)備、空氣壓縮機(jī)、天然氣壓縮機(jī)、壓力容器、風(fēng)機(jī)、消防系統(tǒng)等等；按照動(dòng)設(shè)備振源振動(dòng)形式又可分為：回轉(zhuǎn)式設(shè)備和往復(fù)式設(shè)備。

1.2 海洋平臺(tái)振源分析

1.2.1 振動(dòng)成因

海洋平臺(tái)動(dòng)設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生的原因主要有以下4類(lèi)[1]：

（1）運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的不平衡。從運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，完全平衡是比較困難的。因此機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于不平衡引起周期性的擾力產(chǎn)生振動(dòng)。

（2）作用在機(jī)械上的外載荷的變化。作用在機(jī)械的某些構(gòu)件上的外力或外轉(zhuǎn)矩的不均勻會(huì)引起橫向振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

（3）高副機(jī)構(gòu)高副形狀誤差。齒輪的齒形誤差引起變化的動(dòng)力，引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。凸輪表面的誤差也會(huì)引起附加動(dòng)力變化、引起機(jī)構(gòu)的振動(dòng)。

（4）往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起的擾力，質(zhì)量分布不平衡。

1.2.2 振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

機(jī)械振動(dòng)：指機(jī)械或結(jié)構(gòu)在平衡位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

機(jī)械振動(dòng)分類(lèi)：（1）按自由度：?jiǎn)巫杂啥?、多自由度、連續(xù)系統(tǒng)振動(dòng)（無(wú)數(shù)個(gè)）；（2）按激勵(lì)類(lèi)型：自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)、自激振動(dòng)；（3）按響應(yīng)類(lèi)型：簡(jiǎn)諧振動(dòng)、周期振動(dòng)、瞬態(tài)振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)；（4）按系統(tǒng)的微分方程分類(lèi)： 線(xiàn)性振動(dòng)、非線(xiàn)性振動(dòng)。

在只考慮動(dòng)設(shè)備振動(dòng)的情況下，海上平臺(tái)振動(dòng)屬于多自由度、周期性、受迫振動(dòng)。

海洋平臺(tái)上的動(dòng)設(shè)備需要進(jìn)行離散化計(jì)算，實(shí)際系統(tǒng)的離散化就是將實(shí)際系統(tǒng)簡(jiǎn)化和抽象為離散的力學(xué)模型，具體做法是把系統(tǒng)的質(zhì)量、彈性和阻尼恰當(dāng)?shù)募?，把一個(gè)無(wú)窮多自由度的系統(tǒng)簡(jiǎn)化成有限個(gè)自由度的系統(tǒng)。

從離散化的力學(xué)模型，質(zhì)量元件具有無(wú)彈性，不耗能，儲(chǔ)存動(dòng)能 ；彈性元件具有無(wú)質(zhì)量，有彈性，儲(chǔ)存勢(shì)能；阻尼元件具有無(wú)質(zhì)量，無(wú)彈性，耗能。

動(dòng)設(shè)備按照振動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)式設(shè)備和往復(fù)式設(shè)備。

海洋平臺(tái)設(shè)備中，常見(jiàn)的回轉(zhuǎn)類(lèi)設(shè)備有：燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、離心泵、離心式空氣壓縮機(jī)等；常見(jiàn)的往復(fù)類(lèi)設(shè)備有：蒸汽發(fā)動(dòng)力、螺桿泵、往復(fù)泵、活塞式壓縮機(jī)等。

回轉(zhuǎn)式設(shè)備振動(dòng)有兩種計(jì)算模型：

（1）質(zhì)量—彈簧—阻尼器模型體系——Winkler-voigt模型振動(dòng)。該體系就是把實(shí)際的機(jī)器、基礎(chǔ)和地基的振動(dòng)問(wèn)題簡(jiǎn)化為放在無(wú)質(zhì)量彈簧上的無(wú)阻尼剛體的振動(dòng)問(wèn)題，見(jiàn)圖1。

（2）彈性半空間模型。該模型將剛性基礎(chǔ)置于理想彈性半空間體的表面，即假定地基土為均質(zhì)、各向同性的彈性半空間體?；A(chǔ)的振動(dòng)簡(jiǎn)化為剛體在無(wú)質(zhì)量的模擬土的彈簧上的振動(dòng)。利用動(dòng)力彈性理論分析地基中波的傳播，由數(shù)學(xué)分析法或數(shù)值方法求解基礎(chǔ)與基礎(chǔ)面上的動(dòng)應(yīng)力，進(jìn)而得到基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)方程，確定基礎(chǔ)的振動(dòng)狀態(tài)。

往復(fù)式設(shè)備振源根據(jù)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)擾力性質(zhì)不同分為：機(jī)器旋轉(zhuǎn)所引起的擾力；機(jī)器往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起的擾力；沖擊引起的擾力?；钊堑湫偷耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)件，這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)常與曲柄連桿運(yùn)動(dòng)相結(jié)合而形成更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖2所示為水平空壓機(jī)的曲柄連桿及活塞的機(jī)構(gòu)圖。

圖1 質(zhì)量—彈簧—阻尼器模型

圖2 曲柄連桿及活塞的機(jī)構(gòu)圖

根據(jù)振動(dòng)控制理論，可以將質(zhì)量系統(tǒng)簡(jiǎn)化，定義活塞、十字頭及活塞桿的總質(zhì)量為m，連桿質(zhì)量集中于ma，連桿與曲柄質(zhì)量集中于曲柄與連桿的連接點(diǎn)mb，則作用在基礎(chǔ)上的水平擾力Fx及垂直擾力Fz，為：

式中：r — 曲柄長(zhǎng)度，l — 連桿長(zhǎng)度，ω— 角速度，t — 時(shí)間，ω t — 曲柄與水平間夾角。

2 針對(duì)動(dòng)設(shè)備振動(dòng)的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海洋平臺(tái)在設(shè)計(jì)中，由于動(dòng)設(shè)備的影響，平臺(tái)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生諸多結(jié)構(gòu)、疲勞等問(wèn)題，因此在設(shè)計(jì)中需要對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)和各種動(dòng)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。整體的動(dòng)力學(xué)分析分為：數(shù)學(xué)模型的建立、結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和動(dòng)力學(xué)分析三步。其中模型建立是整個(gè)分析的基礎(chǔ)，模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析中必備的一部分，動(dòng)力學(xué)分析是整個(gè)分析的核心。

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立[2]

首先要根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖紙、總布置圖及重控報(bào)告，建立海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型，海洋平臺(tái)上動(dòng)設(shè)備模型建立復(fù)雜程度同時(shí)也決定著結(jié)果。數(shù)學(xué)模型建立所需參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)學(xué)模型建立所需參數(shù)

通過(guò)所需平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖紙、總布置圖、設(shè)備重控及設(shè)備安裝圖紙，可以完整詳細(xì)的建立海洋平臺(tái)及設(shè)備的有限元模型（圖3），模型的細(xì)致程度與結(jié)果的細(xì)致程度成正比。海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備繁多，要建立起與之相對(duì)應(yīng)的完整的有限元模型，工作量將會(huì)十分龐大，不但沒(méi)有必要，而且可能無(wú)法完成。若經(jīng)過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化，則可以認(rèn)為海上平臺(tái)主要由管結(jié)構(gòu)、梁結(jié)構(gòu)、板結(jié)構(gòu)和其上的相關(guān)設(shè)備共同組成。在設(shè)備列表中，可以選擇持續(xù)運(yùn)行對(duì)平臺(tái)造成影響，激振力頻率相對(duì)接近平臺(tái)固有頻率的設(shè)備，以簡(jiǎn)化模型。

圖3 平臺(tái)和動(dòng)設(shè)備有限元模型示意圖

2.2 模態(tài)分析

通過(guò)模態(tài)分析方法搞清楚結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就可能預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備的故障診斷的重要方法。

對(duì)海洋石油平臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析的目的有以下三點(diǎn)：

（1）模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型；

（2）模態(tài)分析通常用作其它動(dòng)力學(xué)分析問(wèn)題的起點(diǎn)，例如諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析；

（3）通過(guò)進(jìn)行模態(tài)分析得到的振動(dòng)特性與其他設(shè)計(jì)過(guò)程中獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，可以對(duì)模型進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。

2.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的內(nèi)容之一是研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。所謂動(dòng)力響應(yīng)是指在廣義動(dòng)力荷載作用下的結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力響應(yīng)，二廣義動(dòng)力荷載包括動(dòng)力激勵(lì)和動(dòng)位移激勵(lì)。動(dòng)力荷載是指荷載的大小和方向隨時(shí)間而變化的荷載。在動(dòng)力荷載作用下，結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力隨時(shí)間而不斷變化，并且結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)速度和加速度[3]。對(duì)于海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析來(lái)講，動(dòng)設(shè)備振源的激振力即為動(dòng)力荷載，在動(dòng)設(shè)備振源的動(dòng)力荷載作用下，平臺(tái)產(chǎn)生的振動(dòng)位移、速度、加速度便是衡量的主要標(biāo)準(zhǔn)。動(dòng)力學(xué)分析所需參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 動(dòng)力學(xué)分析所需參數(shù)

2.3.1 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是用于確定線(xiàn)性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按正弦（簡(jiǎn)諧）規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)。分析的目的是計(jì)算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)并得到一些響應(yīng)值（通常是位移）對(duì)頻率的曲線(xiàn)，從這些曲線(xiàn)上可以找到“峰值”響應(yīng)，并進(jìn)一步觀(guān)察峰值頻率對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。

諧響應(yīng)分析用于確定線(xiàn)性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按正弦（簡(jiǎn)諧）規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。諧響應(yīng)分析只計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)，而不考慮發(fā)生在激勵(lì)開(kāi)始時(shí)的瞬態(tài)振動(dòng)。諧響應(yīng)分析可以用來(lái)對(duì)單一設(shè)備或激振頻率相同的多個(gè)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)分析，但是不能對(duì)激振頻率不同的多個(gè)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)分析。諧響應(yīng)分析可以通過(guò)對(duì)一個(gè)頻率段進(jìn)行分析，得到該頻率段內(nèi)的最大振動(dòng)響應(yīng)。

此外，對(duì)于激振頻率不同的多個(gè)設(shè)備，如果設(shè)備彼此間距較大且振動(dòng)干擾較少，可以先對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的振動(dòng)分析，然后進(jìn)行結(jié)果疊加，通過(guò)這種方法可以粗略計(jì)算出最終的結(jié)果。諧響應(yīng)分析的特點(diǎn)是不考慮非線(xiàn)性效應(yīng)和瞬態(tài)效應(yīng)，計(jì)算速度較快，結(jié)果提取方便。需要注意的是諧響應(yīng)分析是一種線(xiàn)性分析。任何非線(xiàn)性特性，即使定義了也將被忽略。

2.3.2 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是用于確定承受隨時(shí)間任意變化載荷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法。用于瞬態(tài)動(dòng)力分析的運(yùn)動(dòng)方程和通用運(yùn)動(dòng)方程相同；只是載荷可為時(shí)間的任意函數(shù)。

在諧響應(yīng)分析中不能進(jìn)行不同頻率激勵(lì)響應(yīng)分析，瞬態(tài)分析的計(jì)算方法與諧響應(yīng)分析的不同，可以對(duì)任意的載荷進(jìn)行分析，因此可以采用該種方法施加正弦周期變化的載荷進(jìn)行分析。

當(dāng)平臺(tái)所受載荷為簡(jiǎn)諧載荷時(shí)，諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析都能得到平臺(tái)的振動(dòng)響應(yīng)，但這兩種方法各有優(yōu)劣，在實(shí)際分析時(shí)，可根據(jù)具體情況選擇使用：

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法用于確定結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間任意變化載荷下的響應(yīng)。當(dāng)需要對(duì)激振頻率不同的多個(gè)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)，應(yīng)采用此種方法。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法的特點(diǎn)是考慮非線(xiàn)性效應(yīng)和瞬態(tài)效應(yīng)，計(jì)算速度較慢，結(jié)果存儲(chǔ)空間較大，后處理較復(fù)雜。

在進(jìn)行海上平臺(tái)設(shè)施的振動(dòng)分析時(shí)，建議優(yōu)先選用諧響應(yīng)分析方法。當(dāng)諧響應(yīng)分析方法不能滿(mǎn)足要求時(shí)，再采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法。兩種分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表3。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

海洋平臺(tái)在設(shè)計(jì)中，由于動(dòng)設(shè)備的影響，平臺(tái)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生諸多結(jié)構(gòu)、疲勞等問(wèn)題，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮如下問(wèn)題[4]：

（1）動(dòng)設(shè)備支撐和模塊設(shè)計(jì)，（2）有限空間的充分利用，（3）單機(jī)組單元與合成的關(guān)系，（4）重量限制，（5）管道和壓縮機(jī)的走向，（6）結(jié)構(gòu)減振，（7）高速動(dòng)設(shè)備邊界條件假設(shè)和剛度假設(shè)，（8）工況的變化。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取如下循環(huán)步驟，直到振動(dòng)和應(yīng)力都滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求：

（1）選擇減振方法，（2）施加載荷/動(dòng)力，（3）確定邊界條件（橇塊/結(jié)構(gòu)），（4）計(jì)算結(jié)構(gòu)固有頻率（許許多多部件的結(jié)構(gòu)固有頻率），（5）受迫振動(dòng)分析，（6）關(guān)注1倍頻和2倍頻，（7）確定運(yùn)行工況的范圍，（8）確定振動(dòng)/應(yīng)力有問(wèn)題的部位，（9）修改結(jié)構(gòu)支撐。

表3 兩種分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)

在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下要點(diǎn)：

要點(diǎn)1：需要通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析來(lái)達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的（計(jì)算受迫振動(dòng)及系統(tǒng)并判斷是否產(chǎn)生共振）。設(shè)計(jì)目標(biāo)：力的頻率與固有頻率差大于20%。如果在±10%內(nèi)則系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)共振，因此為安全起見(jiàn)應(yīng)避開(kāi)±10%。對(duì)于大范圍變速的機(jī)組，避開(kāi)共振是不可能的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有效避開(kāi)常用工作轉(zhuǎn)速，選擇低速部分頻率。一般方法是使模塊的固有頻率（MNF）與動(dòng)力荷載頻率錯(cuò)開(kāi)一定百分比，稱(chēng)作調(diào)頻，如果調(diào)頻方式不管用，則需要修改結(jié)構(gòu)，即改變結(jié)構(gòu)整體剛度。

要點(diǎn)2：需要注意的是動(dòng)設(shè)備在不同的工況下激振力會(huì)明顯地改變；激振力的振幅和相位角隨工況和倍頻而改變。因此支架和底座應(yīng)具備足夠剛性，以控制振動(dòng)。不合理與合理的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較見(jiàn)圖4。

要點(diǎn)3：對(duì)于靠發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)等設(shè)備，機(jī)組間的相位不是固定的，同樣的機(jī)組仍可能存在一些轉(zhuǎn)速的差異，尤其是對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是將每臺(tái)壓縮機(jī)作為振動(dòng)源，簡(jiǎn)單相加而不是矢量和，計(jì)算最差的振動(dòng)情況的振動(dòng)。

圖4 不合理與合理的支撐結(jié)構(gòu)比較圖

3 振動(dòng)控制

由于振動(dòng)不可避免，所以為了提高平臺(tái)的可靠性和安全性，平臺(tái)振動(dòng)控制已經(jīng)成為海洋工程技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，并已開(kāi)始從理論研究、試驗(yàn)研究和方案設(shè)計(jì)分析研究向工程試點(diǎn)和應(yīng)用發(fā)展。許多隔振、減振技術(shù)已取得了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 隔振技術(shù)的應(yīng)用

振動(dòng)隔離簡(jiǎn)稱(chēng)隔振，是消減振動(dòng)危害的重要途徑之一。按振動(dòng)傳遞的方向，隔振可以分為2類(lèi)：主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振。前者是減小由物體擾動(dòng)引起的振動(dòng)，目的是隔離振源對(duì)基礎(chǔ)的危害；后者是減小基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)而引起的振動(dòng)，目的是隔離響應(yīng)。兩者概念雖然不同，實(shí)施方法卻是一樣的，都是在振源和減振體之間插進(jìn)彈性隔振體，依靠它的變形減輕振源對(duì)減振體的激勵(lì)[5]。

工程上常用的隔振形式有隔振器和隔振體系。隔振器形式非常多，如橡膠隔振器、金屬?gòu)椈伞型隔振器、空氣彈簧、軟木、泡沫橡膠等。隔振體系就是綜合運(yùn)用多種形式的隔振器進(jìn)行減振的結(jié)構(gòu)體系，常用的有疊層鋼板橡膠支座隔振體系、摩擦擺體系等，見(jiàn)圖5。

以上隔振方式的特點(diǎn)是將隔振器置于物體和基礎(chǔ)之間，作為彈性支撐，通過(guò)合理的參數(shù)選擇達(dá)到減振的目的。對(duì)于海上平臺(tái)的各種主電站，天然氣壓縮機(jī)等大型動(dòng)設(shè)備，這種通過(guò)改變結(jié)構(gòu)剛度，從而減小設(shè)備的振動(dòng)對(duì)平臺(tái)的影響的方法最經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

對(duì)設(shè)備的振動(dòng)控制可分為耗能減振和主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制與混合控制。阻尼減振又可分為材料阻尼減振、阻尼器減振、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）和調(diào)諧流體阻尼器（TLD）等。由于此類(lèi)振動(dòng)控制在海洋平臺(tái)上應(yīng)用較少，因此本文不做贅述。

3.2 動(dòng)設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)

由于海洋平臺(tái)上的設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，因此難免發(fā)生各種異常，例如：閥和密封環(huán)泄露、過(guò)大的連桿荷載、過(guò)大的排氣溫度、軸承老化等等問(wèn)題。因此有必要對(duì)動(dòng)設(shè)備采取狀態(tài)檢測(cè)，以避免事故的發(fā)生，及時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，并有利于設(shè)備的維修。

對(duì)動(dòng)設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)應(yīng)采用多元立體化手段有：（1）平臺(tái)上工作人員的定期查看和記錄；（2）振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集和評(píng)估；（3）潤(rùn)滑油分析；（4）系統(tǒng)、設(shè)備性能監(jiān)測(cè)；（5）其他所需監(jiān)控儀器，例如溫度場(chǎng)記錄儀、超聲波探測(cè)等[6]。

圖5 動(dòng)設(shè)備采用橡膠墊塊進(jìn)行隔振

4 實(shí)例分析

4.1 目標(biāo)平臺(tái)有限元模型

本文基本按照選定目標(biāo)平臺(tái)圖紙尺寸進(jìn)行建模，但是由于平臺(tái)的實(shí)際結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，設(shè)備繁多，所以在不影響整體計(jì)算結(jié)果的情況下，在建模過(guò)程中對(duì)平臺(tái)的某些局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

選定目標(biāo)平臺(tái)主要包括6層甲板，分別為直升機(jī)甲板（EL.38.3 m）、電器間房頂（EL.28.3 m）、鉆井甲板（EL.22.4 m）、井口甲板（EL.13.5 m）、中層甲板（EL.17.95 m）和臨時(shí)生活樓甲板（EL.32.3 m）。

選定目標(biāo)平臺(tái)最終的有限元模型如圖6所示，包括關(guān)鍵點(diǎn)1 069個(gè)，桿單元3 040個(gè)，單元總數(shù)27 801個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)53 957個(gè)。圖中的x軸、y軸和z軸分別代表縱向、橫向和垂向。

4.2 動(dòng)設(shè)備荷載

根據(jù)選定目標(biāo)平臺(tái)圖紙資料及設(shè)備清單，選定平臺(tái)上能產(chǎn)生振動(dòng)影響的設(shè)備有9個(gè)（表4），根據(jù)具體位置進(jìn)行加載。

4.3 結(jié)果分析

為進(jìn)行結(jié)果比較和評(píng)價(jià)，選取了平臺(tái)上的多個(gè)特殊點(diǎn)進(jìn)行了比較。這里以設(shè)備7、9周?chē)?個(gè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)果為例，對(duì)平臺(tái)上主梁交叉點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行比較，并對(duì)位移最大的4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平臺(tái)振動(dòng)評(píng)價(jià)。選擇的節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)結(jié)果分別見(jiàn)表5和表6。

圖6 有限元模型

通過(guò)對(duì)9種設(shè)備激勵(lì)計(jì)算分析結(jié)果，根據(jù)平臺(tái)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)結(jié)果如表5所示，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)ISO6954—2000（E）所規(guī)定進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出該平臺(tái)在這些設(shè)備同時(shí)工作時(shí)主要區(qū)域滿(mǎn)足舒適要求。如不滿(mǎn)足要求，則需更改結(jié)構(gòu)部件尺寸重新計(jì)算。

表4 選定目標(biāo)平臺(tái)組塊振動(dòng)設(shè)備位置、振動(dòng)位移及頻率

表5 選取提取結(jié)果的節(jié)點(diǎn)

表6 選取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

由于海洋平臺(tái)上的動(dòng)設(shè)備本身是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其中動(dòng)設(shè)備的脈沖振動(dòng)、管系振動(dòng)以及撬塊內(nèi)部緩沖期減振效果等由于振動(dòng)較小，所以不作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，但淺水海域海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)主要考慮動(dòng)設(shè)備對(duì)平臺(tái)的影響，而動(dòng)設(shè)備與平臺(tái)連接形式、動(dòng)設(shè)備的布置以免產(chǎn)生共振是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所關(guān)心的主要問(wèn)題。除了動(dòng)力學(xué)分析之外，還需要對(duì)海洋平臺(tái)進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)分析和對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析。振動(dòng)控制也主要集中在改變結(jié)構(gòu)剛度、設(shè)備基座、或者改變支撐或橫撐結(jié)構(gòu)形式等等。

此外，深水固定式平臺(tái)水深大于120 m時(shí)，振動(dòng)分析中還應(yīng)考慮風(fēng)浪流等環(huán)境作用。吊機(jī)起升作業(yè)及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也會(huì)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大振動(dòng)影響，有待進(jìn)一步研究。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析仍然有廣泛的研究?jī)?nèi)容和前景。

[1] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì)．海洋石油工程設(shè)計(jì)指南第2冊(cè)：海洋石油工程機(jī)械與設(shè)備設(shè)計(jì)[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2007．

[2] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì)．海洋石油工程設(shè)計(jì)指南第4冊(cè)：海洋石油工程平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2007．

[3] 唐友剛．高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M]．天津：天津大學(xué)出版社，2002．

[4] 中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部設(shè)計(jì)研究院主編：GB 50040—96動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)建筑業(yè)出版社，1998.

[5] 陸建輝，彭臨慧，李華軍．固定式近海石油平臺(tái)振動(dòng)控制研究[J]．中國(guó)造船，2000，41（3）：63-68．

[6] 劉菊娥，王巍巍，羅超，等．海上固定平臺(tái)在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備作用下的振動(dòng)有限元分析[J]．中國(guó)造船，2010，51（增刊2）：7-14.

Study on Vibration of Offshore Platforms under the Inf l uence of Dynamic Equipment

LUO Chao，WANG Weiwei，YANG Jianghui，HAN Xiao，ZHOU Nan
(Offshore Oil Engineering Co., Ltd.，Tianjin 300451, China)

The vibration mechanism of the offshore platforms and the model of the vibration sources have been summarized in this paper. In addition, a detailed illustration has been given on the analyzing process and the key points of the structural dynamics. The key technologies of the platform-structural design under the inf l uence of dynamic equipments are expatiated with project examples. Finally, the measures to control the vibration of the dynamic equipments have been put forward, which can be used for reference to platform-structural design.

offshore platform; dynamic equipment; vibration.

TE952；TB53

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2012.04.101

1008-2336（2012）04-0101-07

2012-03-14；改回日期：2012-05-11

羅超，男，1981年生，碩士，工程師，從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)研究。E-mail：luochao@mail.cooec.com.cn。