摘要：海洋平台上有很多振动设备如压缩机、泵等，这些设备内部转子的往复运动导致高频振动，对平台结构、杆件的稳定造成影响，长期振动下使平台结构出现疲劳，同时设备振动会产生噪音和震感，对平台上的人员身心健康也造成严重影响。文章基于渤海某平台，相关数据均来源于该平台。通过对该平台在压缩机作用下的振动响应，研究压缩机振动对平台的影响，优化该区域结构设计。

　　关键词：海洋石油平台；压缩机；振动区域；结构优化

　　0引言

　　海洋平台作为海洋资源开发的基础性设施、海上生产生活的基础，会受到风、浪、流、冰以及地震等环境荷载的影响，同时在平台上部模块局部还会受到设备运行时的静、动荷载影响。对于平台结构而言，即使强度足够，但很难避免在平台的某些局部位置发生较大的振动响应，影响平台安全生产作业。因此，研究分析平台结构所遭受的振动荷载，规范科学地分析评估方法，进而优化振动设备的结构支撑形式，对降低平台开发成本、提高安全生产质量具有重大的意义。

　　本研究基于渤海某平台，对典型的压缩机支撑结构进行了动力特性分析。设计方案具备一定的现场调整余量，以降低往复式压缩机运行过程中的高振动值。

　　1海洋平台压缩机区域甲板结构设计

　　1.1典型压缩机布置及支撑要求

　　典型压缩机撬块一般以H700×300的型钢为底座。撬块重量一般在100 t以上，撬块尺寸一般为10 m×5 m以上，因此一般布置在轴线之间。压缩机的焊接要求如图1所示。

　　1.2结构布置

　　本文推荐将压缩机与海洋工程平台结构作为统一模型进行分析。若压缩机设计方和平台设计方为独立方时，建议压缩机设计方在进行设计过程中考虑推荐的支撑结构作为边界进行分析。若压缩机设计方对压缩机内部校核，无法满足其振动分析准则时，可对结构形式进行加强。

　　(1)压缩机主支撑应延伸至临近轴线；

　　(2)支撑结构的型材应不大于主轴线型材，若其刚度不足以满足压缩机设计需求时，可考虑采用三翼缘型材，或以增加筋板的形式进行加强。

　　底座结构形式[1]如图1中黑粗线为压缩机底座，红线标注部位为压缩机的主要支撑结构。

　　1.3型材选择

　　推荐使用屈服强度355 MPa或以上的高强钢作为主型材进行设计。

　　2海洋平台结构振动分析

　　海洋平台结构在压缩机振动激励下的振动响应分析仅对压缩机所在的平台结构进行分析，分析过程不包含压缩机本身及其内部结构的振动分析。建议以ANSYS软件为基础，若采用其他软件，也可采用该分析方法。

　　2.1基础数据需求

　　振动分析计算开始前，应首先搜集如下资料：

　　(1)平台总图、平台设备布置图；

　　(2)平台结构图纸、平台重控；

　　(3)压缩机详细参数，包括撬座图纸，压缩机内部结构图及重量分布，压缩机激振力；

　　(4)压缩机激振数据及数据处理，见2.5节。

　　2.2结构建模

　　实际的海上平台设施结构复杂，设备繁多，要建立起与之相对应的完整的有限元模型将会十分困难。若经过适当简化，则可以认为海上平台设施主要由管结构、梁结构、板结构和其上的相关设备共同组成。这样在ANSYS建模时，将就可以使用PIPE单元、BEAM单元、SHELL单元和MASS单元来分别模拟管结构、梁结构、板结构和设备[2]。模型规模建议为完整的平台组块结构，小型设备以及附属构件等以修改对应区域材料密度的形式考虑。若通过有效的分析确定可以减小模型规模的，可按最小规模建立。一般状况下，局部模型将得到较保守的结果。

　　2.3单元选择

　　为了尽可能真实地模拟海上平台设施的振动行为，应从ANSYS单元库里选择合适单元的来建立海上平台设施的有限元模型。常见的建模时的单元选择如表1所示。

　　模拟海上平台设施的管结构、梁结构和板结构时，在ANSYS单元选择上有较大灵活性。为了尽可能准确地模拟出各种结构的力学行为，在选择单元时应综合考虑模拟对象、模拟目的和单元性能等几方面，作出尽可能合理的单元选择[3]。

　　2.4振动分析

　　推荐使用结构振动分析流程进行分析。在进行动态响应分析方法时，可采用谐响应分析方法或瞬态分析方法。进行动力响应分析，是通过对结构模型在动荷载作用下响应的计算，获取结构模型的响应，通过响应结果分析结构是否满足设计需求[4]。

　　进行分析时采用的关键参数如下：

　　(1)对于谐响应分析，若采用模态叠加法，则计算的模态应至少包含激励频率的1.5倍，激励的频率范围，应至少包含压缩机工作频率的±20%。计算时使用的阻尼比建议使用0.02，激励的荷载由压缩机设计方提供。

　　(2)对于谐响应分析，若采用完全法进行分析，激励的频率范围，应至少包含压缩机工作频率的±20%。计算时使用的阻尼比建议使用0.02。

　　(3)对于瞬态分析方法，建议使用压缩机工作频率作为时程曲线进行输入，时间步长至少为1/20 s。阻尼比建议使用0.02，瑞利阻尼的计算建议使用关心的频率范围的初始值和最终值进行计算。

　　(4)动力响应分析结束后，应输出所需评估节点的位移及速度响应，获取最大响应值，进行数据分析，同时输出响应时程曲线，或响应频率曲线作为分析数据依据。

　　首先，建立压缩机设备有限元模型和压缩机底座有限元模型。其次，建立平台有限元模型。这里指的平台有限元模型，分为整体平台的模型、压缩机所在的整层甲板模型以及压缩机区域的局部甲板模型。具体采用多大规模的平台有限元模型，视压缩机振动传播范围大小而定，有限元单元类型和边界条件按照相关报告确定。

　　有限元模型建立完毕以后，使用压缩机设备有限元模型计算输出振动激振力，然后将压缩机底座有限元模型与平台有限元模型组合，再施加上述振动激振力，进行模态分析，计算固有频率以及模态振型。如果固有频率满足相关标准，则可以初步认为结构振动特性合格，在后续的分析中不会出现较大的响应；如果固有频率不满足相关标准，结合模态分析结果计算模态阻尼，再进行动力刚度分析(谐响应分析)。随后将模态阻尼和主要振动激振力输入压缩机底座与平台组合有限元模型，进行瞬态动力分析，得出平台准确振动响应。如果平台准确振动响应满足相关标准，则可以认为结构振动特性合格，提交报告；如果平台准确振动响应不满足相关标准，则需适当方法调整结构，设计修改，再重新进行振动分析[5]。

　　2.5输入数据及数据处理

　　压缩机设备的激励数据应通过压缩机撬块振动分析给出。

　　(1)若压缩机设计方采用谐响应分析方法，则提供的压缩机反力数据应如表2所示。

　　压缩机设计方计算提供的反力应该包含反力幅值的实部和虚部，用来模拟压缩机不同点的不同振动叠加及响应滞后。

　　利用以上两组数据，可以得出对应点的反力幅值和相位角，使计算模拟准确。若压缩机模型中节点的位置与甲板结构节点不对应，则按照位置相近位置叠加方法进行加。

　　(2)若压缩机设计方使用瞬态分析方法，则提供的数据应为与时间相关的反力时程曲线及其值。

　　(3)若压缩机设计方可提供压缩机分析详细有限元模型，则其模型可导入到组块结构振动分析模型中进行振动分析，振源激振力加载于压缩机对应位置。

　　(4)为减小计算规模，压缩机模型可简化为超单元模型。

　　3结论

　　对海洋平台的结构振动分析[6]，建议的评价标准如1～80 Hz全频率计权均方根值不同区域适居性评价准则如表3所示。

　　目前的通用标准规范是基于人员舒适度评价，对于无人平台，可以与业主讨论许用的限制，若结构振动限值在45 mm/s以上，则需要进行疲劳分析。

　　4结语

　　对海上平台的天然气压缩机等大型振动设备[7]，本文的分析科学规范，优化了振动设备的结构布置形式，改变了结构刚度。设计方案具备一定的现场调整余量，能够减小设备的振动对平台的影响，该方法是经济实用的。

　　参考文献：

　　[1]住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.钢结构设计标准：GB 50017—2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2018.

　　[2]李浩月，周田朋，刘相新.ANSYS工程计算应用教程[M].北京：中国铁道出版社，2003.

　　[3]王国强.数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，1999.

　　[4]倪振华.振动力学[M].西安：西安交通大学出版社，1989.

　　[5]陆建辉，彭临慧，李华军.固定式近海石油平台振动控制研究[J].中国造船，2000，41(3)：63-68.

　　[6]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

　　[7]黄莲英.平湖油气田平台天然气压缩机橇甲板的振动分析[J].中国海洋平台，2001，16(5-6)：54-57.