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摘要：在高度自动化的海洋油气开发流程中，大量的机械设备被应用于海洋平台上，越来越多的机械振动也随之出现在平台上。为了避免过度的振动影响平台作业人员的工作与生活，甚至危害身体健康，对海洋平台的机械设备进行的振动分析是非常必要的。本文从平台振源设备的种类和造成振动的原理入手，结合完整的机械振动分析实例，简要的说明海洋钢构平台机械振动分析的过程与要点，并结合发展现状给出若干建议。
关键词：机械振动；海洋平台； 振动分析
【中途分类号】F407.47
随着海洋油气开发的高速发展，大量的机械设备被应用在海洋平台上，用于油气的生产、处理、外输等，提高了生产效率，降低了人工劳动强度。机械振动，作为设备运转的一种主要的副产品，随之而来的更多出现在平台上。相对轻微的振动可致人厌倦、烦躁、疲劳，影响工作人员的工作效率与操作安全。更大的振动则可能危害身体健康，给人的生理和心理造成损害。为避免机械振动对人的危害，保障平台作业人员的安全、并提供健康、舒适的工作、生活环境，对机械振动进行分析、判断，并适当控制和降低振动是非常必要的。
1 振源种类与机制
海洋石油平台系统复杂，机械设备众多。对于由于装配、安装误差所导致的短期振动，一般在试机和调试阶段可由专业人员察觉、检测到，并予以修正，减弱或消除振动。在平台生产期间，由于磨损、疲劳等所导致的机械振动，一般可由平台工作人员或维保人员察觉，并通过检测确定，如不能及时采取措施控制振动，则需进行进一步的振动分析。
对于旋转式设备、往复式设备等，尽管设备厂商都着力于采用各种措施、机制以减小振动，但在目前条件下仍无法完全实现消除振动。另外，由于此类设备运转期间稳定的输出振动，是考虑振动影响的最重要的一类振动源。
通常可能引起稳定振动的设备可大致分为以下两类：1）往复式设备，如往复式压缩机、往复式注入泵等；2）旋转式设备，如燃气透平、旋转式压缩机等。机械设备产生振动的原因千差万别，但基本上来自于不平衡：1）设计上未能完全实现平衡，如往复式设备的往复运动惯性力未能被完全平衡掉；2）加工、制造误差所导致的不平衡，如转子质量中心未能实现正对轴心。
2 机械振动分析
本部分结合某气田开发项目机械振动分析实例说明分析的过程与要点。按照该气田开发的工艺流程，所产天然气通过中心平台外输上岸，为保证所产天然气的顺利外输，需要对所产天然气预先加压，因此在平台上设置压缩机组。就此对所设置压缩机的机械振动对平台作业人员的影响进行分析。本文振动分析实例使用Bentley公司的SACS软件完成建模、计算与规范校核全过程。
2.1 确立分析对象并明确基础数据
如图1所示，由3台气体压缩机组成的气体压缩机组置于平台顶层甲板一角、大悬臂甲板部分。单台气体压缩机由燃气轮机（索拉公司的Taurus70）和压缩机（索拉公司的C41气体压缩机）组成，通过3个支点支撑在甲板梁上。
图1 平台顶层甲板气体压缩机组位置示意图
按照设备厂商提供的数据，确定单台压缩机工作时产生的最大载荷为：
1） 扭矩：Tmax=10.737 kNm （频率范围6000 ～ 12000 RPM，正弦分布）；
2） 力：Fmax=1.335 kN。
2.2 建立模型、施加载荷并设定边界条件
由于分析目的为压缩机振动对设备周围区域平台人员的影响，而且振源频率极其远离平台自振频率（平台整体自振周期约3秒，组块自振频率约0.9秒），在建立用于振动分析的模型时，可以适当考虑控制模型规模，即可以减少工作量，对结果精度也不会产生判定性的影响。本文分析模型仅考虑组块模型，未计入导管架部分。
振动工况下的结构、设备、环境等以适当静力载荷形式加入模型，并将组块支点进行位移限定。
2.3 求解动力特征
求解模型的自振特征，获得刚度矩阵、质量矩阵、自振频率和振型，用于后续求解振动响应。所取自振频率应覆盖可能引起共振效应的振源频率，本计算求解了220阶自振频率，第220阶自振频率为0.003秒。
2.4 求解振动响应
考虑振源设备的外形尺寸、内部构造与支点类型，确定振动输入。压缩机振动被置于压缩机轴心高度，并通过大刚度的构架（构架节点全固结）传递到平台上的三个支点。在确定振动输入后，求解模型的振动响应，由于后续校核规范全部使用位移标准，对应不同振动频率的节点位移作为直接输出。
图2 压缩机组模型及振动载荷示意图
2.6 规范校核
目前阶段，尚未制定专门针对海洋平台振动影响的规范，一般参考使用的主要规范及条款有以下3组，针对不同的情况使用不同的校核标准：
1） 壳牌公司（SHELL）的CDG的D-Line曲线，校核公式为：
A=Vmax/（2πf），其中Vmax=149， A为振动位移，f为频率。
意义：对应频率的振动位移小于规定值，认为人员可以在该区域进行有效的维护、维修工作。
2） 造船与轮机工程师协会（SNAME）规范，校核公式为：
A=Vmax/（2πf），其中Vmax=293，A为振动位移，f为频率。
意义：对应频率下的振动位移小于规定值，认为人员可以在该区域长时间停留（超过1小时）。反之，不可以停留超过1小时，更不能有效地進行维护、维修工作。
3） 美国海军的标准MIL-STD-167，校核公式为：
A=762.645（60/f）2，当f<=1200 RPM
A=3.625（60/f）0.21447，当1200 RPM A=11185（60/f）2，当f>5400 RPM
其中A为振动位移，f为频率。
意义：美国海军船舶对所装备机械设备的振动要求，对应频率下的振动位移小于规定值，认为该设备可以用于海军船舶，反之，则不满足海军船舶的使用要求。
本工程设计实例要求具备在不停产情况下进行检测、维护的条件，因此使用壳牌公司（SHELL）的CDG的D-Line曲线进行校核，振动校核结果满足要求（最大UC值为0.141，远小于1）。
3 结论
基于海上油气开发高可靠性的要求，海洋平台上使用的机械设备一直秉承较高的选型标准，其振动也相对较小，这一点可以从本文实例分析中得到。另一方面，海洋钢构平台，相对陆地混凝土基础，具有更小的阻尼与惯性质量，同样强度的振源设备易引起更大的振动响应，因此，不能简单的套用机械设备的陆地使用经验。同时，为节约工作量，并避免遗漏，在进行详细的计算分析之前，首先应对平台所有设备的振动风险进行全面的筛选与初步的判断。
参考文献
[1] 严济宽.机械振动隔离技术[M].上海科学技术文献出版社，1985：139-158.
[2] 孙刚，余建星，景海泳.海洋平台噪声风险评估与管理研究[J].石油矿场机械，2013，42（1）： 9-13.
[3] 郑月珍.旋转机械振动监测和分析[J].燃气轮机技术，2010，23（1）： 39-44.
关键词：机械振动；海洋平台； 振动分析
【中途分类号】F407.47
随着海洋油气开发的高速发展，大量的机械设备被应用在海洋平台上，用于油气的生产、处理、外输等，提高了生产效率，降低了人工劳动强度。机械振动，作为设备运转的一种主要的副产品，随之而来的更多出现在平台上。相对轻微的振动可致人厌倦、烦躁、疲劳，影响工作人员的工作效率与操作安全。更大的振动则可能危害身体健康，给人的生理和心理造成损害。为避免机械振动对人的危害，保障平台作业人员的安全、并提供健康、舒适的工作、生活环境，对机械振动进行分析、判断，并适当控制和降低振动是非常必要的。
1 振源种类与机制
海洋石油平台系统复杂，机械设备众多。对于由于装配、安装误差所导致的短期振动，一般在试机和调试阶段可由专业人员察觉、检测到，并予以修正，减弱或消除振动。在平台生产期间，由于磨损、疲劳等所导致的机械振动，一般可由平台工作人员或维保人员察觉，并通过检测确定，如不能及时采取措施控制振动，则需进行进一步的振动分析。
对于旋转式设备、往复式设备等，尽管设备厂商都着力于采用各种措施、机制以减小振动，但在目前条件下仍无法完全实现消除振动。另外，由于此类设备运转期间稳定的输出振动，是考虑振动影响的最重要的一类振动源。
通常可能引起稳定振动的设备可大致分为以下两类：1）往复式设备，如往复式压缩机、往复式注入泵等；2）旋转式设备，如燃气透平、旋转式压缩机等。机械设备产生振动的原因千差万别，但基本上来自于不平衡：1）设计上未能完全实现平衡，如往复式设备的往复运动惯性力未能被完全平衡掉；2）加工、制造误差所导致的不平衡，如转子质量中心未能实现正对轴心。
2 机械振动分析
本部分结合某气田开发项目机械振动分析实例说明分析的过程与要点。按照该气田开发的工艺流程，所产天然气通过中心平台外输上岸，为保证所产天然气的顺利外输，需要对所产天然气预先加压，因此在平台上设置压缩机组。就此对所设置压缩机的机械振动对平台作业人员的影响进行分析。本文振动分析实例使用Bentley公司的SACS软件完成建模、计算与规范校核全过程。
2.1 确立分析对象并明确基础数据
如图1所示，由3台气体压缩机组成的气体压缩机组置于平台顶层甲板一角、大悬臂甲板部分。单台气体压缩机由燃气轮机（索拉公司的Taurus70）和压缩机（索拉公司的C41气体压缩机）组成，通过3个支点支撑在甲板梁上。
图1 平台顶层甲板气体压缩机组位置示意图
按照设备厂商提供的数据，确定单台压缩机工作时产生的最大载荷为：
1） 扭矩：Tmax=10.737 kNm （频率范围6000 ～ 12000 RPM，正弦分布）；
2） 力：Fmax=1.335 kN。
2.2 建立模型、施加载荷并设定边界条件
由于分析目的为压缩机振动对设备周围区域平台人员的影响，而且振源频率极其远离平台自振频率（平台整体自振周期约3秒，组块自振频率约0.9秒），在建立用于振动分析的模型时，可以适当考虑控制模型规模，即可以减少工作量，对结果精度也不会产生判定性的影响。本文分析模型仅考虑组块模型，未计入导管架部分。
振动工况下的结构、设备、环境等以适当静力载荷形式加入模型，并将组块支点进行位移限定。
2.3 求解动力特征
求解模型的自振特征，获得刚度矩阵、质量矩阵、自振频率和振型，用于后续求解振动响应。所取自振频率应覆盖可能引起共振效应的振源频率，本计算求解了220阶自振频率，第220阶自振频率为0.003秒。
2.4 求解振动响应
考虑振源设备的外形尺寸、内部构造与支点类型，确定振动输入。压缩机振动被置于压缩机轴心高度，并通过大刚度的构架（构架节点全固结）传递到平台上的三个支点。在确定振动输入后，求解模型的振动响应，由于后续校核规范全部使用位移标准，对应不同振动频率的节点位移作为直接输出。
图2 压缩机组模型及振动载荷示意图
2.6 规范校核
目前阶段，尚未制定专门针对海洋平台振动影响的规范，一般参考使用的主要规范及条款有以下3组，针对不同的情况使用不同的校核标准：
1） 壳牌公司（SHELL）的CDG的D-Line曲线，校核公式为：
A=Vmax/（2πf），其中Vmax=149， A为振动位移，f为频率。
意义：对应频率的振动位移小于规定值，认为人员可以在该区域进行有效的维护、维修工作。
2） 造船与轮机工程师协会（SNAME）规范，校核公式为：
A=Vmax/（2πf），其中Vmax=293，A为振动位移，f为频率。
意义：对应频率下的振动位移小于规定值，认为人员可以在该区域长时间停留（超过1小时）。反之，不可以停留超过1小时，更不能有效地進行维护、维修工作。
3） 美国海军的标准MIL-STD-167，校核公式为：
A=762.645（60/f）2，当f<=1200 RPM
A=3.625（60/f）0.21447，当1200 RPM
其中A为振动位移，f为频率。
意义：美国海军船舶对所装备机械设备的振动要求，对应频率下的振动位移小于规定值，认为该设备可以用于海军船舶，反之，则不满足海军船舶的使用要求。
本工程设计实例要求具备在不停产情况下进行检测、维护的条件，因此使用壳牌公司（SHELL）的CDG的D-Line曲线进行校核，振动校核结果满足要求（最大UC值为0.141，远小于1）。
3 结论
基于海上油气开发高可靠性的要求，海洋平台上使用的机械设备一直秉承较高的选型标准，其振动也相对较小，这一点可以从本文实例分析中得到。另一方面，海洋钢构平台，相对陆地混凝土基础，具有更小的阻尼与惯性质量，同样强度的振源设备易引起更大的振动响应，因此，不能简单的套用机械设备的陆地使用经验。同时，为节约工作量，并避免遗漏，在进行详细的计算分析之前，首先应对平台所有设备的振动风险进行全面的筛选与初步的判断。
参考文献
[1] 严济宽.机械振动隔离技术[M].上海科学技术文献出版社，1985：139-158.
[2] 孙刚，余建星，景海泳.海洋平台噪声风险评估与管理研究[J].石油矿场机械，2013，42（1）： 9-13.
[3] 郑月珍.旋转机械振动监测和分析[J].燃气轮机技术，2010，23（1）： 39-44.