模态分析技术在解决平台甲板高振动问题中的应用
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摘 要：随着近些年海洋石油工业的蓬勃发展，部分海上平台的现有设施已经满足不了产量、工艺流程上的要求，所以海上平台设施改造的项目越来越多。但是在许多改造项目中，由于受众多因素的影响，只考虑到了满足工艺流程的需求，却对设备下方的甲板等钢结构方面考虑不周，造成设备附近甲板出现高振动，无法保证设备正常运行。本项目通过运用模态分析技术至少能使注水泵甲板振动降低50%以上，电机轴承寿命至少可提高为原甲板结构作用下的2倍以上。
关键词：模态分析；注水泵甲板；高振动
中图分类号：TV312 文献标识码：A
1 背景
某海洋平台注水泵甲板自2009年改造投用后，四台注水泵在累计运转时间不到半年的情况下，电机轴承相继出现故障，设备布局图如图1所示（红线部分为新增加的甲板及支撑）。
状态监测技术人员运用状态监测技术进行频谱分析认为，电机轴承内外滚道存在严重故障。从拆下的轴承上看，主要问题是轴承内外滚道上存在凹痕。 而且从日后每次拆下的电机轴承来看，基本都是同一问题。从设备检修历史来看，在2012-2013两年时间里4台机组共进行了大大小小近40次维修（包括电机和泵部分的维修）。拆检下的电机轴承如图2所示。
2 模态分析技术的应用
目前状态监测已有技术只是针对设备本身进行诊断分析，但是鉴于海上平台的特殊性，所有设备都是整体安装在钢结构甲板上，一旦甲板存在某些问题，也会造成设备的频繁损坏，不仅浪费大量的人力物力，还严重影响平台的安全生产。所以说目前状态监测已有手段已不能满足实际需求。该项目是以模态试验分析为基础，丰富状态监测的技术手段，增加对设备撬块及甲板进行分析评估的能力，建立起一套先进、稳定、可靠的甲板分析评估技术。
2.1 模态分析技术的引进
我公司为了彻底解决因平台注水泵甲板高振动造成电机轴承频繁失效的问题，保证平台设备的安全生产，引进了模态分析技术，并出海进行甲板测试。
甲板模态测试采用工作模态分析方法（OMA），通过A-P231A/B两台电机同时运转状态下测量甲板上各点的振动响应，以测点2为参考点，获得其余测点相对参考点的传递率进行模态参数识别来得到结构的频率、阻尼及振型等模态参数，如图3所示。
2.2 测试结果
通过平台振动与模态测试，及结合状态监测多年监测的设备振动历史数据可得到以下结论：
（1）电机振动存在随转频的周期性振动，且地脚振动值与轴承处振动值接近，主要由甲板振动传递、支撑刚度薄弱或不均匀所致；
（2）A-P231B单独运行时对A-P231A影响较大，最大处在电机负荷端垂直方向烈度达3.0mm/s，此时极易出现点蚀磨损，且各工况下电机轴承均已出现少量磨损；
（3）振动大小变化明显，呈周期性变化（周期37S），电机发出‘嗡嗡’声音，231A停机后此现象消失，因此电机存在拍振问题；同时电机振动受到风载和海浪的低频调制影响；
（4）电机在各种工况下均存在左右摆动现象，其主要原因是由于电机左右支撑刚度分布不均匀所致，左右摆动影响电机电磁力发生变化引起电机振动，导致轴承承受载荷增大，缩短轴承寿命；
（5）电机除存在左右摆动现象外，还存在上下扭动现象，其主要原因是由于电机支撑的对角线上刚度不均匀造成的，电机上下扭动也会导致轴承承受载荷增大，缩短轴承寿命。
2.3 优化策略
由测试和仿真结果可知，电机前端振动较大和电机左右两端支撑刚度不均匀，导致电机出现左右摆动和上下扭动现象。针对上述现象，振动优化策略如下：
（1）通过改变甲板支撑来优化甲板振型，使其振型更利于电机位置的振动；
（2）在保证甲板刚度的同时，尽可能均匀设计撬块四个角附近的甲板刚度，以保证甲板在振动过程中尽可能减少对电机的影响。
2.4 改造方案
甲板上的一根支撑去掉，电机前端延伸两根梁，泵处增加一根筋板，如图4所示。
与原结构振动进行对比，可以得出结构在50Hz激励作用下，甲板和电机的振动均得到较大幅度的降低，部分测点最大降幅超过90%，优化后减振效果较为明显。从CAE仿真测点振动数据来看，优化方案相对原结构有很大程度的改善，且优化后电机振动均小于3mm/s，满足振动要求，如图5所示。
根据滚子轴承寿命计算公式：
从上述公式可以得出，优化前后轴承的转速、基本额定动载荷C不变，当甲板振动降低50%以上，其对轴承的动载荷至少可降低20%以上。因此，可以得出在相同测试条件下，优化后电机轴承寿命至少可提高为原甲板结构作用下的2倍以上。
经过现场结构整改后，甲板的振动高点降振幅度超过50%，局部可达70%，电机轴承运行时间已超过一年，目前状况良好。
参考文献
[1]赵得有，金咸定.船体振动学[M].上海：上海交通大学出版社，2000.
[2]韩国明，刘玉民，谭钧.试验模态分析与有限元耦合技术[J].机械强度，1990（02）：11-14.
作者简介：王永顺，男，天津市滨海新区、中海油能源发展装备技术有限公司，工程师、学士，研究方向：状态监测、模态分析。