Vibration, dynamics and noise

formerly BETA Machinery Analysis and SVT Engineering Consultants

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结构振动及其控制方法

(平台,浮式生产储运油轮)

动态载荷有多种形式。有两个参数可以描述这种载荷:量级和频率分布。当动态载荷的频率分布低于其所在结构的结构固有频率时,动态载荷可用静态载荷取代。有些人会称之为准静态分析或负荷,实际上这是提示它是通过对静载荷效应的预测来估算等效动态载荷的效应。大多数环境载荷(风、地震、浪、交通运输)可以被等效准静态力取代。

当动态载荷的频谱和其所在结构的结构固有频率在同一范围内时,这种近似取代就无效了。这种情况发生于大多数机械(压缩机、泵、引擎等),其所产生载荷的频谱,与其所在结构(平台、浮式生产储运油轮等)的结构固有频率重合。在这种情况下,只有通过动态分析,才能精确预测该结构对载荷的放大响应。这种载荷不能被等效准静态力所取代。

更具有挑战的问题是,实际上这些设备和安装撬块不能被视为黑盒。它们会和基础、平台或者浮式生产储运油轮相互作用;唯一可以了解该相互作用程度的方法,是进行包含基础分析的结构动态分析。这是一个关键的分析内容,如果忽略将极大程度降低机械的可靠性,并可能引发安全问题。

1 结构振动和共振
图1:海上结构的共振和振动是个常见问题

当压缩机、泵以及引擎产生的动态力,引起甲板横梁振动时,结构振动就产生了。这种振动导致管道故障、设备可靠性欠佳以及安全问题。振动是由于结构与机械共振而引起的。术语“共振”,指的是当动态力作用频率和支撑结构的结构固有频率吻合而产生的现象。共振时,力可能会被放大至20倍,并导致甲板横梁振动,超过安全运行极限。

请参见北塔的培训视频模块1获取更多关于共振的详细解释。

结构共振问题并不仅发生在大功率设备上,其也可发生在小型往复式泵或压缩机上,如下例所示。避免结构共振的最好方法就是妥善进行结构振动和动态设计分析

2 结构共振案例

结构共振是一个常见问题,但其是可以避免的。以下这些案例,和其它许多案例都可以说明结构振动和共振问题,以及避免结构振动所使用的方法(请联系北塔,了解细节):

图2:撬块和甲板横梁振动的现场测试
图3:评价风暴载荷,是准静态分析的一个例子。图片来自壳牌国际有限公司
  • 案例1:750 HP 燃气增压压缩机。即使有巨型甲板梁支持该撬块,结构振动仍超过振动标准允许值10倍(图2)
  • 案例2:小型泵系统引起的共振,振动造成传动系统持续故障,影响了关键生产过程的可靠性。
  • 案例3:在现有平台上安装新压缩机的项目。该安装项目的成功,说明了海上项目计划阶段和现场设备调试阶段的合理的技术需求的重要性。
  • 案例4:海上采油船上有三台大型压缩机安装在一个模块上。该案例研究说明了压缩机撬块动态和结构动力分析研究的整体方法。
3 结构振动分析和静态分析

我们建议为海上生产设备进行静态、准静态以及结构振动(动态)分析。由于这些术语容易混淆,以下我们将解释它们的不同,并说明其适用于何种评估。

静态分析    用于评估应力以及在计算定载荷下的部件弯曲。定载荷,亦可理解为在0赫兹(Hz)下的载荷。此类分析也可注重于撬块部件的形变,而形变会影响到设备对齐校准。

准静态分析    用于评估周期性载荷的影响,但仅适用于频率足够低(相对于设备固有频率而言)时,此时结构的惯性效应不会起作用。通常其频率低于每秒3个周期,或3赫兹。

结构振动(动态)分析    用于预测机械自身的动态力效应,以避免共振发生。动态载荷包括不平衡力、由设备未对中造成的作用力、脉动力、十字头力、气缸气体力、力矩以及其他力的作用(请见图表5,往复式压缩机的动态力示例)。这些机械产生的载荷发生于不同的频段,并会引起该频段的结构共振。

结构动态分析    用于评估振动等级和应力。控制结构的振动,对于控制相关设备、容器以及管道振动具有重要意义。如果撬块部件具有高幅振动,那么上述设备系统部件也很可能经受高幅振动。

以上三种分析的可应用载荷频率范围以及相关设计标准,列于图表4和表格1中(见下):

图表4:静态、准静态以及动态分析的设计标准
表格1:结构设计研究比较
静态分析 准静态分析 振动(动态分析)

载荷: 
 

  • 静载荷,包括永久性设备的重量
  • 热载荷包括由气温和压力变化产生的力
  • 压缩机和发动机的驱动转矩
  • 使用起重机或绞车移动时的升降或拖拽载荷。这些载荷包括一个载荷系数,考虑到吊装设备产生的突然停止或移动的影响(比如海上吊装)。通常这个载荷系数在1.15到2.0之间。
  • 倾斜,当船只倾向一边时,产生水平载荷。

载荷:​
 

  • 环境载荷,包括风浪、水流、地震、冰、地表运动以及发生于任何方向的静流压力
  • 建筑载荷,包括装载、运输和安装
  • 也可对某些载荷(比如风浪)的影响进行疲劳分析

载荷——往复式压缩机示例(其他载荷发生于泵中)

  • 载荷——往复式压缩机示例(其他载荷发生于泵中)
  • 由旋转和往复部件(比如曲轴、活塞组件)产生的不平衡力
  • 由气缸头部和曲柄端之间的压差产生的气缸气体力
  • 十字头力引发的垂直方向力
  • 管道系统的脉动力
  • 由部件未对中产生的力
  • 发动机的滚转力矩
  • 扭振,可能引发压缩机主机的水平振动
4 优化设计方法,可以降低重量、成本,避免共振

业内常见方法是增加甲板横梁的尺寸和占地。此方法会极大增加结构成本和设备重量——并不实用。并且,其也不能保证能够避免共振。

动态分析的方法是准备精确的有限元(FE)模型,包括动态载荷、撬块以及受到影响的结构部件。具有多年经验的北塔团队,已经研发出一系列专业化技术,来保证精确的有限元模型。已经过实践检验的模型,结合动态力分析,可用于识别共振发生的位置、评估可能的解决方案。

为压缩机或者泵机组设计钢结构支撑,需要考虑刚度、质量以及成本。高刚度有助于避免共振问题,但过度使用过大的横梁,将影响到重量和成本。优化设计方法可以判断在关键位置增加或减少材料,以最大程度增加刚度,降低成本。这项分析应当为业主节省相当可观的成本——其价值远远超出工程设计的投入成本。

5 结构动态分析与撬块动态分析和机械系统分析相结合

设计过程中,结构工程师将进行静态分析。一个结构振动分析,如果由象北塔这样的动态分析专家来进行,会将动态撬块分析与压缩机/泵系统的动态模型整合于结构振动分析中。

结构动态分析为什么要由专业的振动/动态工程公司(比如北塔)来完成呢?有以下几个原因:

  • 基于对机械动态力(频率、大小以及随运行工况的变化)的精确了解,才能进行动态分析评估。这些力,结构工程师无法确定,它们是通过脉动研究、机械分析以及其他分析确定的。
  • 相比静态模型,动态有限元模型有很多修改和变化。这些对模型的修改要基于平台或海上泊船的现场测试。需要利用振动测试设备、动态振动研究以及其他现场测量方法。
  • 需要合理的边界条件假设,来获得精确结果。在同样的动态载荷下,一个平台上的两个设备也许会有截然不同的振动效果。这是因为支撑结构的柔性影响了机器各自的动态行为。撬块和机械动力研究,整合了甲板模型,能保证精确的边界条件。
  • 基于北塔经验,我们会使用ANSYS或其他等效软件来进行有限元建模。为了提高分析有效性。北塔研发了专门技术,来将结构模型植入于动态建模软件中。

粗糙简化的结构动态分析方法,可能会导致高昂的代价。基于无数的现场经验,北塔研发出精确的、极具性价比的方案,适用于新项目,以及已建海上项目。

6 总结

结构共振是海上生产设备的常见问题,会引起管道和机械系统的故障。

当设备建好后,通过改造结构甲板横梁来修正振动问题,是非常昂贵的。更好的方法是在甲板或平台的指定区域进行结构振动分析。在设计阶段,对横梁方向和设计做出小更改,以避免共振发生,是十分容易的。动态分析和大型往复式和旋转式设备自身的振动分析往往是相辅相承的。

结构振动(动态)分析不应当和风浪载荷的准静态分析混淆。该分析是独立的,并与其他动态研究(撬块、泵或压缩机机组)相整合。

北塔机械分析具有几十年的专业经验,为生产设备进行专业的动态和振动研究,是全球的工程设计和现场服务的佼佼者。

图表5:常见的往复式压缩机动态力

如果您想获得更多信息或问询项目,请发送电邮至​ info@BetaMachinery.com

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