海洋钻机关键机械设备减振技术探讨

海洋钻机关键机械设备减振技术探讨

岳宗林

中海油能源发展装备技术有限公司天津300452

摘要：海洋钻井平台上的机械设备将对平台产生冲击和振动，降低了平台的可靠性。为减少动态加载平台,提高平台的使用寿命,本文阐述了旋转设备振动的原因，进行了理论分析,并提出如何设计平台,安装减振装置来减少振动的产生,对平台上的合理机械设备安装提供了理论依据和参考。

关键词：钻机；振动；激振频率；固有频率

引言

海洋钻井平台因建筑在环境恶劣的条件下，会受到各种载荷的作用。平台的振动和破坏主要包括:地震、波浪、风力、海水侵蚀及平台上的机器和设备。为了降低运行维护成本，在海洋环境荷载作用下，降低平台动载荷、提高平台寿命和可靠性，采用大量的隔振减振技术，取得良好的社会效益和经济效益。

一、旋转机械振动的产生

在钻井平台机械设备中，大多数都有旋转零部件，旋转机械是指由旋转动作来完成的机械，尤其是指转速较高的机械。这种高速旋转机械的工作条件通常是振动响应和振动频率谱分析，观察特征频率分量的变化，是使用振动信号监测的旋转机械的主要内容。旋转机械振动的原因有很多，如:轴承阀座刚度引起的振动；转动速度周期性变化引起的振动；轴向刚度的非线性振动;旋转阀体的不平衡引起的振动，设备实现功能要求的震动等。通常,旋转机械如：压缩机组、高压泥浆泵、风机等是由转子、轴承和密封组成，在转子轴的操作支承的动态油膜下,叶轮与液体物料相互作用,电机转子要受电磁场作用，借助联轴器，转子间也要相互作用。即:转子在离心力、重力、磁场力、刚体间、刚体和流体相互作用下，产生各频率的振动。尤其用于泥浆初始净化的振动筛设备，为完成井口返回泥浆及杂质物料筛分作业，振动筛由两台偏心电机带动激振器驱动料网、主体结构等构件高幅度运转，对底座固定结构有较高的要求。当旋转机械的转速与旋转轴的固有频率重合时，将会有一个强烈的振动现象，称为旋转轴的临界速度。实际的旋转机械，由于加工和装配的误差，以及材料的不均匀性，不可避免地有点偏心，也就是说，重心偏离了旋转轴的轴线。这种偏心力在转速和频率的同时产生周期性的强迫力，由强迫力引起的强迫振动使一个谐振状态低于临界数字，产生一个强的旋转振动。这种现象，如高旋转的存在，会对整个机械造成严重破坏，甚至造成严重的事故发生。

二、旋转机械振动的基本原理分析

1、如图所示，01是轴，02是旋转体的重心，y是旋转的轴，e是偏心。如在这种状态下,振动对轴的转动刚度沿径方向作用有弹性鼻,而在02重心上作用有离心力,在旋转振动时,应相互平衡。

因此Fl=F2，即：P为轴的横向振动固有频率，y与系统的强迫振动的振幅关系式相同。当即旋转振动轴的绕度变为无限大；表示旋转轴转速处于临界速度。

2、旋转体的失衡与均衡：轴失衡对旋转机械的平衡运转是有害的，使轴承受到负荷，从而轴上发生剩余应力，因此应减小轴的失衡。作用在旋转体各部分上的离心力与旋转体的全部质量集中在重心上所产生的离心力相同。由于这种离心力的方向改变着转速旋转，因此成为周期性的外力，并构成振动的原因。

3、对于旋转机械，振动信号检测的关键是转子系统。由于转子是旋转机械设备的核心部件，整个装置的正常运行依赖于转子的正常运行。因是通过转子轴承支承座及外壳和基础之上,构成所谓的转子轴承系统,在许多情况下,支承的动力学特性在某种程度上也会影响转子的运动。因此,转子的运行状态和其他旋转部件之间是相互联系的。旋转机械的大部分机械故障和转子及其部件都是直接相关的，除了配备非接触式涡流传感器外，对转子的轴向振动也实现连续监测，一般需要轴承阀座和壳体振动试验。监测转子比测试轴承座或底盘的振动更敏感,这是由于油膜轴承有一个较大的轴承间隙,因此相对振动和轴承座的振动有显著差异,尤其是支承系统的刚度较大时,轴颈的振动频率比轴承座的振动大。

三、机械设备减振技术的措施

1、合理选择参数，提高设备动态特性的幅度和频率。根据振动理论，激振力和位移的传递与频率有关。频率可分为自然频率和激发频率。固有频率来源于产品的结构特征，由质量、中心位置、刚度等多种因素相互作用决定。应避免激发频率。在满足强度要求的情况下，选用低刚度材料，特别是支撑部件，是减少振动的有效方法。自行式机械、改变弹性悬架的刚性悬挂:固定设备、弹性、阻尼部分和质量形成串联和并联,多种形式组成系统的弹性支撑装置,可按照预定的要求,使系统的等效刚度小于原来的刚度,从而达到减振的目的。另外，通过降低刚度和降低固有频率，提高减振性能是不可取的。一方面：随着刚度的降低，系统设备的静态位移也会增加，这将使空间布局、弹性尺寸和结构设计变得困难。另一方面：对于不同的工作需求，通常有最低限度的最小刚性值。通过分析，到产品使用中将处于既有竖向振动，又有俯仰角振动等耦合振型,特别要注意结构的合理性、质量对称分布的可能性,并确定零点的振幅在“节点”的结构,对敏感的振动机械仪表、仪器设置在“节点”或其附近。

2、合理制作设备的支撑。弹性支撑对称布置避免了耦合振动机械设备的安装，与弹性支撑不可分离，可用于隔离激振的传递和响应。如弹性支撑不合适，则容易造成耦合振动。对称排列的设备当弹性支撑四个角时,重心在垂直干扰力时,只设置每个垂直振动,不会导致其他类型的振动,当干扰力位置不变,弹性支撑各顶点和质心在同一个平面上,但当四个非对称弹性支座沿着纵向布置,设备将伴随着上下的垂直振动的同时,也使重心横向振动。这种多方向的同时振动称为耦合振动。如支撑结构沿水平轴不对称，则耦合振动将同时发生。

3、降低机械设备的结构和气流噪声。对于现有的机械设备噪声，应采用隔振、减振和涂层来降低振动。空气噪声应由吸声结构、隔声结构、隔音罩和消声器控制。对于空气流动噪声的机械噪声，采用进气道内安装的消声设备，以减少噪声。消声设备主要包括具有多孔吸声材料的内部阻抗消声器，改变内部通道截面，设计共振腔或旁路管消声器，以及复合消声器的消声和消音频带宽度。只要适应相应的噪声频谱，就可以实现消声效果。对于比lOOdB(A)大的如发电机、高压泥浆泵等强机械噪声源，可以由隔音罩控制。隔音罩的隔音结构是隔音、吸音和阻尼噪声抑制机理而设计，可隔离机器声源，在封闭的环境中，辐射噪声被隔离机吸收和隔绝。进入隔音罩并搅拌壳体振动的声音被阻尼效应所消耗，从而达到抑制噪声的目的。需注意的是，外壳的内表面必须有一个吸声层，壳体结构必须具有柔性和其它阻尼措施，以减少外壳的振动，特别是机械共振。隔音罩必须密封牢固且性能好，必须避免驻波效应，才能达到良好的效果。

4、管路减振降噪。各种管道系统都能从机械设备中传递振动和噪音，使其具有振动和噪声源。因此，在设计、放样和铺设管道时，必须采取隔振措施。最简单、最有效的措施是在机械设备与管道之间使用适当的挠性连接，同时将管道从平台结构与振动吊架分开。

5、降噪设备的维护。保养和维护降噪设备是很重要的。应对人员进行相关振动降噪设备维护知识和技能训练,特别强调识别减振降噪设备,不允许自由移动或更换；要经常检查弹性支撑,包括耦合橡胶塑性变形、替代计算时检查；注意清洁和维护的吸声材料，不能在吸音材料上穿孔或涂漆。

6、优化设备固定结构。因海洋钻井平台所属远陆地、含盐含水量高等特殊性。设备极易腐蚀锈化，为确保设备的长期运行，要严格控制设备底座安装精度及焊接质量，如无特殊要求，所有焊接均需满焊，并喷涂满足海洋要求的防腐油漆。要尽可能的降低设备安装高度和设备安装重心，减小对周边设备设施及结构的振动影响。

四、结论

以海洋钻井平台为基础，设计减振装置，分别控制平台的垂直和水平两方向的振动。为避免设备在运行时对平台的冲击，降低噪声，优化设备及固定结构提出一些具有实际意义的减振措施。

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