В последние годы число компрессоров, установленных на судах типа FPSO, неук­лонно растет, а кроме того, увеличивается их мощность. Однако поршневые комп­рессоры являются источником значительных вибронагрузок, которые могут вызвать неисправности в компрессорном модуле FPSO. При динамическом анализе работы эксплуатационной установки в целом обязательно учитывается влияние компрессор­ной группы на общий уровень вибрации.

В данной статье будет рассказано о новой методике расчета максимальных коле­баний во время вибраций в модуле верхнего строения и об оптимизации его конс­трукции. В рассмотренном ниже примере представлен современный подход к проек­тированию, при котором анализируется совместная работа модульной конструкции верхнего строения FPSO и компрессорных установок на ней. Кроме того, приводятся методические рекомендации по проведению динамического анализа. Полученные результаты и рекомендации для компрессорного модуля были включе­ны в общий проект FPSO.

На судах типа FPSO эксплуатируются компрес­соры малой мощности (обычно от 370 кВт) или многоступенчатые компрессоры мощностью по­рядка 2000-2200 кВт.

Собранные воедино компрессор, привод, трубопровод, скруббер и баллоны образуют мо­дуль, устанавливаемый на FPSO. Принцип рас­чета для судов типа FPSO действителен как для плавучих, так и для стационарных шельфовых установок.

Рис. 1. Динамические нагрузки в поршневых
компрессорах

Значительные динамические нагрузки при работе связаны с движением механических час­тей внутри компрессора. Динамические силы (рис. 1) образуются от пульсаций давления, не­сбалансированности масс, шатунных нагрузок, а также от удлинения цилиндра под воздействи­ем газа и возникновения несоосности.

Все вышеперечисленные процессы могут привести к высокому уровню вибрации в тру­бопроводе, скрубберах, на стеллаже и верхней конструкции модуля (верхнего строения). Чрез­мерный уровень вибраций — основная причина механических поломок в поршневых компрессо­рах. Исправление неполадок непосредственно на месте является достаточно дорогим удоволь­ствием. Судовладельцам при работе с операто­рами необходимо учитывать два важных момен­та. Во-первых, расходы на ремонт и издержки от простоя на шельфе вчетверо, а иногда и впяте­ро выше, чем на наземных установках. Поэтому будущий владелец всегда хочет иметь надеж­ное, устойчивое к вибрациям оборудование. Во- вторых, проблема минимизации используемого пространства актуальна как для FPSO, так и для других морских сооружений, что способствует созданию компактных установок.

При компактном проектировании (рис. 2) вспомогательное оборудование приходится ус­танавливать ближе к компрессору, поэтому не­обходимо учитывать требования по креплению и минимизации вибронагрузок на приборы диа­гностики, а также обеспечить беспрепятствен­ное техническое обслуживание.

Рис. 2. Пример компоновки компрессорного модуля

Динамический анализ конструкций

Динамический анализ конструкций не является чем-то новым в морском строительстве, иногда он проводится и для наземных сооружений. Ме­тодики расчета в обоих случаях примерно оди­наковы.

Поршневые компрессоры устанавливают­ся на жесткую конструкцию верхней палубы. Ис­пользуемые элементы традиционно проектиру­ются с учетом статических и квазистатических нагрузок. Однако проектирование конструкций с учетом динамических нагрузок требует особого подхода. Динамический анализ должен учиты­вать случаи резонанса конструкции при пред­полагаемых вибрациях. Явление резонанса на­блюдается при совпадении частот собственных колебаний механизмов с частотами внешних динамических нагрузок.

В испытаниях исследовались реакции стел­лажа и верхней конструкции на воздействие ди­намических нагрузок, идущих от оборудования. Кроме того, были предложены мероприятия по снижению вибраций до безопасного уровня на рабочих режимах.

Исследование конструкции включает рас­чет динамических нагрузок на всех рабочих режимах, а именно — вычисление влияния на конструкцию динамических нагрузок на различ­ных частотах с последовательным изменением фазы и амплитуды возбуждающих сил.

В случаях когда механизмы компрессора работают с повышенной вибрацией, необходимо включать в расчет и дополнительное оборудова­ние, находящееся на небольшом расстоянии от компрессорной группы.

Одной из важных проблем проектирова­ния является сбалансированность конструкции, то есть равномерное распределение нагрузок. Также необходимо учитывать воздействие ди­намических сил от работающего оборудования, влияние перепада температур на напряженно- деформированное состояние конструкции и т.п.

Сегодня инженеры имеют возможность использовать для решения подобных задач воз­можности программных комплексов МКЭ. Далее будет рассмотрен пример практической задачи, в которой исследовалось влияние повышенного уровня вибрации при работе палубного обору­дования на НДС элементов верхнего строения FPSO.

Как правило, компрессоры являются ис­точником силы и пары сил от дисбаланса внут­ренних деталей, причем источниками дисбалан­са могут быть как продольно движущиеся, так и вращающиеся детали в компрессоре. Эти сила и пара сил возникают из-за различий в рабочем ходе соседних поршней, поскольку баланс здесь практически никогда не достигается. Поэтому предпочтительнее использовать шестицилинд­ровые компрессоры, так как разница в фазах при движении поршней снижает силы от дис­баланса, а следовательно, снижается уровень вибраций.

Обычно рама компрессора и коленчатый вал считаются абсолютно твердыми телами, хотя при подробном исследовании конечно-элемент­ной модели выясняется, что это не так. Под дейс­твием нагрузок, возникающих при совместной работе компрессоров на верхней палубе судна, рама компрессора значительно прогибается.

Динамический анализ проводился для отдельного модуля с тремя поршневыми ком­прессорами с различными характеристиками. Конечно-элементная модель компрессорных установок и фрагмента верхнего строения была создана в программном комплексе ANSYS (рис. 3). Для фермы применялись балочные эле­менты, а для плоских (тонкостенных) конструк­ций — оболочечные элементы.

При расчете учитывались динамические нагрузки от пульсирующего давления в трубах и танках. В результате выполненного расчета были выявлены участки с повышенной вибраци­ей. Выяснилось, что проектные требования от­личаются от расчетных примерно на 50%!

Для снижения уровня вибраций компрес­сорного модуля в конструкцию были внесены следующие изменения: были добавлены диаго­нальные раскосы для придания жесткости кон­солям по периметру модуля, раскосы для прида­ния жесткости основаниям, а также увеличены сечения балок под фундаментом компрессоров.

Вибрация оценивалась по стандартной методике, то есть суммировались уровни мак­симальных колебаний, идущих от всех видов оборудования.

Использование на ранних стадиях проек­тирования анализа динамического воздействия является ключевым моментом при минимизации влияния вибрации на конструкцию в целом.