FPSO壓縮機(jī)模塊管路的應(yīng)力分析

楊傳川，盧 方，佟國志

（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

FPSO壓縮機(jī)模塊管路的應(yīng)力分析

楊傳川，盧 方，佟國志

（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

FPSO上部壓縮機(jī)模塊的主要功能是對注入油井的CO2氣體及輸出的燃?xì)膺M(jìn)行降溫增壓，壓縮機(jī)模塊的管路不僅具有化工油氣過程管路高溫、高壓及兩相流的特點，還具有在海上服務(wù)的船舶管路的一些特性。文章從壓縮機(jī)模塊管路的應(yīng)力分析過程入手，探索出應(yīng)對此類管路應(yīng)力計算的一般方法。

FPSO；上部模塊；應(yīng)力分析

0 引言

壓縮機(jī)模塊項目是由大連中遠(yuǎn)船務(wù)有限公司承接的巴西國家石油FPSO上部模塊建造項目。壓縮機(jī)模塊是FPSO的上部處理模塊，主要功能是對注入油井的CO2及輸出的燃?xì)膺M(jìn)行降溫增壓。壓縮機(jī)模塊的管路應(yīng)力分析不僅要考慮管路高溫、高壓及兩相流的特點，還要對壓縮機(jī)、壓力容器的管嘴和連接法蘭的許用應(yīng)力進(jìn)行校核，在保證管路設(shè)計安全的同時，也要確保設(shè)備本身的運行安全。另外，F(xiàn)PSO服務(wù)海域的環(huán)境溫度變化、風(fēng)況、海浪的加速度及船體結(jié)構(gòu)的變形，也都會對壓縮機(jī)模塊上的管路應(yīng)力產(chǎn)生影響。所以，對FPSO壓縮機(jī)模塊管路進(jìn)行管路的應(yīng)力分析是十分必要的。

1 管路應(yīng)力分析對象的選取及計算工具

1.1 管路應(yīng)力分析對象的選取

壓縮機(jī)模塊管路的選取標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）介質(zhì)為易燃、有毒的管路；

2）非常重要的單元的管路；

3）運行溫度超過150℃的管路；

4）通徑4″及以上運行溫度超過100℃的管路；

5）通徑12″及以上運行溫度超過75℃的管路；

6）通徑16″及以上的管路；

7）通徑3″及以上連接敏感設(shè)備（滑油管路、冷卻水管路等除外）的管路，如連接旋轉(zhuǎn)設(shè)備的管路；

8）所有容易引起震動的管路；

9）所有含有油氣碳?xì)浠衔锏墓苈罚?/p>

10）所有連接安全閥和真空破壞閥的管路；

11）通徑 4″及以上特殊材料的管路，如雙相不銹鋼、銅鎳等；

基于以上選取標(biāo)準(zhǔn)，編制計算管路清單，內(nèi)容包括：管段號、連接路徑、溫度、壓力、絕緣等，作為計算輸入的初始參數(shù)。

1.2 計算工具

選用國際上公認(rèn)的 INTERGRAPH公司的CAESARII 6.0作為管道應(yīng)力分析軟件。

2 壓縮機(jī)模塊管路應(yīng)力計算的基本要求

因為壓縮機(jī)模塊管路是油氣處理的過程管路，同時又要滿足在FPSO上的操作使用要求，所以，與普通的陸用油氣處理管路和普通的船舶管路相比有更高的要求［1］：

1）應(yīng)該盡量避免使用伸縮膨脹節(jié)；

2）所有管路的自然頻率不應(yīng)低于5 Hz；

3）管廊上帶有管靴的過程管路縱向變形量一般不應(yīng)該超過100 mm，垂直方向的變形量應(yīng)該不超過6 mm；

4）彈簧支吊架的荷載變化率應(yīng)該不大于20%；

5）ASME B31.3中302.3.5 1b）和APPENDIX P中二次應(yīng)力的計算公式不適用。

3 壓縮機(jī)模塊管路應(yīng)力計算需要考慮的荷載

3.1 熱膨脹及約束荷載

熱膨脹及約束荷載是指由溫度的變化及管路自身受到約束而產(chǎn)生的荷載。熱膨脹及約束荷載對管路本身、法蘭、螺栓、支管連接、管支架和與設(shè)備連接口都會產(chǎn)生有害的影響。所以，在布置管路時，要充分考慮讓管路有足夠的柔性來防止熱膨脹及約束荷載產(chǎn)生的有害影響。

3.2 結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的位移荷載

壓縮機(jī)模塊的鋼結(jié)構(gòu)和主船體結(jié)構(gòu)在垂直、水平方向的變形會產(chǎn)生一定的位移荷載，管路的設(shè)計應(yīng)該充分考慮此部分位移荷載，將產(chǎn)生的應(yīng)力控制在許用范圍之內(nèi)。

3.3 船體加速度產(chǎn)生的荷載

由于船體在海面上橫搖、縱傾和垂蕩的作用，會在各個方向上產(chǎn)生一個持續(xù)的加速度，管路、支架和設(shè)備連接口的設(shè)計要考慮船體運動帶來的影響。船體運動的數(shù)據(jù)來源于對海況的研究。在這里，船東提供了詳盡的海況數(shù)據(jù)，為理論計算提供了依據(jù)。

3.4 柱塞流產(chǎn)生的沖擊荷載

壓縮機(jī)模塊管路中的介質(zhì)有的是氣液混合的兩相流體，在系統(tǒng)剛開始運行的一段時間內(nèi)，管路中會存在一段被氣體分割的液柱。當(dāng)管路的走向改變時，液柱將產(chǎn)生一個沖擊彎頭或者三通的沖擊力。所以，對于兩相流體存在的管路，要考慮柱塞流產(chǎn)生的沖擊荷載。

3.5 安全閥的反作用力

安全閥的排氣反力是安全閥在泄放時產(chǎn)生的反作用力，根據(jù)API-RP-520計算或者由安全閥廠家推薦。

4 管道應(yīng)力分析理論

4.1 一次應(yīng)力

一次應(yīng)力［4］是由于壓力、重力與其他外力荷載的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，它是平衡外力荷載所需的應(yīng)力，隨外力荷載的增加而增加。一次應(yīng)力的特點是沒有自限性，即當(dāng)管道內(nèi)的塑性區(qū)擴(kuò)展達(dá)到極限狀態(tài)，使之變成幾何可變的機(jī)構(gòu)時，即使外力荷載不再增加，管道仍將產(chǎn)生不可限制的塑性流動，直至破壞。一次應(yīng)力主要用于校核磅壓工況（HYD）和安裝工況（SUS）。

一般情況下，認(rèn)為一次應(yīng)力由壓力、附加軸向外力和彎矩引起，其校核公式為：

式中，σL為管道縱向壓力；F為壓力引起軸向力之外的附加軸向力；A為管道橫截面積；P為設(shè)計壓力；D為平均直徑；t為管子壁厚；M為合成彎矩；W為抗彎截面模量。

4.2 偶然荷載下的一次應(yīng)力

4.1中一次應(yīng)力校核條件所說的持續(xù)荷載是指持續(xù)作用于管道上的荷載，然而不是只有持續(xù)荷載能夠產(chǎn)生一次應(yīng)力，偶然荷載作用時也會產(chǎn)生一次應(yīng)力。

在ASME B31.3中，要求偶然荷載產(chǎn)生的一次應(yīng)力滿足以下條件：管道在工作狀態(tài)下，受到壓力、重力、其他持續(xù)荷載和偶然荷載所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和，不得超過操作狀態(tài)許用應(yīng)力的1.33倍，此時，不需要同時考慮兩個偶然荷載的作用。

4.3 二次應(yīng)力

二次應(yīng)力［4］是由于熱脹、冷縮、端點位移等位移荷載的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必須的應(yīng)力。二次應(yīng)力的特點是具有自限行，即局部屈服或者小量變形就可以使位移約束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)增大。

在ASME B31.3中，二次應(yīng)力校核公式［3］：

式中，［σ］c為在分析中的位移循環(huán)內(nèi)，金屬材料在冷態(tài)下的許用應(yīng)力；［σ］h為在分析中的位移循環(huán)內(nèi)，金屬材料在熱態(tài)下的許用應(yīng)力；σL管道中由于壓力、重力和其他持續(xù)荷載所產(chǎn)上的縱向應(yīng)力之和；［σ］A許用的位移應(yīng)力范圍；f為管道位移應(yīng)力范圍減小系數(shù)，對于操作次數(shù)不超過7 000次的管路系統(tǒng)，f取1.0。

5 典型工況的組合

FPSO壓縮機(jī)模塊的工況組合主要考慮兩種狀態(tài)：FPSO在服務(wù)海域的運行狀態(tài)（見表1）和從建造所在地拖移到服務(wù)海域的拖移狀態(tài)（見表2）。因為兩種狀態(tài)下的海況、實際環(huán)境和系統(tǒng)的狀態(tài)完全不同，所以，溫度、風(fēng)況、變形及船體急速度等參數(shù)的選取也是不同的，工況組合也要區(qū)別對待。

表1 壓縮機(jī)模塊運行狀態(tài)下的典型工況

表2 壓縮機(jī)模塊拖移狀態(tài)下的典型工況

表格中，W是管路中充滿介質(zhì)的重量；WNC是管路中無介質(zhì)的重量；WW是管路中充滿水的重量；P1為設(shè)計壓力；P2為運行壓力；HP為磅壓壓力；H為彈簧支吊架的力；D1為設(shè)備在設(shè)計工況的下位移量；D2為設(shè)備在運行工況下的位移量。

6 模擬計算

使用INTERGRAPH公司的CAESARII 6.0對壓縮機(jī)模塊的管路進(jìn)行模擬計算，在建模的過程中有以下幾點需要注意。模塊管路模型見圖1。

圖1 壓縮機(jī)模塊管路模型

1）壓力容器的位移量。壓力容器的管嘴接口處在CAESAR II中模擬成了止動點，而壓力容器從安裝溫度到實際的運行溫度存在一個溫差，模擬時需要計算因為這個溫差而引起的位移量，并在管嘴的止動點處設(shè)置該位移量，考慮在不同狀態(tài)溫度下設(shè)備變形帶來的影響；

2）彈簧支吊架的模擬。彈簧支吊架的型號因為廠家的不同而有所差異，在模擬中，如果彈簧支吊架的廠家尚未確定，需要先選定一個通用的廠家的彈簧支吊架進(jìn)行設(shè)計，如 Grinnell。在當(dāng)確定了彈簧支吊架廠家后，需要對模型里的信息進(jìn)行相應(yīng)的修改，從而保證選型的匹配，該項目最后選擇了BERGEN的彈簧支吊架。

3）二次應(yīng)力的自由余量。對壓縮機(jī)模塊的管路，ASME B31.3中302.3.5 1b）和APPENDIX P計算二次應(yīng)力的公式不適用，所以，應(yīng)該注意對二次應(yīng)力自由余量的設(shè)置，在軟件中關(guān)閉此項。

7 管路應(yīng)力分析的輸出結(jié)果

通過模擬計算分析，應(yīng)該從以下幾方面進(jìn)行輸出：

1）確保壓縮機(jī)模塊的管路一次應(yīng)力和二次應(yīng)力符合校驗公式，滿足規(guī)范要求；

2）確保支架設(shè)計滿足輸出的支架受力數(shù)據(jù)，對于無法滿足受力數(shù)據(jù)的支架應(yīng)該進(jìn)行特別的設(shè)計以滿足強(qiáng)度要求；

3）對管路的位移量進(jìn)行檢查，垂向應(yīng)不超過6 mm；

4）根據(jù)選用法蘭的標(biāo)準(zhǔn)，對法蘭的泄漏進(jìn)行校核，確保法蘭無泄漏；

5）確保壓力容器的管嘴及設(shè)備連接口處滿足廠家提供的許用應(yīng)力的要求，防止管路在運行狀態(tài)下對設(shè)備的損害；

6）確保在每一種工況下，壓縮機(jī)進(jìn)出口都能夠滿足API617石油及化工和氣體工業(yè)用離心壓縮機(jī)對荷載的要求。如果有特殊要求，需要與壓縮機(jī)廠家及時溝通確認(rèn)；

7）對管路的自然頻率進(jìn)行校核，確保壓縮機(jī)模塊的管路布置自然頻率不低于5 Hz。

8 結(jié)論

壓縮機(jī)模塊的管路是FPSO上部模塊油氣處理的管路，結(jié)合其過程處理管路和船舶管路兼具的特點，本文介紹了整個管路應(yīng)力分析計算的過程，由此得到了一種適用于此類管路應(yīng)力分析計算的一般方法，對于以后FPSO上部模塊管路的應(yīng)力分析計算具有一定的借鑒參考價值。

［1］NELSON ROMANO.REQUIREMENTS FOR PIPING FLEXIBILITY CALCULATION［Z］.2011.

［2］DNV.DNV-RP-D101.STRUCTURAL ANALYSIS OF PIPING SYSTEMS［S］.2008.

［3］ASME.ASME B31.3.PROCESS PIPING［S］.2012.

［4］唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析［M］.北京: 中國石化出版社，2003.

Stress Analysis for FPSO Topside Compressor Module Pipe

Yang Chuan-chuan，Lu Fang，Tong Guo-zhi
（COSCO （Dalian） Shipyard Co.，Ltd.，Liaoning Dalian 116113，China）

The main function of the compressor module for FPSO topside is to lower the temperature and increase the compress of CO2gas into the oil well and the exported fuel gas.The pipes of the compress module not only have the characteristics of process pipes of chemical oil gas such as high temperature，high pressure and two-phase flow，but also have the characteristics of marine pipes serving at sea.The article concerns the process of stress analysis of the compressor module pipe，and recommends a normal way of stress calculation for the kind of process pipes.

FPSO； topeside； stress analysis

U662

A

10.14141/j.31-1981.2016.04.010

楊傳川（1986—），男，助理工程師，研究方向：海洋工程船輪機(jī)設(shè)計。