通用型FPSO 壓載水管路系統應力分析及優化

伍加凱，竇培林，孔令海

(江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212000)

0 引 言

FPSO主要由船體、負責油氣生產處理的上部模塊、系泊與立管系統3部分組成。這些組成系統之間、各系統內部復雜、緊湊的管路系統及其支架是保障FPSO正常可靠運行的關鍵，也是設計工作的重點。而通用型FPSO船體用途更加廣泛，所要求海域適應性更強，其管路系統與支架具有不同于普通FPSO的設計難點。基于此，本文以通用型FPSO H1468為研究對象，針對壓載水管路系統的初步設計方案開展基于船體變形對管道應力分布影響及水錘載荷影響的研究，針對不合理部分給出對應優化方法。

1 應力校核準則

進行管路應力校核時一般采用分類校核法，一般校核其一次應力和二次應力，使得管路的測算應力在相關標準的許用范圍內，從而盡可能規避管子因為自身應力以及位移等過大造成的破壞，提高管路設計安全性。就目前的FPSO等海工產品的管道系統設計來說，在國內還沒有單一的有針對性的規范，現行的規范基本上都是針對化工、石油、核電和建筑等行業制定的，目前的船舶與海工項目中管系設計依據的規范一般是入級船級社的規范、IMO和API的標準等。

2 通用型FPSO壓載水管路系統應力分析

FPSO常年在深海作業，其吃水會隨著原油開采、儲存及外輸等狀態不斷變化，壓載水系統作為調整其浮態的重要管路系統，充當著調整船舶穩性的重要工作，可以說是通用型FPSO深海安全作業重要心臟之一，一旦發生安全隱患將危及整個海上作業，合理地降低規避風險，進行應力分析是必要的。

2.1 建立數值模型

根據主甲板消防水系統的Tribon M3模型，等效建立相應的CAESAR II模型，管道材質采用耐腐蝕的玻璃鋼管，采用美國B31.3規范進行校核，管道數值模型及管材相關數據參數如圖1和表1所示。

圖1 壓載水系統模型Fig. 1 Ballast water system mode

表1 壓載水管路的系統特性和材料屬性Tab. 1 Environmental conditions and pipe parameters of ballast water system

2.2 載荷工況設置方法

根據實際環境條件以及客戶需求，壓載水系統在一般工況下船體在風浪作用下產生的最大垂向加速度uz為1.84 m/s2，最大橫向加速度uy為1.23 m/s2，最大縱向加速度ux為0.98 m/s2，在百年一遇的極端工況下船體在風浪作用下產生的最大垂向加速度uz為2.71 m/s2，最大橫向加速度uy為2.57 m/s2，最大縱向加速度ux為1.54 m/s2本文采用綜合考慮溫度變形和船體變形的方來附加位移（即船體變形D表現為熱膨脹系數疊加來實現，包含在T中），工況設置如表2所示。

2.3 應力分析計算結果

根據CAESAR II所建立模型和上述工況組合，對比B31.3規范進行校核，輸出壓載水系統一次、二次應力校核結果，如表3所示。

由表3可知，玻璃鋼管壓載水系統一次應力的校核結果為60.48%，在允許范圍內，應力值為28 322.39 kPa，位于節點9 719處；最大持續工況的一次應力水平為61.72%，應力值為28 903.44 kPa，相比于同節點9 719處，可知在添加了偶然載荷情況下，兩者應力差距不大，可知該載荷對管路影響不大。在各個工況下，最大應力發生在最低設計溫度的中拱狀態下，占許用應力的98.1%，仍滿足要求。基于這些工況，可以看到，在所設計的百年一遇極端工況下，結合中拱、中垂船體耦合變形，壓載水管路系統的二次應力校核結果均在規范允許范圍內，從側面驗證了主甲板消防水管路系統設計的合理性。

表2 玻璃鋼壓載水管路分析工況設置Tab. 2 Analysis condition setting of FRP ballast water pipeline

表3 通用型FPSO玻璃鋼壓載水管路系統應力分析結果Tab. 3 Stress analysis results of FRP ballast water pipeline system of general FPSO

3 通用型FPSO壓載水管路系統水錘分析

通用型FPSO較傳統的FPSO而言其結構更加緊湊，管道更加繁雜多變，彎頭三通眾，管路密集，主甲板段長直管道也分布很廣，潛在危險性更大，易發生水錘造成管路破壞。本節對壓載水水錘載荷過大部位進行詳細分析，并給出相應調整方案。

3.1 水錘載荷的計算公式

壓力波通過彎頭對的時間為：

式中：L為彎頭對間的距離，mm。

不平衡動載荷的上升時間為：

式中：D為管道的內徑，mm。

3.2 壓載水系統水錘載荷數值計算

選取6組管道尺寸相同彎頭對進行分析，并按照根據泵的流量及管子內徑計算的得到，同時由式(4) ～ 式(5)得到4組相同的和，相關計算結果如表5所示。

表4 壓載水玻璃鋼管道道水錘載荷Tab. 4 Water hammer load of ballast water glass steel pipeline

表5 玻璃鋼管壓載水管道彎頭對相關數值Tab. 5 Relevant values of glass fiber reinforced plastic pipe ballast water pipe elbow

根據壓載水系統管路模型，保守計算，安全最大化，主要選取長直管段這種水錘影響較大的管段，但也兼顧選取了其他幾組具有代表性的管段。根據上述公式，選取 720～770，960～1 010，1 060～1 170，9 850～10 650，11 350～11 480，11 640～11 760 這 6 組具有代表性且容易發生水錘的彎頭對進行水錘分析，管段所在節點位置、方向、彎頭對長度和作用時間如表5所示。

3.3 壓載水系統水錘載荷的數值模型

6組具有代表性彎頭對水錘載荷的作用位置如圖2～圖7所示。

圖2 #9850–10 650–10 650Fig. 2 #9850–10 650

3.4 水錘動態分析的工況組合

建立動載荷頻譜并設置工況如表6和表7所示。

圖3 #720–770Fig. 3 #720–770

圖4 #960–1 010Fig. 4 #960–1 010

圖5 #11350–11 480Fig. 5 #11350–11 480

圖6 #11640–11 760Fig. 6 #11640–11 760

圖7 #1060–1 170Fig. 7 #1060–1 170

3.5 水錘計算結果及分析

由表8計算所得結果可以看出，工況3、工況5、工況6的計算結果均大于規范規定的許用應力。為了方便修改找出問題，將3個工況中所有超規范部分均列出，由表中數據分析可知超出規范工況均是因為彎曲應力過大導致，其位置圖如圖8～圖10所示。

表6 動載荷頻譜Tab. 6 Dynamic load spectrum

表7 靜態動態工況組合Tab. 7 Combination of static and dynamic conditions

表8 應力計算結果Tab. 8 Stress calculation results

由圖可知，工況5中應力超出部位均在三通管處且靠的很近，做出修改，在節點10 650處增加一個支撐+Z約束；對于工況3，可以看出應力超出原因極大可能是管道設備重量造成的管道沉降，因而將節點11 750處GUIDE約束改為XYZ三向約束；對于工況6，可以看到1 020-1 030彎曲應力過大，但處于膨脹彎處，且管道很短靠近法蘭不宜修改，因而向上在節點1 070處將XY約束改為XYZ三向約束。

圖8 工況3應力超出部位示意圖Fig. 8 Schematic diagram of stress exceeding part under condition 3

圖9 工況5應力超出部位示意圖Fig. 9 Schematic diagram of stress exceeding part under condition 5

圖10 工況6應力超出部位示意圖Fig. 10 Schematic diagram of stress exceeding part under condition 6

圖11 模型修改詳示示意圖Fig. 11 Detailed diagram of model modification

如圖11所示修改模型，再次校核管路一次、二次應力等，基本無變化，位移較大部位仍和2.3節所述結果相同。繼而再次進行水錘分析，結果如圖11所示。工況3、工況5、工況6組合中最大應力得到極大改善，滿足規范要求，變化結果及數據對比如圖12所示。由上述計算結果可知，按此方案調整后，超規范部位應力均達到規范要求，且所占百分比均降到30%以下，得到了極大優化，原最大應力處均變為節點9 719處，最大應力值為28 322.4 kPa，占比為許用應力61.3%。

由上述計算結果可知，按此方案調整后，超規范部位應力均達到規范要求，且所占百分比均降到30%以下，得到了極大優化，原最大應力處均變為節點9 719處，最大應力值為28 322.4 kPa，占比為許用應力61.3%。

圖12 模型修改前后最大應力及所占百分比圖示Fig. 12 Diagram of maximum stress and percentage before and after model modification

4 結 語

利用CAESARII 軟件，綜合考慮通用型FPSO在深海作業時受到的廣泛海洋條件影響，將傳統的輸入附加位移D模擬船體變形變為溫度T中熱膨脹系數的疊加來表現，對通用型FPSO玻璃鋼壓載水管道進行一次應力、二次應力和水錘載荷分析，有針對性提出優化方案，對水錘載荷過大部位分析了形成的原因。可以看出水錘載荷過大的原因除了和泵的啟停時間有關外，對其支架進行調整十分必要，需要針對不同管段管路的沉降、三通、連續彎等進行對應進行加強來平衡水錘效應，為后續新型通用型FPSO管路設計提供了數據參考和新的優化方法。