FLNG甲板上部工藝管道應力分析

張高峰

（惠生（南通）重工有限公司，江蘇南通 226000）

FLNG（浮式液化天然氣裝置）是一種用于海上天然氣處理的浮式生產裝置，通過系泊系統定位于海上，具有處理、液化、儲存和裝卸天然氣的功能，與液化天然氣運輸船（LNG-C）配合使用可以實現海上天然氣的遠程運輸。文章以某FLNG項目管道應力分析為例，結合該FLNG項目實際生產中出現的管道問題，提出管道應力分析思路并進行優化，為FLNG項目的管道應力分析提供參考。

1 載荷分析

1.1 風載

船體總體專業會提供三種不同工況下的風載，分別為拖航工況下10年一遇的風載、裝置正常操作下1年一遇的風載、裝置正常操作下百年一遇的風載（極端工況）。項目要求FLNG在極端工況下也能夠正常操作，應力評估過程只考慮拖航工況和極端工況的風載，風載評估按照偶然應力校核公式進行評估。

風速按照DNV-RP-C205中2.3.2.11所示公式進行計算，根據總體專業提供的10 m海平面10 min平均風速，折算不同高度的3 s陣風速率。

式中：U10——距離海平面10 m高度處10 min間隔的平均風速；z——管道物理高度；H取10 m；T取3 s；T10取10 min。

風壓按照DNV-RP-C205中5.2.1所示公式進行計算，計算出的風壓作為CAESAR Ⅱ的輸入數據。

式中：q——風壓；ρa——空氣密度；UT,z——不同高度的3 s陣風速率。

1.2 慣性加速度

船體受波浪影響會產生搖晃等現象，使船體上部管道產生慣性加速度，為了確保管道在船體搖晃下能夠正常運行，需要在應力分析中考量慣性加速度影響。拖航工況下10年一遇的海況引起的慣性加速度、裝置正常操作下1年一遇的海況引起的慣性加速度、裝置正常操作下百年一遇的海況引起的慣性加速度（極端工況）。應力評估過程只考慮拖航工況和極端工況下的海況引起的慣性加速度。慣性加速度載荷作為偶然應力進行評估。

1.3 中垂中拱

FLNG身處海洋環境，船體會產生中垂中拱，變形傳遞至管道上引起管道位移應力，導致管道疲勞失效。結構專業會提交兩種工況下的中垂中拱數據供管道應力計算，分別為拖航工況下可能產生的最大變形數據；正常操作工況下可能產生的最大變形數據。中垂中拱引起的管道位移按照二次應力校核公式進行評估。

1.4 爆炸載荷

FLNG裝置里面有大量可燃氣體，根據火災爆炸危險分析結果，確定爆炸產生的壓力，以等效風載的形式對爆炸載荷進行分析，爆炸載荷作為偶然應力進行評估。

式中：FD——爆炸載荷；1/2ρν2為爆炸壓力，取自火災爆炸危險分析結果，由安全專業提供；D為管徑；CD為形狀系數，取1.0；DLF為動態載荷因子，取1.5。

2 工況組合

2.1 拖航工況

FLNG在拖航工況下所受載荷為管道重力、充氮保護壓力、慣性加速度、中垂中拱、風載。

拖航工況如表1所示。

表1 拖航工況

2.2 極端工況

FLNG在極端操作工況下所受載荷為管道重力包括介質重力、管道壓力、溫度、慣性加速度、中垂中拱、風載、安全閥泄放反力。

極端工況如表2所示。

表2 極端工況

2.3 爆炸工況

建立爆炸工況用于評估爆炸偶然應力，爆炸載荷以等效風載的形式進行評估。在爆炸工況下，FLNG管道偶然應力評估只考慮與重力和壓力的合成，不考慮與慣性加速度、風載和安全閥泄放反力的合成。定義無爆炸載荷工況（W+T+P+H）和包含爆炸載荷工況（W+T+P+H+Wwin）。通過工況組合運算得到爆炸載荷基本工況Wwin。爆炸載荷基本工況與重力、壓力進行合成（W+P+H+Wwin）評估爆炸偶然應力。

3 應力分析

3.1 靜態分析

一次應力為平衡壓力與其他機械載荷必需的法向應力或剪應力，其特點是非自限性，當結構內的塑性區擴展達到極限狀態，使之變成幾何可變的結構時，即使載荷不再增加，仍將產生不可限制的塑性流動，直至破壞。海洋工況中船體存在中垂中拱現象，未設置防脫空支架的管道很容易在運行狀態產生脫空，管道脫空后需要重新評定一次應力。

式中：SL——一次應力；SH——材料在最高設計溫度下的許用應力。

二次應力為滿足外部約束條件或結構自身變形的連續要求所需的法向應力或剪應力。二次應力的基本特征是具有自限性，局部屈服和小變形可以使約束條件或變形連續要求得到滿足，使變形不再增大。本項目中，考慮爆炸工況，不采用膨脹節增加管道柔性，設計過程中盡量使用彈簧和管道自變形降低二次應力。

式中：SE——二次應力；SA為最大許用位移應力范圍；f——許用位移應力范圍減小系數；SC——材料在冷態下的許用應力。

偶然應力屬于一次應力。對于偶然載荷，許用應力可以適當放寬，管道在工作狀態下，縱向應力之和（壓力、重力、其他持續載荷和偶然載荷）不超過操作狀態下許用應力的1.33倍。爆炸載荷作用下的偶然荷載需要單獨校核，DNV-RP-D101 3.11.2對其評定進行了具體說明，爆炸作用下的管道，縱向應力之和（壓力、重力、其他持續載荷和爆炸載荷）不超過最高設計溫度下許用應力的1.8倍。

3.2 模態分析

模態指機械結構的固有振動特性，每個模態均有特定的固有頻率，固有頻率越高，管道剛度越大，越不容易產生共振。本項目要求管道最小固有頻率為5 Hz，動設備相連管道固有頻率應大于設備本身激發頻率，防止發生共振。工程設計中，在滿足管道柔性的前提下，可以通過減小管道跨距、增設固定支架等方式增加管道剛度。

3.3 疲勞分析

FLNG船體管道的疲勞分高周疲勞和低周疲勞：低周疲勞主要由管道熱脹冷縮和貨艙裝卸引起，高周疲勞由拖航工況和操作工況下波浪運動引起的。疲勞評定有兩種方法，計算位移應力范圍減小系數f，降低位移應力校核準則中的許用位移應力范圍，防止疲勞破壞；CAESAR Ⅱ提供的基于Miner法則的累積損傷疲勞評定方法，通過定義疲勞曲線以獲得相應應力下的許用循環次數Nallowed以及預期的循環次數Ndemand，CAESAR Ⅱ計算并合計已選工況的Ndemand/Nallowed比率，總和<1時安全。

式中：N——循環當量次數，根據ASME B31.3計算。

4 對比分析

以FLNG項目上某低溫管道（-143.7 ℃）為例，對比分析考慮中垂中拱和不考慮中垂中拱時對二次應力的影響以及考慮爆炸載荷和不考慮爆炸載荷時管口受力狀態。

某節點二次應力對比如表3所示。某管口受力對比如表4所示。

表3 某節點二次應力對比

表4 某管口受力對比

中垂中拱、爆炸載荷對管道應力影響較大。為保證裝置在海洋環境下長期安全運行，需詳細分析海洋風載、船體慣性加速度、船體中垂中拱等。

5 結語

本文以某項目實例，結合ASME B31.3和DNV規范，介紹FLNG上部模塊管道應力分析方法，著重介紹海上風載、中垂中拱、慣性加速度、爆炸載荷的計算方法，將FLNG劃分為拖航工況、極端工況、爆炸工況，對每種工況進行組合，分析一次應力、二次應力和偶然應力，列舉中垂中拱對二次應力的影響以及爆炸載荷對管口受力的影響，對管道系統的固有頻率和疲勞分析做出指引。