FPSO上部模塊管道應力分析工況研究

紀志遠，李蕾

（海洋石油工程股份有限公司設計院， 天津 300451）

FPSO 是重要的海上油氣開發處理裝置，FPSO上部模塊管道多且十分復雜，同時由于FPSO 漂浮在水面，船體處于不斷運動變化狀態，也對上部模塊管道產生相應影響。因此，對管道進行應力分析，對于保證管道系統安全穩定運行，具有十分重要的作用[1]。應力分析工況對管道應力分析極為重要，是管道應力分析工作的靈魂，因此，本文將專門針對管道應力分析工況進行研究，明確工況組合方式與組合特點，為更好地進行管道應力分析工作，保證管道系統安全，提供基礎參考。

1 FPSO 優點

FPSO 是浮式生產儲卸油裝置，是海洋石油生產中的重要組成部分，其具有適應性強、經濟性能高、可靠性強、可重復利用等功能，目前已被世界各大石油公司廣泛應用于世界各地[2]。

圖1 FPSO 在位運行

2 FPSO 上部模塊管道應力分析荷載

2.1 基本荷載

FPSO 上部模塊管道應力分析計算復雜，應考慮荷載類型多，基本荷載類型對照如表1 所示。

表1 基本荷載類型對照表

2.2 船體加速度荷載

在風浪作用下，FPSO 船體會產生6 個方向自由度的運動，包括垂蕩、橫蕩、縱蕩、艏搖、橫搖和縱搖以及6 個自由度間的組合運動，如圖2 所示。在這6 個自由度運動的影響下，船體運動加速度也隨之改變[3]。船體運動加速度，通過上部模塊結構最終傳遞到模塊的管道。對管道應力分析，可以將運動加速度以操作、極端、運輸拖航3 種方式來區分，且每個模塊的運動加速度也應單獨列出。計算時可以對比上述3 種加速度的大小，取保守值進行評估。

2.3 位移荷載

FPSO 船體變形會引起船體結構變化，而結構的運動偏移則會導致上部模塊管道的位移變形，變形的根本原因是船體受到中垂中拱影響，如圖3 所示。受船體中垂中拱運動影響，管道沿軸向及豎直向會產生位移變化，位移的變化通過在支架上添加附加位移來實現，位移參數可以參照插值計算方法。

圖2 船體運動6 個自由度

船體產生位移荷載主要由船體中垂中拱變形產生的，而導致船體中垂中拱變形主要有兩個方面原因：空載與滿載引起船體變形（D8）與波浪引起船體變形（D9），兩種位移荷載會同時作用，所以應同時考慮它們對管道的影響，應注意上部模塊的位移變形僅為轉動變化而非結構物理破壞變形。

2.3.1 波浪引起變形（D9）

由波浪引起的船體中拱變形（HOGGING）。如果波峰恰巧出現在船體中部時，則該區域的浮力將增加，當波谷位于船的兩端時，浮力會降低。在這種加載條件下將導致船體甲板彎矩增加，導致船舶彎曲[4-5]。為了清楚看出，圖4 給出了極端的中拱變形，此時船體結構可能出現最大的彎曲力矩。

圖3 船體中垂中拱變形示意圖

由波浪引起的中垂變形（SAGGING），當FPSO船體兩端位于波峰處，船中部分位于波谷時，即船體艏艉兩端支撐，而船體中間部分則缺乏支撐。這時船體中部浮力會降低，船體艏艉兩端浮力增加，這種運動變形同樣將導致彎曲力矩，從而導致船舶中垂變形。

圖4 波浪引起中拱變形示意圖

假設船體靜止時模塊位于基準平衡位置，由波浪引起的中垂中拱變形，會使模塊相對于平衡位置左右搖晃運動，因此對于由于波浪引起的中垂中拱變形D9 應該考慮到管支架位移會向兩個方向運動的情況。

圖5 波浪引起中垂變形示意圖

2.3.2 空載與滿載引起變形（D8）

空載與滿載同樣會引起船體中垂中拱變形，進而產生位移變化，此時不考慮波浪對船體的影響。假設船體中間模塊為基準模塊點，空載時每個模塊管道支架均沒有位移，當船滿載時，中間模塊管支架位移為零，其他模塊支架相對于基準模塊的位移量，作為D8 位移來評估管支架位移荷載。

2.3.3 管道變形

中垂或中拱引起上部模塊之間產生的相對位移，進而影響管線的受力和變形。通過假定船體梁彎曲變形曲線為一段圓弧線，遵循材料力學關于梁彎曲變形的幾項基本假設，船體中垂變形時，中性軸長度保持不變、甲板縮短、船底伸長；船體中拱變形時，中性軸仍然保持不變，但甲板和船底變形趨勢相反。管道離中性軸越遠，高度越高，變形也就越大。管道位于結構上，由于結構變形，管道也將產生變形。結構變形引起管道變形如圖6 所示。

圖6 管道變形示意圖

應注意并不是所有模塊的所有管道均應考慮中垂中拱影響，當管道在一個模塊內，可以忽略中垂中拱的影響；管道在不同的模塊間，則不可忽略中垂中拱的影響。

2.4 風荷載

船體風載的選取可以參照ABS 的FPSO 建造安裝指南，操作工況選取1年一遇的風載，拖航工況選取500年一遇的風載。

3 工況組合分析

FPSO 上部模塊工況組合時綜合了兩種組合方式，對于結果要求敏感的運動加速度U1、U2、U3采用復合荷載組合，對于風載（WIN）、偶然泄放力（F1）等則采用了單獨荷載方式，不參與運算得出即直接給出，方便理解，也減少了工況的總體數量。

工況組合見表4，工況組合有時并不能完全覆蓋計算需要，可根據實際需求進行補充。

表4 FPSO 上部模塊管道應力分析工況

4 結論

本文通過對FPSO 上部模塊需要考慮的荷載類型以及工況組合方法、工況組合進行了詳細介紹，進一步明確了FPSO 上部模塊管道應力分析的基本方法，特別是工況設計，FPSO 上部模塊管道應力分析工作復雜，只有對FPSO 運動特點及上部模塊管道結構及管道變形有了清楚的認識，才能更好地進行管道應力分析工作。FPSO 常年服役于海上，工作環境惡劣，對FPSO 上部模塊管道進行詳細的管道應力分析，對于保證FPSO 系統的安全運行具有重要意義。