FPSO上部模塊管道應(yīng)力分析工況研究

紀(jì)志遠(yuǎn)，李蕾

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院， 天津 300451）

FPSO 是重要的海上油氣開發(fā)處理裝置，F(xiàn)PSO上部模塊管道多且十分復(fù)雜，同時(shí)由于FPSO 漂浮在水面，船體處于不斷運(yùn)動(dòng)變化狀態(tài)，也對(duì)上部模塊管道產(chǎn)生相應(yīng)影響。因此，對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析，對(duì)于保證管道系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有十分重要的作用[1]。應(yīng)力分析工況對(duì)管道應(yīng)力分析極為重要，是管道應(yīng)力分析工作的靈魂，因此，本文將專門針對(duì)管道應(yīng)力分析工況進(jìn)行研究，明確工況組合方式與組合特點(diǎn)，為更好地進(jìn)行管道應(yīng)力分析工作，保證管道系統(tǒng)安全，提供基礎(chǔ)參考。

1 FPSO 優(yōu)點(diǎn)

FPSO 是浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置，是海洋石油生產(chǎn)中的重要組成部分，其具有適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性能高、可靠性強(qiáng)、可重復(fù)利用等功能，目前已被世界各大石油公司廣泛應(yīng)用于世界各地[2]。

圖1 FPSO 在位運(yùn)行

2 FPSO 上部模塊管道應(yīng)力分析荷載

2.1 基本荷載

FPSO 上部模塊管道應(yīng)力分析計(jì)算復(fù)雜，應(yīng)考慮荷載類型多，基本荷載類型對(duì)照如表1 所示。

表1 基本荷載類型對(duì)照表

2.2 船體加速度荷載

在風(fēng)浪作用下，F(xiàn)PSO 船體會(huì)產(chǎn)生6 個(gè)方向自由度的運(yùn)動(dòng)，包括垂蕩、橫蕩、縱蕩、艏搖、橫搖和縱搖以及6 個(gè)自由度間的組合運(yùn)動(dòng)，如圖2 所示。在這6 個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的影響下，船體運(yùn)動(dòng)加速度也隨之改變[3]。船體運(yùn)動(dòng)加速度，通過上部模塊結(jié)構(gòu)最終傳遞到模塊的管道。對(duì)管道應(yīng)力分析，可以將運(yùn)動(dòng)加速度以操作、極端、運(yùn)輸拖航3 種方式來區(qū)分，且每個(gè)模塊的運(yùn)動(dòng)加速度也應(yīng)單獨(dú)列出。計(jì)算時(shí)可以對(duì)比上述3 種加速度的大小，取保守值進(jìn)行評(píng)估。

2.3 位移荷載

FPSO 船體變形會(huì)引起船體結(jié)構(gòu)變化，而結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)偏移則會(huì)導(dǎo)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(yùn)動(dòng)影響，管道沿軸向及豎直向會(huì)產(chǎn)生位移變化，位移的變化通過在支架上添加附加位移來實(shí)現(xiàn)，位移參數(shù)可以參照插值計(jì)算方法。

圖2 船體運(yùn)動(dòng)6 個(gè)自由度

船體產(chǎn)生位移荷載主要由船體中垂中拱變形產(chǎn)生的，而導(dǎo)致船體中垂中拱變形主要有兩個(gè)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(huì)同時(shí)作用，所以應(yīng)同時(shí)考慮它們對(duì)管道的影響，應(yīng)注意上部模塊的位移變形僅為轉(zhuǎn)動(dòng)變化而非結(jié)構(gòu)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(xiàn)在船體中部時(shí)，則該區(qū)域的浮力將增加，當(dāng)波谷位于船的兩端時(shí)，浮力會(huì)降低。在這種加載條件下將導(dǎo)致船體甲板彎矩增加，導(dǎo)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(shí)船體結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)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(dāng)FPSO船體兩端位于波峰處，船中部分位于波谷時(shí)，即船體艏艉兩端支撐，而船體中間部分則缺乏支撐。這時(shí)船體中部浮力會(huì)降低，船體艏艉兩端浮力增加，這種運(yùn)動(dòng)變形同樣將導(dǎo)致彎曲力矩，從而導(dǎo)致船舶中垂變形。

圖4 波浪引起中拱變形示意圖

假設(shè)船體靜止時(shí)模塊位于基準(zhǔn)平衡位置，由波浪引起的中垂中拱變形，會(huì)使模塊相對(duì)于平衡位置左右搖晃運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)于由于波浪引起的中垂中拱變形D9 應(yīng)該考慮到管支架位移會(huì)向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)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(huì)引起船體中垂中拱變形，進(jìn)而產(chǎn)生位移變化，此時(shí)不考慮波浪對(duì)船體的影響。假設(shè)船體中間模塊為基準(zhǔn)模塊點(diǎn)，空載時(shí)每個(gè)模塊管道支架均沒有位移，當(dāng)船滿載時(shí)，中間模塊管支架位移為零，其他模塊支架相對(duì)于基準(zhǔn)模塊的位移量，作為D8 位移來評(píng)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(chǎn)生的相對(duì)位移，進(jìn)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(xué)關(guān)于梁彎曲變形的幾項(xiàng)基本假設(shè)，船體中垂變形時(shí)，中性軸長度保持不變、甲板縮短、船底伸長；船體中拱變形時(shí)，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(yuǎn)，高度越高，變形也就越大。管道位于結(jié)構(gòu)上，由于結(jié)構(gòu)變形，管道也將產(chǎn)生變形。結(jié)構(gòu)變形引起管道變形如圖6 所示。

圖6 管道變形示意圖

應(yīng)注意并不是所有模塊的所有管道均應(yīng)考慮中垂中拱影響，當(dāng)管道在一個(gè)模塊內(nèi)，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(fēng)荷載

船體風(fēng)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(fēng)載，拖航工況選取500年一遇的風(fēng)載。

3 工況組合分析

FPSO 上部模塊工況組合時(shí)綜合了兩種組合方式，對(duì)于結(jié)果要求敏感的運(yùn)動(dòng)加速度U1、U2、U3采用復(fù)合荷載組合，對(duì)于風(fēng)載（WIN）、偶然泄放力（F1）等則采用了單獨(dú)荷載方式，不參與運(yùn)算得出即直接給出，方便理解，也減少了工況的總體數(shù)量。

工況組合見表4，工況組合有時(shí)并不能完全覆蓋計(jì)算需要，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行補(bǔ)充。

表4 FPSO 上部模塊管道應(yīng)力分析工況

4 結(jié)論

本文通過對(duì)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(jìn)行了詳細(xì)介紹，進(jìn)一步明確了FPSO 上部模塊管道應(yīng)力分析的基本方法，特別是工況設(shè)計(jì)，F(xiàn)PSO 上部模塊管道應(yīng)力分析工作復(fù)雜，只有對(duì)FPSO 運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及上部模塊管道結(jié)構(gòu)及管道變形有了清楚的認(rèn)識(shí)，才能更好地進(jìn)行管道應(yīng)力分析工作。FPSO 常年服役于海上，工作環(huán)境惡劣，對(duì)FPSO 上部模塊管道進(jìn)行詳細(xì)的管道應(yīng)力分析，對(duì)于保證FPSO 系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。