通用型FPSO壓載水管路系統泵口載荷及法蘭泄漏分析

伍加凱，竇培林，周校軍

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

通用型浮式生產儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)管路系統設計有其自身特點，需要綜合考慮管線和管支架的強度、截面剛度和管線敷設坡度、管線允許的最大撓度進行確定，并用強度條件校核，以保證管線、支吊架和設備同時滿足剛度和強度的要求。服役期內關鍵管系一旦發生故障、損壞[1]，會影響整個海上油田生產流程的正常運行，在嚴重情況下會造成巨大經濟損失。實際工程管子的載荷作用在泵口處時，可能由于載荷過大在泵口處引起較大的變形，影響泵的正常運行。同時，管子位移過大，軸向應力過大會引起泵口法蘭泄漏而影響管內介質的傳輸，所以需要檢查泵口載荷及法蘭泄漏來保證設計方面的安全有效。

以通用型FPSO H1468為研究對象，針對其壓載水管路系統的初步設計方案進行泵口載荷及法蘭泄漏分析，為通用型FPSO壓載水管道系統安全設計及優化提供依據，進一步提高通用型FPSO管道系統設計的安全性。

1 泵設備三維模型模擬

評判泵載荷的第一步就是收集泵及載荷的信息，API 610用2個標準來檢驗泵載荷：獨立管口載荷和泵機架上的組合管口載荷[2]。進口和出口管嘴根據管口的方向及尺寸得出一組允許載荷極限，不僅檢驗獨立的x、y、z方向的分量，而且檢驗合成力及合成力矩。另外，為保證泵的正確校準，泵的所有載荷均根據一基礎點求解得到，校核采用交互方法，將校核結果與許用值進行比較。圖1的右半部為某一泵進口處校核標準許用值數據。

圖1 泵設備管口數據輸入方法

在實際建模過程中，泵體的模型并不能完全建立在軟件中，需要根據實際情況對其進行等效化處理[3]。一般將泵口法蘭作為固定點模擬，但是有些船舶所有人要求把泵體的熱脹也考慮在內。這時，可在泵口做1個關聯點，將節點2890關聯節點10240，把真實的固定點模擬至泵的基座。泵體為節點10240至節點10250，固定節點10250為泵的基座，兩端分別為泵的進口和出口，其三維建模數據及步驟如圖2所示。

圖2 泵設備三維建模方法

2 壓載水管路系統泵口載荷及法蘭泄漏分析

由于泵體剛性較大，管口受力不可能通過泵體的變形來減小，因此用壁厚較厚的剛性件來模擬泵體。圖3為建立模型隱藏支架后所得到的效果圖，并附有節點信息。

FPSO常年在深海進行石油開采、處理和儲運作業，當FPSO外輸原油時，吃水降低，船舶的穩性下降，需要通過壓載水管路系統來調整FPSO的浮態，因此壓載水管路系統的安全是FPSO在海上正常安全作業的前提[4]。主要對壓載水管路系統玻璃鋼管道進行泵口載荷及法蘭泄漏分析，其中法蘭泄漏分析校核在最高設計溫度T1和最低設計溫度T2兩種工況下的載荷。

圖3 泵設備三維圖及節點標識

2.1 建立數值模型

壓載水管路系統玻璃鋼管道采用英國海上作業者協會(United Kingdom Offshore Operators’ Association,UKOOA)規范，其特性及材料屬性如表1所示。取其中一段壓載泵管路進行展示，模型如圖4所示。

表1 壓載水管路系統玻璃鋼管道特性和材料屬性

圖4 壓載泵管路模型

2.2 載荷工況設置

對玻璃鋼管壓載水系統設置分析工況時，由于壓載水系統位于艉部機艙內，因此，不考慮風載荷對管道系統造成的影響，只考慮重力載荷、溫度載荷、慣性載荷及船體變形的影響。在一般工況下，船體在風浪作用下的最大垂向加速度為1.84 m/s2，最大橫向加速度為1.23 m/s2，最大縱向加速度為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為2.71 m/s2，最大橫向加速度為2.57 m/s2，最大縱向加速度為1.54 m/s2。附加位移綜合考慮到溫度變化和船體變形的情況。

2.3 壓載水管路系統泵口載荷分析

泵口載荷校核分5個步驟：首先，通過Tribon M3建立CAESAR Ⅱ三維模型，根據管徑及限值載荷大小來判斷泵的進口和出口，在設備描述里面添加信息；第二，輸入泵的基本信息，包括泵的形式、泵口的方向、泵的基座節點號、進口節點號及尺寸、出口節點號及尺寸等；第三，輸入進口的力和力矩值；第四，輸入出口的力和力矩值；第五，將計算輸出結果與泵供應商所給的限值載荷進行對比，得到分析報告[5]。在實際計算中，由于計算結果比較保守，可能出現超出限值情況，這是合理的，但具體范圍需要與船舶所有人協商。根據上述步驟，對泵口載荷進行計算，結果如表2和表3所示。

通過得出的分析報告可看出：所選取壓載泵進出口的載荷最大值在進口Fa處，此處力和力矩比值達0.6，其他各處均在0.1左右，因此泵口及管路設置方案合理，應力符合規范要求，安全性較好。

2.4 壓載水管路系統泵口法蘭泄漏分析

根據CAESAR Ⅱ所建立的模型對玻璃鋼管道泵口法蘭泄漏進行校核，取法蘭較為密集部位進行結果展示，如表4和表5所示。

通過得出的分析報告可看出：在最高設計溫度T1操作工況下，玻璃鋼管道泵口法蘭泄漏符合規范的要求，法蘭設置方案合理，整條管路泵口法蘭設置安全性良好；在最低設計溫度T2操作工況下，玻璃鋼管道泵口法蘭泄漏出現部分超額，由于此計算原本就很保守，而船舶所有人給出的標準是不超過150%，上述計算結果部分超額最大值僅在120%左右且為個別，因此此工況的校核結果滿足要求。優化模型后，雖然部分校核計算結果可能不滿足規范，但是在實際工程中，這并不是必需的，存在保守計算，可滿足實際需求。

3 結 論

通用型FPSO管路系統的復雜性和緊湊性相比傳統FPSO有顯著提升，作業負荷更大，油氣泄漏和火災風險更高，壓載水管路系統泵口載荷過大及法蘭泄漏導致的停工停產現象時有發生，此類安全問題一直是關注的重點。以通用型FPSO H1468的壓載水管路系統為研究對象，給出泵設備的三維模擬方法，通過CAESAR Ⅱ軟件計算，得到的應力分析結果均在規定的校核范圍之內，設備正常運行，證明通用型FPSO H1468壓載水管路系統玻璃鋼管道設計中泵口及法蘭設置的合理性和可行性，為后續新型通用型FPSO開發壓載水管路設計提供技術借鑒。

表2 壓載泵進口載荷校核結果

表3 壓載泵出口載荷校核結果

表4 最高設計溫度T1工況的校核結果

表5 最低設計溫度T2工況的校核結果