FPSO玻璃鋼管應力分析

石銀輝，寧 俊，李 麗

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

玻璃鋼（Fiberglass Reinforced Plastic，F(xiàn)RP）管是玻璃纖維增強塑料管的簡稱，是一種新型復合材料管。玻璃鋼管主要以玻璃纖維或其制品作為增強材料，以不同種類的樹脂作為基體制作而成，具有許多其他管材無法取代的優(yōu)越性能。與船上常用的碳鋼管和不銹鋼管相比，玻璃鋼管具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、水力學性能優(yōu)異等特點，在船舶與海洋工程領(lǐng)域中的應用越來越廣泛。

應用于船舶與海洋工程的玻璃鋼管工作環(huán)境惡劣，受到風載荷、波浪抨擊等復雜載荷的作用。此外，管路布置不合理等因素常常會導致管道破裂和支架損壞。為提高玻璃鋼管的使用安全性，本文以某浮式生產(chǎn)儲油卸油船（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）的玻璃鋼管為例，采用CAESAR Ⅱ軟件建立排舷外管道的有限元模型，探討壓力、溫度、風載荷、波浪砰擊和船體變形等對管道應力的影響，論證玻璃鋼管在惡劣工況下的應用可行性，從而為玻璃鋼管在船舶及海洋工程中的推廣使用提供依據(jù)。

1 玻璃鋼管的性能

近年來，玻璃鋼管以其獨特的化學性能、物理性能和力學性能，廣泛應用于船舶管路系統(tǒng)，與金屬管材相比，具有3點優(yōu)越性能：

1）耐腐蝕性能好，使用壽命長，安全可靠

玻璃鋼的耐腐蝕性主要取決于富含樹脂的內(nèi)襯層及外保護層，針對不同的腐蝕性介質(zhì)選擇合適的樹脂、玻璃纖維及其制品，可使玻璃鋼管具有良好的耐腐蝕性能，進而廣泛用于各類油脂、污水和海水等介質(zhì)。此外，玻璃鋼還具有抗老化、耐高溫、耐磨損、使用壽命長等優(yōu)點。

2）密度小、重量輕

玻璃鋼管密度僅為鋼管的 1/5～1/4，其壁厚雖較同規(guī)格的鋼管略厚，但其總重量一般不到后者的1/2，因此用玻璃鋼管代替普通鋼管可降低管路重量，進而降低船舶重量。

3）水力學性能優(yōu)異

玻璃鋼管內(nèi)表面光滑、磨阻系數(shù)小，屬于水力學光滑管。使用玻璃鋼管輸送液體與采用相同口徑的船用鋼管相比，可大大減少壓頭損失，降低泵的能耗。此外，玻璃鋼管在使用過程中不結(jié)垢、不生銹、不滋生藻類和其他微生物，因此使用的時間越長，其優(yōu)勢就越明顯。

2 管道應力分析理論

管道應力分析主要在于解決管道在強度、剛度、振動等方面可能產(chǎn)生的問題。根據(jù)應力分析結(jié)果，適當改變管道走向及支撐條件以滿足管道強度和剛度的要求。管道應力分析可分為靜態(tài)分析和動態(tài)分析兩部分：1）靜態(tài)分析主要是對管道進行柔性設(shè)計，保證管道具有足夠的柔性以吸收由于熱脹冷縮及端點位移產(chǎn)生的變形，使管道各節(jié)點的應力小于其許用應力；2）動態(tài)分析主要是對管道進行防振設(shè)計，保證管系有一定的剛度，避免在干擾作用下產(chǎn)生強烈振動。在實際分析中，靜態(tài)分析和動態(tài)分析彼此聯(lián)系又相互矛盾，需要對兩者的結(jié)果進行對比以滿足最終設(shè)計要求。為便于工程應用，可以利用靜態(tài)等效法將動態(tài)載荷轉(zhuǎn)換為靜態(tài)載荷，在此基礎(chǔ)上進行靜態(tài)分析。

在管道設(shè)計過程中，常采用 CAESAR Ⅱ軟件對關(guān)鍵性管路進行力學分析。CAESAR Ⅱ軟件可有效對玻璃鋼等正交各向異性材料進行模擬和分析。此外，CAESAR Ⅱ軟件集成各相關(guān)標準的要求以及多家供應商提供的玻璃鋼產(chǎn)品的材料參數(shù)，在建模和分析時可直接選取這些參數(shù)作為默認值。本文選擇ISO 14692-2: 2017標準對玻璃鋼管進行應力校核。

3 FPSO玻璃鋼管道應力校核工程實例

本文的計算分析基于某FPSO上使用的玻璃鋼管，該FPSO由30萬噸級超大型油輪改裝而成，將服務(wù)于780 m深的海域，設(shè)計壽命為25年，玻璃鋼管采用阿麥隆Bondstrand 7000M環(huán)氧系列。

3.1 管道載荷

FPSO管道系統(tǒng)除了承受壓力、重力、溫度、風等常規(guī)載荷外，還要承受海浪作用下產(chǎn)生的慣性加速度、船體變形、砰擊載荷的影響。在進行應力分析時，需根據(jù)規(guī)范要求和載荷情況進行合理的工況設(shè)計。

3.1.1 壓力、溫度和重力載荷

管線在不同工況下受到壓力和溫度的影響不同，本例中根據(jù)工況的不同定義了3種重力載荷：操作工況重力，磅壓滿水重力和空管重力。其他參數(shù)取值情況如下：計算管線設(shè)計壓力為690 kPa，試驗壓力為1 035 kPa，操作溫度為45 ℃，設(shè)計溫度為65.6 ℃，最低環(huán)境溫度為14.6 ℃，安裝溫度為24.2 ℃，玻璃鋼管密度為1 800 kg/m，流體密度為1 020 kg/m。

3.1.2 加速度載荷

波浪具有一定的隨機性，但波浪本身不直接作用于管道，而是將載荷通過船體和管道支架傳遞給管道。船體在波浪作用下產(chǎn)生加速度載荷，該載荷隨管道位置變化而變化。為簡化計算，取各位置處加速度的最大值進行計算。若因參數(shù)過于保守而導致某處計算不通過，可選取對應位置的加速度重新計算。取操作狀態(tài)下百年一遇風浪環(huán)境的加速度和拖航狀態(tài)下十年一遇非颶風環(huán)境的加速度作為輸入條件，計算得到的管道加速度見表1。

表1 加速度載荷

3.1.3 風載荷

風載荷屬于動態(tài)載荷，應采用動力學方法進行分析，但由于動力學分析方法過于復雜，難以用于實際工程設(shè)計，故常使用等效靜態(tài)方法來分析風載荷。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，風速計算公式為

式中：為距離海平面的高度；為平均周期；(,)為距海平面高度處平均周期內(nèi)的平均風速；為距海平面高度10 m處10 min內(nèi)的平均風速。

3.1.4 船體變形

船體在波浪載荷作用下以及裝載、卸載的過程中會產(chǎn)生交變的船體變形，這種變形極易造成管道的疲勞破壞。當FPSO滿載時，沿船長方向會產(chǎn)生向下的彎曲變形，船體中部下垂，即中垂現(xiàn)象；當FPSO空載時，沿船長方向會產(chǎn)生向上的彎曲變形，船體中部向上拱起，即中拱現(xiàn)象。受船體中垂和中拱的影響，管道在軸向和豎直方向均會產(chǎn)生位移變化。在應力計算中，通常采用在每個支架上添加附加位移的方式模擬波浪引起的中拱變形、波浪引起的中垂變形、空載引起的中拱變形、滿載引起的中垂變形。

3.1.5 波浪砰擊

由于排舷外管布置在船舶舷側(cè)，極端情況下的甲板上浪及砰擊載荷會對船體和甲板暴露物造成破壞性沖擊甚至損壞，因而需要提前考慮并評估波浪砰擊的影響。計算管路同時包含水平管路和豎直管路，需根據(jù)該項目甲板上浪和砰擊載荷評估指南，通過分段輸入的方法將水線以上部分所受的沖擊載荷和水下部分所受的阻力載荷輸入軟件。舷側(cè)橫向管路和豎直管路受波浪砰擊情況分別見圖1和圖2。

圖1 舷側(cè)橫向管路受波浪砰擊情況

圖2 舷側(cè)豎直管路受波浪砰擊情況

3.2 玻璃鋼管性能參數(shù)

由于玻璃鋼的材料屬性沒有統(tǒng)一標準，在對玻璃鋼管道進行計算時，需要廠家提供玻璃鋼產(chǎn)品的材料參數(shù)。本文使用的玻璃鋼管的材料參數(shù)見表2，ISO 14692-2: 2017標準許用應力參數(shù)見表3。

表2 玻璃鋼管材料參數(shù)

表3 ISO 14692-2: 2017標準許用應力參數(shù)

3.3 應力計算模型

在CAESAR Ⅱ軟件中選擇ISO 14692-2: 2017標準和玻璃鋼管，在參數(shù)輸入面板設(shè)定玻璃鋼的各項性能參數(shù)。根據(jù)排舷外管原理圖和管路布置圖，正確輸入管道的密度、管徑和壁厚等性能參數(shù)，以及加載溫度、壓力、加速度、船體變形、波浪抨擊等計算參數(shù)，確定相應的載荷工況組合方法，應力計算模型見圖3。

圖3 排舷外管應力計算模型

3.4 計算結(jié)果分析

根據(jù)項目應力計算規(guī)格書的要求，本文共設(shè)置75個工況：42個基本工況以及由基本工況組合而成的33個組合工況，分別用來校核操作工況下的持續(xù)載荷、膨脹載荷、操作載荷、偶然載荷和疲勞應力，以及拖航工況下的持續(xù)載荷、偶然載荷。根據(jù)計算結(jié)果，對部分支架和管道布置進行優(yōu)化，以使各項校核內(nèi)容滿足標準及項目實際需求。

3.4.1 許用應力

根據(jù)載荷條件和工況條件，計算管道系統(tǒng)在各節(jié)點處的應力，保證應力計算值小于ISO 14692-2: 2017標準的許用應力，確保管道系統(tǒng)的安全。玻璃鋼管道的應力校核是反復優(yōu)化管路的過程，首先對玻璃鋼管道進行初步布置和應力計算，若應力計算結(jié)果超標，通過改變管道走向、調(diào)整支架間距、增加固定支撐等方法來增加管道柔性，降低管道的應力水平，直至所有管道的一次應力和二次應力值都滿足標準要求。

3.4.2 支架受力

在操作工況和拖航工況下，管線在各種載荷的作用下會給支架一定的力和力矩，需要對支架的受力進行校核以保證支架設(shè)計的合理性。通常情況下，在支架豎直方向的載荷超過30 kN、水平方向的載荷超過10 kN時，需要將計算結(jié)果反饋給結(jié)構(gòu)專業(yè)人員評估結(jié)構(gòu)的承受能力以確安全。

3.4.3 變形

由管線自重、內(nèi)部流體重力和集中載荷等導致的豎向變形不得超過12.5 mm。若管線的橫向變形結(jié)果大于25 mm，在管路設(shè)計時需要保留足夠的間隙，避免與其他管路或結(jié)構(gòu)干涉。

3.4.4 法蘭泄漏

除承受內(nèi)部壓力外，管道中的法蘭還要承受管道和介質(zhì)的重量、溫度、振動等載荷引起的軸向力和彎矩。為防止在操作條件下發(fā)生泄漏風險，本文采用NC 3658.3最大屈服強度法對法蘭進行可靠性校核。對有泄漏風險的法蘭，通常采用2種方法進行改進：1）適當修改管道走向，增加柔性，減小作用于法蘭的載荷；2）提高法蘭的壓力等級，增強法蘭的承載能力，進而降低泄漏風險。

3.4.5 振動分析

受到流體作用和動態(tài)載荷的影響，管道會產(chǎn)生振動，需對管路系統(tǒng)進行模態(tài)分析以確定其固有頻率。對于該FPSO項目，正常操作工況下的固有頻率需大于5 Hz。為防止管線自身固有頻率太小導致管道共振，玻璃鋼管線按照廠家規(guī)定設(shè)置支架間距，在彎頭附近設(shè)置導向支架，但注意支架距離彎頭不宜太近，以免限制彎頭處變形，進而導致應力集中及支反力過大。

4 結(jié)論

FPSO服役環(huán)境惡劣，其管道設(shè)計必須滿足玻璃鋼管校核標準和廠家的要求，必須進行嚴格的管道柔性分析以保證其服役過程的連續(xù)性和安全性。本文以服役于深海的FPSO的排舷外管道為實例，從玻璃鋼管的性能、管道載荷工況、應力計算方法等方面對玻璃鋼管的應力分析進行了介紹。本文介紹的玻璃鋼管道應力計算方法及改進措施經(jīng)過了項目驗證，為玻璃鋼管的規(guī)范化計算提供了參考，對玻璃鋼在海洋工程領(lǐng)域的應用具有借鑒意義。