FPSO主甲板冷卻水管路系統的加速度載荷應力分析

王 震, 竇培林, 袁洪濤, 陳慧敏

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212100；2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

浮式生產儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)常年工作在海上，惡劣的工作環境和油氣開發工作的特殊性使其必須快速提高管路系統的安全性。在實際運行過程中，除重力、壓力、溫度等一些常見載荷外，需特別注意由風浪作用于船體產生的加速度載荷對管路系統的影響。主甲板冷卻水管路系統作為FPSO的重要管路系統，是FPSO安全運行的重要保障。因此，對其進行應力分析是較為必要的。

王戰勇等[1]提出在計算加速度載荷時根據每個模塊的最大加速度值代替加速度值進行計算。王春霞[2]提出將加速度作為持續載荷，按照操作、極端、爆炸等3種工況和船舶的縱向、垂向、橫向等3種方向選定不同加速度參數，代替管道加速度。伍加凱等[3]在進行壓載水系統應力分析時，載荷工況為一般工況和極端工況的加速度載荷。杜曉程[4]提出將通過船舶運行航線和船舶設計參數計算得到的運動加速度作為加速度載荷，用于玻璃鋼壓載水管道的應力分析。張建[5]將普通工況和極端工況的加速度載荷作為偶然載荷，并將其作為基礎載荷疊加分析其他工況。馬李琛[6]將普通工況和極端工況引起的加速度載荷施加至管道上，并考慮其他載荷的影響。MEESAWASD等[7]在研究地下結構的埋地管道時，為研究偶然載荷的影響，采用具有各種加速度幅度的地面加速度，結果表明，埋地管道應力隨深度和加速度的增加而增加。HWANG等[8]根據國際地質大會(IGC)規則規定的由位置變化得到的加速度公式，將計算得到的加速度作為持續載荷，并將其用于整個管道系統反映慣性力。CHOI等[9]在研究加速度載荷對液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)燃料箱的影響時，將吃水條件下的加速度載荷代入計算，結果表明，橫向加速度載荷對燃料箱影響最大。WU等[10]提出采用譜分析方法測量作用于長輸油管道的加速度3個方向上的加速度分量，且管道不同位置處的加速度載荷不同，得出減小彎曲角度可降低管道應力和位移的結論。LIU等[11]針對隨機振動下的飛機液壓管路動態可靠性，提出一種新的定量評價方法，通過理論計算、仿真和試驗對比，進行加速載荷激勵和隨機振動下的飛機液壓管路應力分析。

綜上所述，目前關于作用于管道的加速度載荷大多是以重心處的加速度作為船舶運動的實際加速度載荷，與以主甲板處的加速度作為船舶運動的實際加速度載荷相比，計算結果存在冗余度高、不精確的缺點。因此，基于中國船級社《鋼質海船入級規范》[12]，利用MATLAB開發加速度提取程序，用于提取通用型FPSO船體任意位置處與重心處的加速度，將其以均布載荷的方式施加至管道上，分析兩種加速度載荷影響下的管道應力區別。

1 加速度提取

1.1 通用型FPSO參數

國內某船廠設計建造的通用型FPSO的主要參數如表1所示。

表1 FPSO主要參數

1.2 重心處加速度

FPSO船體采用右手坐標系：坐標原點位于FPSO滿載工況的水線面與尾垂線的交點O；水線面與中線面的交線為x軸，指向艏部為正；水線面與中站面的交線為y軸，指向左舷為正；中線面與中站面的交線為z軸，向上為正。建立Oxyz三維直角坐標系，如圖1所示。

圖1 船體坐標系

FPSO在風浪的作用下，其首搖的影響與其他5個方向的自由度運動影響相比較小，因此可忽略[13]。根據《鋼質海船入級規范》，其縱向、橫向、垂向、橫搖、縱搖加速度的計算方式如下：

由縱蕩產生的縱向加速度為

(1)

式中：kfT為裝載條件下的吃水與結構吃水比值；L為船長；CB為方形系數；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

由橫蕩產生的橫向加速度為

(2)

式中：B為型寬。

由垂蕩產生的垂向加速度為

(3)

橫搖加速度為

(4)

式中：θ為橫搖運動的橫搖角；Tθ為橫搖運動的橫搖周期，與橫搖回轉半徑和初穩心高有關。

縱搖加速度為

(5)

式中：φ為縱搖運動的縱搖角；Tφ為縱搖運動的縱搖周期，與船長和不同裝載條件下的吃水與結構吃水比值有關。

1.3 任意位置處的加速度

任意位置處的縱向加速度為

(6)

任意位置處的橫向加速度為

(7)

任意位置處的垂向加速度為

(8)

式(6)～式(8)中：apitch_x為由縱搖產生的縱向加速度，m/s2；aroll_y為由橫搖產生的橫向加速度，m/s2；apitch-z為由縱搖產生的垂向加速度，m/s2；aroll_z為由橫搖產生的垂向加速度，m/s2。

主甲板冷卻水管路系統沿船長布置，加速度的大小與船長密切相關，因此作用于管路的加速度載荷變化范圍較大，具有典型性。根據通用型FPSO的主要參數和上述公式，結合開發的程序和輸入節點的位置，即可求得相應位置處的加速度。在計算大量的點的加速度時，效率更高、更精確。

2 管道應力分析

以主甲板冷卻水管路系統作為分析對象。

以船體生產設計坐標為計算分析坐標，根據主甲板冷卻水管路系統的三維放樣模型建立相應的CAESARⅡ模型，采用美國機械工程師協會(ASME)《工藝管道》(ASME B31.3)進行校核，管路模型和相關數據如圖2和表2所示。

圖2 主甲板冷卻水管路系統模型

表2 主甲板冷卻水管路系統特性和材料屬性

2.1 加速度載荷

在實際運行過程中，波浪通過FPSO船體作用于管路系統。由于波浪的持續性，船體和管路所受的加速度載荷會持續存在，可作為靜載荷施加。其作用于管路的形式一般為兩種：①作為偶然載荷，并將其作為基礎載荷疊加分析其他工況；②作為持續載荷，通過將其用于整個管路系統反映慣性力。

波浪作用產生的加速度載荷通過船體和管道支架作用于管道，管道不同位置所受加速度載荷不同。利用MATLAB軟件開發的加速度加載程序可準確計算船體任意位置處的加速度，將其代入計算，結果較為準確。根據主甲板冷卻水管路系統分布特點，選取管道上的典型節點，包括管道模型的起點和終點、彎管部分、管道與法蘭連接部分，在船舶滿載工況條件下根據其所在船體的位置進行加速度提取。重心處的加速度：縱向加速度ux=6.543 10 m/s2；橫向加速度uy=0.801 34 m/s2；垂向加速度uz=0.537 34 m/s2。不同節點處的加速度：縱向加速度ux=6.553 20 m/s2；橫向加速度uy=0.823 48 m/s2；垂向加速度uz如表3所示。

表3 不同節點處垂向加速度 m·s-2

任意位置處的垂向加速度值變化不明顯，這主要是由于所選用的主甲板冷卻水管路系統縱向跨距大，而橫向和垂向跨距較小。根據任意位置處的加速度提取公式，表3中的任意節點處垂向加速度值與任意位置點橫坐標x和縱坐標y有關，因此在該任意點的橫坐標和縱坐標改變時，其垂向加速度會隨之改變。主甲板冷卻水管路平鋪在主甲板上，其垂向坐標為定值，因此受垂向坐標z影響的任意位置處的縱向和橫向加速度同樣為定值。

2.2 風載荷

主甲板冷卻水管路及其分支均位于船體主甲板上，風載荷對船體和管路系統均會產生影響。風載荷的計算公式為

Pw=W0KKzDsinβ

(9)

式中：Pw為風載荷(作用方向垂直于管道)，N/m；W0為所在地區10 m高度處的基本風壓，N/m2；K為風載荷體型系數；Kz為風壓高度變化系數；D為管道外徑，m；β為風向與管道軸線之間的夾角。

在計算中可將風載荷作為偶然載荷，且風載荷平行于FPSO(x軸或y軸)方向，最大風速考慮百年一遇風載荷，取34.51 m/s。

2.3 載荷工況設置方法

通過CAESARⅡ軟件進行工況組合：W為管道空重；WW為充滿介質的管道質量；P1為設計壓力；PH為試驗水壓；T1為設計最高溫度；T2為設計最低溫度；U1為滿載工況條件下的FPSO重心處加速度載荷；U2為滿載工況條件下的FPSO主甲板左側加速度載荷；QWIN1和QWIN2為極端工況條件下的風載荷。

船體管道應力分析工況可根據不同工況和應力類型進行組合。根據ASME B31.3，對于FPSO管路系統，主要評估持續載荷、加速度載荷和風載荷。選擇一種常用的組合方式，工況設置如表4所示。

表4 主甲板冷卻水管路系統分析工況設置

3 計算結果分析

主要研究風載荷與加速度載荷共同作用下的管道應力變化情況(對應工況L9～L12)，對管道典型節點位置不同加速度作用下的應力值進行比較，如表5所示。由表5可知：在同一節點處，不同加速度作用下的管道節點應力值增量不明顯；增量最大值為144.8 kPa，增加1.01%；增量最小值為-26.8 kPa，減少0.19%。增量最大的節點50和增量最小的節點2570均位于管道的三通處，其節點應力云圖如圖3所示。

圖3 節點應力云圖

表5 不同加速度作用下不同位置節點應力值 kPa

4 結 論

(1)針對該管路系統，在其他載荷相對恒定的情況下，選取管道上的多個典型位置(彎管、三通、法蘭等處)，研究管路系統同一位置的兩種不同加速度(重心處和主甲板處的加速度)載荷作用下的管道應力值。主甲板處加速度載荷作用下的應力值在多數節點處均大于重心處加速度載荷作用下的應力值，但在三通處和彎管處(節點1520)有所不同。

(2)在進行管道應力分析時，作用于管道的加速度載荷大多采用船體重心處的加速度，而對于通用型FPSO，在采用重心處加速度作為作用于管道的加速度載荷時，一旦該管道位置距離重心較遠，其實際位置處的加速度不再等同于重心處的加速度。因此，為精確分析其管道應力，開發提取任意位置處的加速度程序，可精準施加于管道。

(3)在管道設計中，在以重心處加速度計算的管道應力大于以主甲板處加速度計算的管道應力時，會出現應力冗余的情況，造成管材浪費，從而增加成本；在以重心處加速度計算的管道應力小于以主甲板處加速度計算的實際管道應力時，會降低管路系統的安全性。

(4)針對不同的海況，可根據FPSO重心處加速度作用下的管道應力值的變化情況，得出FPSO在某一范圍內的應力值變化情況，更換為普通管道，而在彎管、三通等處更換為高強度管道，從而在不降低管道安全性的前提下節約成本，可為后續的管道應力分析工作和管道設計提供參考。

(5)針對FPSO某些應力過于集中的管道，即使1%的應力增加也有可能引起嚴重后果。因此，應充分考慮管道的實際應力值，并將應力增量考慮在內，對接近許用應力值的管道進行更換。對于本身所受應力值較小的管道，可以更換為普通管道。