海上浮式裝置傾斜、搖擺載荷下管道應力分析研究

王偉，張富美，張立德，肖夢凡，田顯偉

（中廣核研究院有限公司，深圳 518000）

隨著石油、化工、核電等領域迅速的發(fā)展，海上浮式裝置得到了廣泛應用。巨大的海上風浪會使海上浮式裝置發(fā)生傾斜，并產生劇烈的搖擺，有可能破壞裝置內的管道系統(tǒng)，造成巨大的安全隱患和經(jīng)濟損失。為了確保管道系統(tǒng)在海洋條件下的各項功能，對海上浮式裝置管道進行力學分析時，必須考慮海洋條件的傾斜、搖擺載荷。

與陸上常規(guī)工業(yè)管道相比，海上浮式裝置空間有限，管道布置復雜，還需額外考慮傾斜、搖擺等海洋條件特殊載荷。本文利用PepS[1]管道應力分析軟件，采用逆向工程[2]與有限元相結合的方法進行計算建模，考慮了壓力、自重、熱膨脹、傾斜、搖擺、沖擊等載荷，對海上浮式裝置管道實例進行了數(shù)值模擬研究分析，并對海上浮式裝置管道載荷系數(shù)法給出了修正建議，更加真實地反應海上浮式裝置管道的結構應力情況，為海上浮式裝置管道的應力分析提供了有效示例。

1 管道基本情況

1.1 管道參數(shù)

計算中使用的管線截面尺寸：外徑為48.3 mm、壁厚為3.68 mm，管線材料為TP304L[3]。根據(jù)石油、化工、核電等領域管道評定要求，規(guī)范等級評定時使用美國機械工程師學會（ASME）鍋爐及壓力容器規(guī)范中的B31.1 壓力管道標準[4]。

1.2 管道建模

海上浮式裝置的相對空間狹小，布置環(huán)境復雜，因此為了保證后續(xù)管道有限建模計算的可靠性，采用了基于三維激光掃描的逆向工程技術建立復雜管道模型[5]，以三維激光掃描方法獲取海上浮式裝置實際管道的表面三維坐標數(shù)據(jù)，基于該坐標數(shù)據(jù)進行管道關鍵節(jié)點位置的建模，從而建立完整的海上浮式裝置管道模型，逆向工程管道模型如圖1 所示。

1.3 管道布置

根據(jù)管道應力分析軟件PepS 有限元建模機理，對管道布置結構進行一定的劃分后，進行有限元網(wǎng)格劃分。管道邊界點信息為1、165 節(jié)點為緊固點，錨固管道6 個自由度，其他節(jié)點為管道支架，分別起導向和豎直支撐功能。管道的有限元模型如圖2 所示。

圖1 逆向工程管道模型Fig.1 Reverse engineering pipeline model

2 加載情況

2.1 基本參數(shù)

管道采用在豎直方向施加9.81 m/s2加速度的方法模擬自重載荷，設計工況下的溫度和壓力分別選用110 ℃和1.2 MPa，正常工況下的溫度和壓力選用60 ℃和0.55 MPa。

2.2 海洋條件傾斜載荷

有風浪條件下，海上浮式裝置會發(fā)生傾斜，包括靜橫傾和靜縱傾。根據(jù)《浮式裝置入級規(guī)范》[6]第5 篇和《海上移動平臺入級規(guī)范》[7]第4 篇，要求所有與浮式裝置安全相關的機械設備和系統(tǒng)應能按表1規(guī)定的傾斜角條件下進行安全操作。

表1 海洋條件浮式裝置傾斜角Table 1 Ocean condition floating device tilt angle

根據(jù)表1 要求，本次海上浮式裝置管道應力分析，選取橫傾角為15°，縱傾角為5°。由于橫傾和縱傾可能同時發(fā)生，考慮單一傾斜和正負號組合，共計8 種組合方式。根據(jù)不同角度將本體重力加速度進行分化，分析中考慮各個分量上的加速度，結合質量考慮慣性力對管道系統(tǒng)的結構強度影響。

2.3 海洋條件搖擺載荷

有風浪條件下，海上浮式裝置還會產生搖擺，對裝置上的結構和設備產生慣性力，為保護裝置內管道系統(tǒng)的功能性，需考慮裝置運動產生的慣性力，慣性力的大小除了與設備的重量有關外，還與所在裝置的位置、裝置的運動幅值和周期等參數(shù)有關。不同裝置和載重量在不同海況下的搖擺角度和搖擺周期不同，根據(jù)船級社規(guī)范[6-7]和我國軍標艦船設備環(huán)境試驗與工程導則[8]，本次應力分析搖擺角度和周期分別為：橫搖角45°，橫搖周期5s，縱搖角10°，縱搖周期3 s。

2.4 載荷系數(shù)法

海上浮式裝置受海上風浪影響，搖擺運動引起的慣性力，可以通過計算載荷系數(shù)來確定。載荷系數(shù)是結構或設備等由于重力加速度和運動加速度使其在縱向、橫向和垂向上受到的載荷與重力的比值。載荷系數(shù)計算公式為：

本次應力分析中。參數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)海上浮式裝置入級規(guī)范和實際情況選取，見表2。

表2 載荷系數(shù)法參數(shù)Table 2 Load factor method parameters

在進行管道應力分析時，由于每個節(jié)點的坐標位置不一樣，使得每個節(jié)點上的載荷系數(shù)不同，需要將整個模型上每個節(jié)點處的重力計算出來，乘以每個節(jié)點上3 個方向的載荷系數(shù)，再在每個節(jié)點上施加3個方向的集中力，該方法過于繁瑣復雜，不現(xiàn)實。

因此實際計算中，分別取模型中3 個方向坐標絕對值的最大值，組成一個虛擬的節(jié)點，采用這個節(jié)點的坐標系來計算載荷系數(shù)，模型中所有節(jié)點的載荷系數(shù)都采用這個節(jié)點的載荷系數(shù)，這樣，就可以在整個模型的3個方向上分別施加3個載荷系數(shù)倍（考慮3個方向上正負號的組合）的重力加速度，計算出在搖擺作用下管道各個節(jié)點所受的應力，進而按照管道應力評定方程對管道應力進行分析評價。為方便計算，本次選取的虛擬坐標為模型中3 個方向坐標的絕對值的最大值，為（8.594，6.271，25.461）。

根據(jù)表3 中參數(shù)和計算公式，三個方向上的載荷系數(shù)分別為，Gx=0.460，Gy=2.834，Gz=4.366（垂直向下），Gz=2.366（垂直向上）。

2.5 評定規(guī)范

根據(jù)ASME 規(guī)范B31.1 壓力管道標準和實際情況，海上浮式裝置管道應力分析[9]需分為無風浪本體自重和有風浪傾斜、搖擺兩種情況，兩種情況所考慮載荷不一樣，具體載荷以及組合評定方法見表3。

表3 工況組合方法Table 3 Working condition combination methods

根據(jù)ASME 規(guī)范B31.1 壓力管道標準相關要求，評定公式如下。

由上述公式可知，設計工況下式（11A）評定持續(xù)載荷造成的應力影響，防止管道過度變形、塑性失穩(wěn)、彈性和彈塑性失穩(wěn)；運行工況下式（12A）評定持續(xù)載荷和臨時載荷共同造成的應力影響；式（13A）評定熱膨脹造成的應力影響，防止管道漸進性變形和疲勞。

3 應力分析結果研究

根據(jù)ASME 規(guī)范B31.1 壓力管道標準，海上浮式裝置有風浪和無風浪條件下管道應力分析最大值結果對比如見表4 和表5。

根據(jù)表4、5 評定結果可知，有風浪和無風浪條件下，管道二次應力即熱膨脹造成的應力值一樣，均為47.54 MPa，傾斜、搖擺載荷屬于一次應力，對管道熱膨脹沒有影響。

上述結果中，虛擬坐標取模型中最大值，設計工況和運行工況下，式（11A）和式（12A）最大節(jié)點應力比分別為0.519、0.664，虛擬坐標取該節(jié)點坐標實際值時，式（11A）和（12A）應力比分別為0.499、0.647。應力比有一定的減小，可知，虛擬坐標取實際值可以降低一定應力分析結果的保守性，更真實地反應管道的結構應力情況。

表4 設計工況下應力分析對比Table 4 Stress analysis comparison under design conditions

表5 運行工況下應力分析對比Table 5 Stress analysis comparison under operating conditions

提取軟件分析結果，管道壓力造成的應力值為1.4 MPa。同樣設計工況下，去除壓力影響，有風浪條件考慮浮式裝置傾斜、搖擺載荷，所造成的應力值為55.99 MPa，無風浪條件只考慮浮式裝置本體自重載荷造成的應力值為9.52 MPa，兩者對比，傾斜、搖擺載荷造成的應力影響為自重載荷的5.88 倍，在同時考慮臨時載荷的情況下，式（12A）應力比高達0.647?？芍∈窖b置產生傾斜、搖擺載荷時，對管道造成了巨大的應力作用，所以在設計階段浮式裝置管道應力分析研究中，必須考慮由風浪引起的傾斜、搖擺載荷。

4 結論

（1）本文分析海上浮式裝置有風浪情況下，采用載荷系數(shù)法，考慮了浮式裝置管道傾斜、搖擺等特殊載荷，為方便計算，虛擬坐標為模型中3 個方向坐標的絕對值的最大值，虛擬節(jié)點坐標與實際節(jié)點坐標存在差異，因此計算出來的搖擺載荷具有一定的保守性。

（2）對管道進行應力分析評定時，如存在應力計算值超標或者過大的節(jié)點，為真實地反映海上浮式裝置管道的結構應力情況和降低設計成本，可用該節(jié)點實際坐標計算出3 個方向上的載荷系數(shù)，重新計算管道系統(tǒng)的搖擺載荷，進行該節(jié)點的應力評定，能夠降低一定的保守性。

（3）經(jīng)過對比分析海上浮式裝置有風浪和無風浪兩種條件下應力分析結果，浮式裝置產生傾斜、搖擺載荷時，對管道造成了巨大的應力作用，在海上浮式裝置管道設計階段，一定需先分析所處海域特性，根據(jù)標準規(guī)范，確定風浪條件下，造成的海上浮式裝置的最大傾斜角、搖擺角和搖擺周期，在海上浮式裝置管道應力分析研究中，對于此類特殊載荷應予以充分的考慮。

綜合看來，海上浮式裝置管道應力分析，較陸上常規(guī)工業(yè)管道，載荷條件更為復雜，本文使用PepS 軟件對海上浮式裝置一工程實例管道進行了逆向工程模型的應力分析，首次全面的考慮了有風浪和無風浪兩種海洋條件，對計算過程和結果進行了詳細分析，為同類型海上浮式裝置管道力學分析提供了有效示例，為海上浮式裝置管道的設計和力學分析提供了理論支撐。

符號說明

Gz——垂向載荷系數(shù)；

Gy——橫向載荷系數(shù)；

Gx——縱向載荷系數(shù)；

a0——加速度參數(shù)；

av——垂向加速度，m/s2；

at——橫向加速度，m/s2；

alng——縱向加速度，m/s2；

Cb——方向系數(shù)；

L——浮式裝置長度，m；

apitch-z——由縱搖運動產生的垂向加速度， m/s2；

aroll-z——由橫搖運動產生的垂向加速度， m/s2；

fprob——概率因子；

βav——垂蕩環(huán)境烈度因子；

aheave—— 由垂蕩運動產生的垂向加速度，等于a0g，m/s2；

g——加速度參數(shù)，m/s2；

φ——縱搖角，rad；

Upitch——縱搖固有周期，s；

θ——橫搖角，rad；

Uroll——橫搖固有周期，s；

x——計算點縱向坐標，m；

y——計算點橫向坐標，m；

z——計算點垂向坐標，m；

βat——橫向環(huán)境烈度因子；

asway—— 由橫蕩和首搖運動產生的橫向加速度，等于0.3 a0g，m/s2；

aroll-y——由橫搖運動產生的橫向加速度， m/s2；

Rroll、Rpitch—— 取z-（D/4+TLC/2）或z-（D/2），取大者，m；

TLC—— 規(guī)定裝載工況下的吃水，m；

D—— 型深，m；

asurge—— 由縱蕩運動產生的縱向加速度，等于0.2 a0g，m/s2；

apitch-x——由縱搖運動產生的縱向加速度， m/s2；

D0——管道外徑，mm；

i——應力增強系數(shù)；

P——設計壓力，MPa；

Pmax——該工況下最大壓力，MPa；

MA—— 所考慮載荷下由于重量和其他持續(xù)載荷加在橫截面上的合成力矩，N·mm；

MB—— 臨時載荷（包括沖擊）加在橫截面上的合成力矩，N·mm；

MC——由于熱膨脹產生的合成力矩，N·mm；

SA——熱膨脹應力的許用應力范圍，MPa；

Sh—— 所考慮載荷相對應溫度下材料的許用應力，MPa；

tn——管道壁厚，mm；

Z——管道的截面模量，mm3；

k—— 對于在任一時期內作用時間不大于1 h 和每年不大于80 h 的臨時載荷，取值1.2；

f—— 系統(tǒng)在預期的運行總年數(shù)內，全溫度循環(huán)周期性運行的應力范圍減小系數(shù)，根據(jù)規(guī)范表102.3.2，取值1.0。