通用型FPSO 壓載水管路系統(tǒng)應(yīng)力分析及優(yōu)化

伍加凱，竇培林，孔令海

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引 言

FPSO主要由船體、負責(zé)油氣生產(chǎn)處理的上部模塊、系泊與立管系統(tǒng)3部分組成。這些組成系統(tǒng)之間、各系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜、緊湊的管路系統(tǒng)及其支架是保障FPSO正?？煽窟\行的關(guān)鍵，也是設(shè)計工作的重點。而通用型FPSO船體用途更加廣泛，所要求海域適應(yīng)性更強，其管路系統(tǒng)與支架具有不同于普通FPSO的設(shè)計難點?；诖?，本文以通用型FPSO H1468為研究對象，針對壓載水管路系統(tǒng)的初步設(shè)計方案開展基于船體變形對管道應(yīng)力分布影響及水錘載荷影響的研究，針對不合理部分給出對應(yīng)優(yōu)化方法。

1 應(yīng)力校核準則

進行管路應(yīng)力校核時一般采用分類校核法，一般校核其一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，使得管路的測算應(yīng)力在相關(guān)標準的許用范圍內(nèi)，從而盡可能規(guī)避管子因為自身應(yīng)力以及位移等過大造成的破壞，提高管路設(shè)計安全性。就目前的FPSO等海工產(chǎn)品的管道系統(tǒng)設(shè)計來說，在國內(nèi)還沒有單一的有針對性的規(guī)范，現(xiàn)行的規(guī)范基本上都是針對化工、石油、核電和建筑等行業(yè)制定的，目前的船舶與海工項目中管系設(shè)計依據(jù)的規(guī)范一般是入級船級社的規(guī)范、IMO和API的標準等。

2 通用型FPSO壓載水管路系統(tǒng)應(yīng)力分析

FPSO常年在深海作業(yè)，其吃水會隨著原油開采、儲存及外輸?shù)葼顟B(tài)不斷變化，壓載水系統(tǒng)作為調(diào)整其浮態(tài)的重要管路系統(tǒng)，充當著調(diào)整船舶穩(wěn)性的重要工作，可以說是通用型FPSO深海安全作業(yè)重要心臟之一，一旦發(fā)生安全隱患將危及整個海上作業(yè)，合理地降低規(guī)避風(fēng)險，進行應(yīng)力分析是必要的。

2.1 建立數(shù)值模型

根據(jù)主甲板消防水系統(tǒng)的Tribon M3模型，等效建立相應(yīng)的CAESAR II模型，管道材質(zhì)采用耐腐蝕的玻璃鋼管，采用美國B31.3規(guī)范進行校核，管道數(shù)值模型及管材相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)如圖1和表1所示。

圖1 壓載水系統(tǒng)模型Fig. 1 Ballast water system mode

表1 壓載水管路的系統(tǒng)特性和材料屬性Tab. 1 Environmental conditions and pipe parameters of ballast water system

2.2 載荷工況設(shè)置方法

根據(jù)實際環(huán)境條件以及客戶需求，壓載水系統(tǒng)在一般工況下船體在風(fēng)浪作用下產(chǎn)生的最大垂向加速度uz為1.84 m/s2，最大橫向加速度uy為1.23 m/s2，最大縱向加速度ux為0.98 m/s2，在百年一遇的極端工況下船體在風(fēng)浪作用下產(chǎn)生的最大垂向加速度uz為2.71 m/s2，最大橫向加速度uy為2.57 m/s2，最大縱向加速度ux為1.54 m/s2本文采用綜合考慮溫度變形和船體變形的方來附加位移（即船體變形D表現(xiàn)為熱膨脹系數(shù)疊加來實現(xiàn)，包含在T中），工況設(shè)置如表2所示。

2.3 應(yīng)力分析計算結(jié)果

根據(jù)CAESAR II所建立模型和上述工況組合，對比B31.3規(guī)范進行校核，輸出壓載水系統(tǒng)一次、二次應(yīng)力校核結(jié)果，如表3所示。

由表3可知，玻璃鋼管壓載水系統(tǒng)一次應(yīng)力的校核結(jié)果為60.48%，在允許范圍內(nèi)，應(yīng)力值為28 322.39 kPa，位于節(jié)點9 719處；最大持續(xù)工況的一次應(yīng)力水平為61.72%，應(yīng)力值為28 903.44 kPa，相比于同節(jié)點9 719處，可知在添加了偶然載荷情況下，兩者應(yīng)力差距不大，可知該載荷對管路影響不大。在各個工況下，最大應(yīng)力發(fā)生在最低設(shè)計溫度的中拱狀態(tài)下，占許用應(yīng)力的98.1%，仍滿足要求?；谶@些工況，可以看到，在所設(shè)計的百年一遇極端工況下，結(jié)合中拱、中垂船體耦合變形，壓載水管路系統(tǒng)的二次應(yīng)力校核結(jié)果均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，從側(cè)面驗證了主甲板消防水管路系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

表2 玻璃鋼壓載水管路分析工況設(shè)置Tab. 2 Analysis condition setting of FRP ballast water pipeline

表3 通用型FPSO玻璃鋼壓載水管路系統(tǒng)應(yīng)力分析結(jié)果Tab. 3 Stress analysis results of FRP ballast water pipeline system of general FPSO

3 通用型FPSO壓載水管路系統(tǒng)水錘分析

通用型FPSO較傳統(tǒng)的FPSO而言其結(jié)構(gòu)更加緊湊，管道更加繁雜多變，彎頭三通眾，管路密集，主甲板段長直管道也分布很廣，潛在危險性更大，易發(fā)生水錘造成管路破壞。本節(jié)對壓載水水錘載荷過大部位進行詳細分析，并給出相應(yīng)調(diào)整方案。

3.1 水錘載荷的計算公式

壓力波通過彎頭對的時間為：

式中：L為彎頭對間的距離，mm。

不平衡動載荷的上升時間為：

式中：D為管道的內(nèi)徑，mm。

3.2 壓載水系統(tǒng)水錘載荷數(shù)值計算

選取6組管道尺寸相同彎頭對進行分析，并按照根據(jù)泵的流量及管子內(nèi)徑計算的得到，同時由式(4) ～ 式(5)得到4組相同的和，相關(guān)計算結(jié)果如表5所示。

表4 壓載水玻璃鋼管道道水錘載荷Tab. 4 Water hammer load of ballast water glass steel pipeline

表5 玻璃鋼管壓載水管道彎頭對相關(guān)數(shù)值Tab. 5 Relevant values of glass fiber reinforced plastic pipe ballast water pipe elbow

根據(jù)壓載水系統(tǒng)管路模型，保守計算，安全最大化，主要選取長直管段這種水錘影響較大的管段，但也兼顧選取了其他幾組具有代表性的管段。根據(jù)上述公式，選取 720～770，960～1 010，1 060～1 170，9 850～10 650，11 350～11 480，11 640～11 760 這 6 組具有代表性且容易發(fā)生水錘的彎頭對進行水錘分析，管段所在節(jié)點位置、方向、彎頭對長度和作用時間如表5所示。

3.3 壓載水系統(tǒng)水錘載荷的數(shù)值模型

6組具有代表性彎頭對水錘載荷的作用位置如圖2～圖7所示。

圖2 #9850–10 650–10 650Fig. 2 #9850–10 650

3.4 水錘動態(tài)分析的工況組合

建立動載荷頻譜并設(shè)置工況如表6和表7所示。

圖3 #720–770Fig. 3 #720–770

圖4 #960–1 010Fig. 4 #960–1 010

圖5 #11350–11 480Fig. 5 #11350–11 480

圖6 #11640–11 760Fig. 6 #11640–11 760

圖7 #1060–1 170Fig. 7 #1060–1 170

3.5 水錘計算結(jié)果及分析

由表8計算所得結(jié)果可以看出，工況3、工況5、工況6的計算結(jié)果均大于規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力。為了方便修改找出問題，將3個工況中所有超規(guī)范部分均列出，由表中數(shù)據(jù)分析可知超出規(guī)范工況均是因為彎曲應(yīng)力過大導(dǎo)致，其位置圖如圖8～圖10所示。

表6 動載荷頻譜Tab. 6 Dynamic load spectrum

表7 靜態(tài)動態(tài)工況組合Tab. 7 Combination of static and dynamic conditions

表8 應(yīng)力計算結(jié)果Tab. 8 Stress calculation results

由圖可知，工況5中應(yīng)力超出部位均在三通管處且靠的很近，做出修改，在節(jié)點10 650處增加一個支撐+Z約束；對于工況3，可以看出應(yīng)力超出原因極大可能是管道設(shè)備重量造成的管道沉降，因而將節(jié)點11 750處GUIDE約束改為XYZ三向約束；對于工況6，可以看到1 020-1 030彎曲應(yīng)力過大，但處于膨脹彎處，且管道很短靠近法蘭不宜修改，因而向上在節(jié)點1 070處將XY約束改為XYZ三向約束。

圖8 工況3應(yīng)力超出部位示意圖Fig. 8 Schematic diagram of stress exceeding part under condition 3

圖9 工況5應(yīng)力超出部位示意圖Fig. 9 Schematic diagram of stress exceeding part under condition 5

圖10 工況6應(yīng)力超出部位示意圖Fig. 10 Schematic diagram of stress exceeding part under condition 6

圖11 模型修改詳示示意圖Fig. 11 Detailed diagram of model modification

如圖11所示修改模型，再次校核管路一次、二次應(yīng)力等，基本無變化，位移較大部位仍和2.3節(jié)所述結(jié)果相同。繼而再次進行水錘分析，結(jié)果如圖11所示。工況3、工況5、工況6組合中最大應(yīng)力得到極大改善，滿足規(guī)范要求，變化結(jié)果及數(shù)據(jù)對比如圖12所示。由上述計算結(jié)果可知，按此方案調(diào)整后，超規(guī)范部位應(yīng)力均達到規(guī)范要求，且所占百分比均降到30%以下，得到了極大優(yōu)化，原最大應(yīng)力處均變?yōu)楣?jié)點9 719處，最大應(yīng)力值為28 322.4 kPa，占比為許用應(yīng)力61.3%。

由上述計算結(jié)果可知，按此方案調(diào)整后，超規(guī)范部位應(yīng)力均達到規(guī)范要求，且所占百分比均降到30%以下，得到了極大優(yōu)化，原最大應(yīng)力處均變?yōu)楣?jié)點9 719處，最大應(yīng)力值為28 322.4 kPa，占比為許用應(yīng)力61.3%。

圖12 模型修改前后最大應(yīng)力及所占百分比圖示Fig. 12 Diagram of maximum stress and percentage before and after model modification

4 結(jié) 語

利用CAESARII 軟件，綜合考慮通用型FPSO在深海作業(yè)時受到的廣泛海洋條件影響，將傳統(tǒng)的輸入附加位移D模擬船體變形變?yōu)闇囟萒中熱膨脹系數(shù)的疊加來表現(xiàn)，對通用型FPSO玻璃鋼壓載水管道進行一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和水錘載荷分析，有針對性提出優(yōu)化方案，對水錘載荷過大部位分析了形成的原因?？梢钥闯鏊N載荷過大的原因除了和泵的啟停時間有關(guān)外，對其支架進行調(diào)整十分必要，需要針對不同管段管路的沉降、三通、連續(xù)彎等進行對應(yīng)進行加強來平衡水錘效應(yīng)，為后續(xù)新型通用型FPSO管路設(shè)計提供了數(shù)據(jù)參考和新的優(yōu)化方法。