陳雨菲+李珍

摘 要：本文以“瑪麗卡”FPSO尾部消防泵艙消防系統(tǒng)管路作為分析對(duì)象， 具體介紹CAESAR II在FPSO管道應(yīng)力計(jì)算中的應(yīng)用，為管路優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：管道應(yīng)力分析；生活模塊；消防系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U664.88 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Application of CAESAR II in FPSO Piping Stress Analysis

CHEN Yufei， LI Zhen

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： By analyzing the Fi-Fi system of the stern fire pump room of FPSO Maricá project， this paper specifies the application of CAEASR II in FPSO piping stress analysis as the reference for pipeline design optimization.

Key words： Piping stress analysis； Accommodation module； Fi-Fi system

1 引言

FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置）環(huán)境惡劣，在海浪及海風(fēng)的作用下，船體會(huì)產(chǎn)生加速度和位移載荷，并通過上部模塊結(jié)構(gòu)傳遞給相應(yīng)的管路。消防系統(tǒng)由于壓力高、流量大、其管路布置復(fù)雜，對(duì)整個(gè)FPSO的安全性影響至關(guān)重要。本文以“瑪麗卡”FPSO生活模塊尾部消防泵艙消防系統(tǒng)管路為例，介紹CaesarII管道應(yīng)力分析軟件的計(jì)算應(yīng)用，為管路分析計(jì)算積累經(jīng)驗(yàn)。

2 管道應(yīng)力計(jì)算分析的目的

CaesarII管道應(yīng)力分析軟件，是由美國(guó)COADE公司研發(fā)的壓力管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件，既可以進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算分析，也可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。管路應(yīng)力分析主要解決下列問題：（1）使管道各處的應(yīng)力水平在規(guī)范允許的范圍內(nèi)；（2）使與設(shè)備相連的管口載荷符合制造商或公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)；（3）使與管道相連的容器處局部應(yīng)力保持在允許應(yīng)力范圍內(nèi)；（4）計(jì)算各約束處所受的載荷；（5）確定各種工況下管道的位移；（6）解決管道動(dòng)力學(xué)問題；（7）幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)管系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 管路應(yīng)力的校核準(zhǔn)則

工業(yè)管道應(yīng)力分析的核心是校核管道的強(qiáng)度、柔性和剛度，包括：管道及其閥件、附件、聯(lián)接件等的強(qiáng)度、剛度是否滿足要求；管道對(duì)相連設(shè)備的附加載荷是否滿足要求等。通過對(duì)管系應(yīng)力、管道振動(dòng)等的力學(xué)分析，可以適當(dāng)改變管道的走向和管道的支撐條件，以達(dá)到滿足管道強(qiáng)度、柔性和剛度要求的目的。

3.1 ASME B31.3應(yīng)力校核準(zhǔn)則

FPSO項(xiàng)目中工業(yè)管道設(shè)計(jì)主要遵循的規(guī)范是ASME B31.3 Process Piping，在ASME B31.3中并未直接提及“一次應(yīng)力”和“二次應(yīng)力”這兩個(gè)術(shù)語，但其應(yīng)力校核準(zhǔn)則實(shí)際上是按一次應(yīng)力和二次應(yīng)力分別進(jìn)行的。在工業(yè)管道應(yīng)力分析中，不再細(xì)分為一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力，也沒有峰值應(yīng)力的概念，這主要是工業(yè)管道應(yīng)力分析中采用了薄壁假設(shè)以及不進(jìn)行詳細(xì)的局部應(yīng)力分析的緣故。

3.1.1持續(xù)載荷作用下一次應(yīng)力的校核

（1）管道組成件的厚度及補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算滿足要求，則認(rèn)為由于內(nèi)壓所產(chǎn)生的應(yīng)力是安全的；

（2）管道組成件的厚度及穩(wěn)定性計(jì)算滿足要求，則認(rèn)為由于外壓所產(chǎn)生的應(yīng)力是安全的；

（3）管道中由于壓力、重力和其他持續(xù)載荷作用所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和SL，不應(yīng)超過材料在預(yù)計(jì)最高溫度下的許用應(yīng)力Sh，即SL ≤ Sh。

3.1.2 二次應(yīng)力的評(píng)定

二次應(yīng)力是由于熱脹、冷縮、端點(diǎn)位移等位移載荷的作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力，它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必須的應(yīng)力。其特點(diǎn)是具有自限性，局部屈服或者小量變形就可以使位移約束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)增大。一般來講，只要不反復(fù)加載，二次應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致管道破壞，即二次應(yīng)力引起的主要是疲勞破壞。

位移載荷作用下二次應(yīng)力的校核條件：

管道系統(tǒng)計(jì)算得出的位移應(yīng)力范圍SE，不應(yīng)超過按下式計(jì)算的許用應(yīng)力：

SA=?（1.25Sc + 0.25Sh） （1）

當(dāng)Sh大于SL時(shí)：

SA=?（1.25（Sc + Sh）-SL） （2）

?=6.0[N]-0.2 （3）

N=NE+Σ[rj5Nj]，j=1，2，···，n （4）

式中：SE———位移應(yīng)力范圍，MPa；

SA———許用位移應(yīng)力范圍，MPa；

Sc———冷態(tài)許用應(yīng)力，MPa；

Sh———熱態(tài)許用應(yīng)力，MPa；

SL———管道中由于壓力、重力和其他持續(xù)載荷所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和；

?———位移應(yīng)力范圍減小系數(shù)；

N———管系預(yù)計(jì)使用壽命下全位移循環(huán)當(dāng)量數(shù)；

NE———與計(jì)算的最大位移應(yīng)力范圍SE相關(guān)的循環(huán)數(shù)；

Nj———與按小于全位移計(jì)算的位移應(yīng)力范圍相關(guān)的循環(huán)數(shù)；

rj———按小于全位移計(jì)算的位移應(yīng)力范圍與計(jì)算的最大位移應(yīng)力范圍SE之比。

3.1.3 偶然載荷產(chǎn)生的一次應(yīng)力限制條件

在ASME B31.3中，要求偶然載荷產(chǎn)生的一次應(yīng)力滿足以下條件：管道在工作狀態(tài)下，受到壓力、重力、其他持續(xù)載荷和偶然載荷所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和，不得超過操作狀態(tài)許用應(yīng)力的1.33倍，風(fēng)和地震載荷的作用不需同時(shí)考慮。endprint

4 消防系統(tǒng)管路應(yīng)力計(jì)算分析

以生活模塊的尾部消防泵艙消防系統(tǒng)管路為例，對(duì)其各段管路應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)應(yīng)力不滿足要求時(shí)，則需對(duì)管路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：適當(dāng)調(diào)整管路布置、管支架的布置和選型，在保證足夠支撐管道系統(tǒng)的前提下，盡量減少對(duì)管道有效變形約束，謹(jǐn)慎設(shè)置限制位移性管架；將異徑、焊接三通等引起局部應(yīng)力增高的管件置于管路載荷較小的位置；管路柔性不滿足要求時(shí)可通過設(shè)置彎曲管端、改變管路走向、增加彎頭數(shù)目等方式滿足要求。

4.1 管道建模

管道建模通過管道輸入表來完成，其管線基本參數(shù)主要包括：管系中的管徑、壁厚、隔熱層厚度和隔熱材料密度、原始溫度、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、管道材料、許用應(yīng)力、彈性模量、泊松比、管道材料密度、介質(zhì)密度等。計(jì)算模型見圖1。

4.2 載荷工況組合及管線應(yīng)力校核

（1）載荷工況組合

當(dāng)完成管道建模后，需要在CAESARII中進(jìn)行載荷工況組合，按照規(guī)范要求進(jìn)行應(yīng)力校核CAESARII將載荷工況分為四類：持續(xù)載荷工況組合；純熱態(tài)載荷工況組合；偶然載荷工況組合；操作狀態(tài)載荷工況。

（2）管線應(yīng)力校核

由上述四類工況組合得到的應(yīng)力最大值點(diǎn)，見表1。

4.3 設(shè)備管口受力校核

依據(jù)項(xiàng)目規(guī)格書要求，所有對(duì)載荷敏感的設(shè)備（如泵、壓縮機(jī)、壓力容器、大型儲(chǔ)罐等）管口受力需同時(shí)滿足API610的管口載荷及設(shè)備商所提供的管口許用應(yīng)力進(jìn)行校核。模型輸出后對(duì)設(shè)備出口校核所得結(jié)果，見表2。

由表2可知，管子出口受力滿足要求。實(shí)際上，在對(duì)管線的柔性分析過程中反復(fù)通過增加彎頭、改變管路走向及對(duì)支架受力調(diào)整等途徑，才使得設(shè)備出口應(yīng)力滿足要求。

4.4 法蘭應(yīng)力校核

管道法蘭除承受內(nèi)壓外，還承受由于管道質(zhì)量、熱膨脹、振動(dòng)等引起的軸向力和彎矩的作用。為防止發(fā)生泄漏，需要對(duì)法蘭等級(jí)進(jìn)行可靠性校核，判定是否需要采取進(jìn)一步的安全措施。根據(jù)許用壓力要求，尾部消防泵艙消防系統(tǒng)管路僅有一處法蘭在最差的工況條件下需根據(jù)ASME-VIII標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行法蘭等級(jí)校核，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，所選用的法蘭等級(jí)是安全的。

4.5 總結(jié)

本船尾部消防泵艙消防系統(tǒng)管路的管線應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，滿足ASMEB31.3要求；設(shè)備管口受力結(jié)果，滿足API 610要求；最差工況條件下的法蘭校核結(jié)果，滿足ASME-VIII要求。

5 結(jié)束語

“瑪麗卡”FPSO是一艘由300 000 DWT的超大型雙殼油船（VLCC）改裝為集生產(chǎn)處理、儲(chǔ)存外輸及生活、動(dòng)力供應(yīng)于一體的海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船（FPSO），目前已投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)且運(yùn)行狀態(tài)良好，消防系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，有力地保證了該船安全有效運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] ASME B31.3.Process Piping， 2008.

[2] ASME. Boiler & Pressure Vessel Code[ S ].

[3] ANSI/API 610-2004.endprint