程久歡，紀(jì)志遠(yuǎn)，雷俊杰

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院， 天津 300451）

FPSO船體運(yùn)動復(fù)雜，尤其是船體部分空間受限，管道多、系統(tǒng)多，十分復(fù)雜。因此，要準(zhǔn)確地進(jìn)行FPSO船體管道應(yīng)力分析，首先要了解FPSO船體運(yùn)動方式及運(yùn)動特點(diǎn)，準(zhǔn)確把握其運(yùn)動規(guī)律并應(yīng)用于FPSO船體管道應(yīng)力分析計(jì)算中。本文對FPSO船體運(yùn)動特點(diǎn)進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上對船體管道應(yīng)力分析方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，從而實(shí)現(xiàn)對FPSO船體管道應(yīng)力分析技術(shù)應(yīng)用與突破。

1 FPSO介紹

FPSO（Floating Production Storage and Offloading System）是浮式生產(chǎn)儲卸油裝置，也可稱為FPSU（Floating Production Storage and Offloading Unit），F(xiàn)PSO是目前海洋石油全海式開發(fā)的核心組成部分，也是目前邊際油田開發(fā)的重要手段之一。FPSO是漂浮在海面的一座大型浮式結(jié)構(gòu)物，它不同于一般的船舶，而是依靠單點(diǎn)，系泊在單點(diǎn)系泊裝置上，圍繞單點(diǎn)轉(zhuǎn)動且具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)的油氣生產(chǎn)裝置[1-2]。它具有船舶的安全性、穩(wěn)定性、抗沉性等特點(diǎn)。FPSO上配有完善的船舶設(shè)備與船舶系統(tǒng)，例如：艙底水系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)、掃艙系統(tǒng)、海水系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、救生系統(tǒng)等。

2 FPSO船體管道應(yīng)力分析

FPSO常年在海上服役，其工作環(huán)境惡劣，在海上風(fēng)浪流的共同作用下，會產(chǎn)生加速度及位移變化荷載，船體結(jié)構(gòu)物上的支架將位移傳遞到管道，對管道產(chǎn)生影響。船體在拖航狀態(tài)、裝卸載工況時也會產(chǎn)生船體變形，同樣給管道施加附加位移。因此，對FPSO船體進(jìn)行管道應(yīng)力分析時，應(yīng)在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對管道系統(tǒng)進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，保證管道系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.1 FPSO船體運(yùn)動特點(diǎn)

FPSO船體運(yùn)動多樣且復(fù)雜。在風(fēng)平浪靜的海面，船體可以視為勻速或靜止運(yùn)動，但在風(fēng)暴天氣，在風(fēng)浪流的共同作用下，船體呈現(xiàn)出無規(guī)律的加減速運(yùn)動，主要包括船體縱搖（PITCH）、船體橫蕩（SWAY）、船體縱蕩（SURGE）、船體橫搖（ROLL）、船體艏搖（YAW）、垂蕩（HEAVE）及這幾種運(yùn)動的復(fù)合運(yùn)動，如圖1所示。

圖1 FPSO船體運(yùn)動示意圖

2.2 FPSO船體坐標(biāo)系

在對FPSO船體進(jìn)行運(yùn)動特點(diǎn)分析時，應(yīng)首先建立坐標(biāo)系，如圖2所示，其中，船艏為X的正方向，船體右舷指向船體左舷的方向?yàn)閆軸正方向，垂直向上的方向?yàn)閅正方向。

圖2 FPSO船體坐標(biāo)示意圖

2.3 船體加速度分析

船體運(yùn)動加速度對管道影響較大的主要有以下幾方面：

縱搖是船體繞橫軸左右舷方向的回轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動，即圖2中圍繞FPSO船體的Z軸的角運(yùn)動，縱搖是由于海洋波浪與FPSO運(yùn)動方向不一致產(chǎn)生的，縱搖引起使FPSO沿Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的加速度，管道及連接設(shè)備會受到此加速度的影響?？v搖加速度的計(jì)算應(yīng)由縱搖角度引起的加速度與重力分量相結(jié)合。當(dāng)船舶縱向?qū)撕叫袝r，主要產(chǎn)生縱搖和垂蕩運(yùn)動。

橫蕩是一種橫向運(yùn)動，是指船體沿船長方向的垂直方向的水平線性振蕩運(yùn)動[3]，即圖2中，在波浪的作用使FPSO向航道兩側(cè)左右舷方向移動，即+Z及-Z的方向移動。然而橫蕩這種橫向運(yùn)動相對于船體整體運(yùn)動所引起的橫向彎曲并不明顯。因此，對于管道應(yīng)力分析而言，可以忽略它對管道造成的影響，但是，橫蕩所引起的加速度要和橫搖加速度相結(jié)合考慮。橫搖是指船體繞最長延伸方向或波浪入射方向的水平軸的旋轉(zhuǎn)振蕩運(yùn)動，是因?yàn)椴ɡ诉\(yùn)動而引起的船體的船艏到船艉軸向（通常在水線附近）的左右搖擺。

橫搖會引起船體運(yùn)動產(chǎn)生加速度。即FPSO沿X軸向左右搖擺運(yùn)動，橫搖加速度比縱搖加速度更重要，會引起額外的應(yīng)力，橫搖會引起角度變化，因此在管道應(yīng)力計(jì)算的過程中必須考慮。

縱蕩是指船體沿最長延展方向的水平線性振蕩運(yùn)動，即FPSO沿船體X軸前后方向的竄動，縱蕩對船體管道加速度產(chǎn)生影響。

垂蕩是整船的上下運(yùn)動，在波浪作用下的升降，垂蕩會引起垂直方向的加速度。

2.4 船體位移量

FPSO船體管道應(yīng)力分析除了要考慮船體運(yùn)動加速度帶來的影響之外，還應(yīng)考慮船體位移對其影響。船體產(chǎn)生的位移量是由于船體結(jié)構(gòu)變形所致[4]。船體在風(fēng)浪流的共同作用下船體的變形趨勢很明顯，特別是沿著船長方向（X向）。產(chǎn)生偏移位移量的主要原因是船體彎曲變形及船體扭轉(zhuǎn)變形，其中，船體彎曲變形是指：由于波浪的高低運(yùn)動及船體自身的柔性，導(dǎo)致船體自身出現(xiàn)上下的偏轉(zhuǎn)，也就是船體的中垂中拱變形，如圖3所示?？梢姶w甲板因中垂與中拱運(yùn)動導(dǎo)致變形很明顯。

圖3 船體中垂中拱變形圖

2.5 風(fēng)荷載

在海上服役期間，F(xiàn)PSO同樣會受到風(fēng)載荷的影響，風(fēng)荷載對船體及上部組塊都會產(chǎn)生影響，風(fēng)荷載應(yīng)包括在管道應(yīng)力分析中，并應(yīng)認(rèn)為是偶然負(fù)荷，風(fēng)將以平行于FPSO（X軸或Z軸）方向考慮到模型中，最大風(fēng)速一般考慮百年一遇風(fēng)載。

2.6 沖擊荷載

船體內(nèi)存在兩相流的管道應(yīng)考慮兩相流所產(chǎn)生的荷載，載荷計(jì)算公式如（1）所示：

式中：ρ -流體密度；S -管子截面積；V -介質(zhì)流速；DLF=應(yīng)力放大因子，通常取2。

此外，對于存在泄放反力及水錘力的管道，也應(yīng)在管道應(yīng)力分析中考慮泄放反力及水錘力的作用。

3 FPSO船體管道應(yīng)力計(jì)算工況組合

3.1 工況組合

船體管道應(yīng)力分析工況組合方式有很多種，可以根據(jù)不同工況和應(yīng)力類型進(jìn)行組合，但其目的都是為綜合評估出管道應(yīng)力以及連接法蘭、設(shè)備等所受到的載荷等。根據(jù)ASME B31.3，對于FPSO船體管道，主要評估持續(xù)荷載、熱脹引起的位移應(yīng)力、偶然應(yīng)力以及支架反力和管口荷載。本文僅就一種常用組合方式進(jìn)行介紹，如表1：

表1 FPSO船體管道應(yīng)力分析工況

3.2 工況組合說明

針對表1中的組合，工況1到工況2用于評估彈簧支架受力；工況3至工況6為評估設(shè)計(jì)壓力下操作溫度及設(shè)計(jì)溫度的應(yīng)力；工況7至工況12在操作溫度與設(shè)計(jì)壓力下，疊加了位移；工況13至工況16在操作溫度與設(shè)計(jì)壓力下疊加了船體三個方向的運(yùn)動加速度；工況17至工況20則在工況13至工況16的基礎(chǔ)上疊加了風(fēng)載；工況21至工況28對位移與運(yùn)動加速度進(jìn)行了組合式疊加，分別考慮不同方向的運(yùn)動受力；工況29至工況36則繼續(xù)在工況21至工況28的基礎(chǔ)上疊加風(fēng)載；工況37至工況41則針對無溫度壓力的情況下，僅在船體運(yùn)動加速的作用下的影響，同時也考慮了組合方向；工況42至工況45則在工況37至工況41的基礎(chǔ)上疊加了風(fēng)載，屬于偶然工況；工況46至工況70則是在前45個工況的基礎(chǔ)上進(jìn)行了組合運(yùn)算；工況71至工況77則對上述組合進(jìn)行了篩選，用于最終評估一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、偶然應(yīng)力等管道計(jì)算。

4 FPSO船體管道應(yīng)力分析評估

4.1 管道應(yīng)力評估

主要評估船體管道一次應(yīng)力、二次應(yīng)力以及偶然應(yīng)力。一次應(yīng)力是由于重力、壓力或其他外荷載作用下的應(yīng)力，一次應(yīng)力會因外部荷載的增加而增加，因此一次應(yīng)力無自限性。二次應(yīng)力是由于熱脹冷縮等位移荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力，二次應(yīng)力的特點(diǎn)是具有自限性。偶然荷載如風(fēng)載、安全閥卸放等，偶然荷載可以產(chǎn)生一次應(yīng)力，也可以產(chǎn)生二次應(yīng)力，所以也需要進(jìn)行評估[5-6]。

4.2 設(shè)備管口載荷評估

船體設(shè)備管口荷載評估主要包括一般壓力容器管口校核、壓縮機(jī)、泵口荷載校核，計(jì)算出管口荷載值應(yīng)小于設(shè)備廠家管口載荷許用最大值。其中壓縮機(jī)應(yīng)根據(jù)API 617附錄G，檢查吸入和排出管嘴荷載以及力和力矩的組合結(jié)果。壓縮機(jī)管嘴工作荷載不得高于API 617標(biāo)準(zhǔn)。泵口的工作荷載不得超過API 610值的兩倍，空氣冷卻器及熱交換器應(yīng)滿足API 661標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 法蘭泄漏評估

FPSO船體管道應(yīng)對部分連接法蘭進(jìn)行法蘭泄漏校核，通常考慮8寸及以上或壓力等級（CL600以上）的法蘭進(jìn)行法蘭泄漏評估，以防止法蘭受力過大產(chǎn)生泄漏風(fēng)險(xiǎn)。此外如果應(yīng)力工程師認(rèn)為有必要進(jìn)行分析，應(yīng)擴(kuò)大對管道法蘭進(jìn)行泄漏校核范圍。

5 總結(jié)

本文通過介紹FPSO船體運(yùn)動特點(diǎn)、船體管道應(yīng)力分析方法、船體管道應(yīng)力計(jì)算工況組合以及管道應(yīng)力分析評估等，對FPSO船體管道應(yīng)力分析進(jìn)行了詳細(xì)介紹。FPSO常年在海上服役，其工作環(huán)境惡劣，一直處于船體運(yùn)動及結(jié)構(gòu)變形中，在設(shè)計(jì)中FPSO船體及上部模塊管道需進(jìn)行詳細(xì)的管道應(yīng)力分析，保證管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 王超，竇培林，沈杰. FPSO壓載水系統(tǒng)中玻璃鋼管的應(yīng)用及應(yīng)力分析[J].中外船舶科技，2011，(2)：23-25.

[2] 李剛，王戰(zhàn)勇，張飛，等. MODEC項(xiàng)目FPSO上部模塊管道應(yīng)力的應(yīng)力分析計(jì)算方法[J].中國造船，2009，50（增刊）：262-266.

[3] 施興華，路瑞，杭岑，等. 深水FPSO船體與系泊的時域耦合分析[J].中國海洋平臺，2016，31(1)：60-67.

[4] 岳進(jìn)才. 壓力管道技術(shù)（第2版）[M].北京：中國石化出版社，2009.

[5] 鄭慶濤，常彥秋. 玻璃鋼管在海洋鉆井平臺上的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2008，30(4)：58-59.

[6] 王戰(zhàn)勇，范威，張巍偉，等. FPSO上部模塊管道應(yīng)力工況研究[A].壓力管道技術(shù)研究進(jìn)展精選集—第四屆全國管道技術(shù)學(xué)術(shù)會議[C].2010.