伍加凱，竇培林，周校軍

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

通用型浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)管路系統(tǒng)設(shè)計有其自身特點，需要綜合考慮管線和管支架的強度、截面剛度和管線敷設(shè)坡度、管線允許的最大撓度進行確定，并用強度條件校核，以保證管線、支吊架和設(shè)備同時滿足剛度和強度的要求。服役期內(nèi)關(guān)鍵管系一旦發(fā)生故障、損壞[1]，會影響整個海上油田生產(chǎn)流程的正常運行，在嚴重情況下會造成巨大經(jīng)濟損失。實際工程管子的載荷作用在泵口處時，可能由于載荷過大在泵口處引起較大的變形，影響泵的正常運行。同時，管子位移過大，軸向應(yīng)力過大會引起泵口法蘭泄漏而影響管內(nèi)介質(zhì)的傳輸，所以需要檢查泵口載荷及法蘭泄漏來保證設(shè)計方面的安全有效。

以通用型FPSO H1468為研究對象，針對其壓載水管路系統(tǒng)的初步設(shè)計方案進行泵口載荷及法蘭泄漏分析，為通用型FPSO壓載水管道系統(tǒng)安全設(shè)計及優(yōu)化提供依據(jù)，進一步提高通用型FPSO管道系統(tǒng)設(shè)計的安全性。

1 泵設(shè)備三維模型模擬

評判泵載荷的第一步就是收集泵及載荷的信息，API 610用2個標準來檢驗泵載荷：獨立管口載荷和泵機架上的組合管口載荷[2]。進口和出口管嘴根據(jù)管口的方向及尺寸得出一組允許載荷極限，不僅檢驗獨立的x、y、z方向的分量，而且檢驗合成力及合成力矩。另外，為保證泵的正確校準，泵的所有載荷均根據(jù)一基礎(chǔ)點求解得到，校核采用交互方法，將校核結(jié)果與許用值進行比較。圖1的右半部為某一泵進口處校核標準許用值數(shù)據(jù)。

圖1 泵設(shè)備管口數(shù)據(jù)輸入方法

在實際建模過程中，泵體的模型并不能完全建立在軟件中，需要根據(jù)實際情況對其進行等效化處理[3]。一般將泵口法蘭作為固定點模擬，但是有些船舶所有人要求把泵體的熱脹也考慮在內(nèi)。這時，可在泵口做1個關(guān)聯(lián)點，將節(jié)點2890關(guān)聯(lián)節(jié)點10240，把真實的固定點模擬至泵的基座。泵體為節(jié)點10240至節(jié)點10250，固定節(jié)點10250為泵的基座，兩端分別為泵的進口和出口，其三維建模數(shù)據(jù)及步驟如圖2所示。

圖2 泵設(shè)備三維建模方法

2 壓載水管路系統(tǒng)泵口載荷及法蘭泄漏分析

由于泵體剛性較大，管口受力不可能通過泵體的變形來減小，因此用壁厚較厚的剛性件來模擬泵體。圖3為建立模型隱藏支架后所得到的效果圖，并附有節(jié)點信息。

FPSO常年在深海進行石油開采、處理和儲運作業(yè)，當FPSO外輸原油時，吃水降低，船舶的穩(wěn)性下降，需要通過壓載水管路系統(tǒng)來調(diào)整FPSO的浮態(tài)，因此壓載水管路系統(tǒng)的安全是FPSO在海上正常安全作業(yè)的前提[4]。主要對壓載水管路系統(tǒng)玻璃鋼管道進行泵口載荷及法蘭泄漏分析，其中法蘭泄漏分析校核在最高設(shè)計溫度T1和最低設(shè)計溫度T2兩種工況下的載荷。

圖3 泵設(shè)備三維圖及節(jié)點標識

2.1 建立數(shù)值模型

壓載水管路系統(tǒng)玻璃鋼管道采用英國海上作業(yè)者協(xié)會(United Kingdom Offshore Operators’ Association,UKOOA)規(guī)范，其特性及材料屬性如表1所示。取其中一段壓載泵管路進行展示，模型如圖4所示。

表1 壓載水管路系統(tǒng)玻璃鋼管道特性和材料屬性

圖4 壓載泵管路模型

2.2 載荷工況設(shè)置

對玻璃鋼管壓載水系統(tǒng)設(shè)置分析工況時，由于壓載水系統(tǒng)位于艉部機艙內(nèi)，因此，不考慮風(fēng)載荷對管道系統(tǒng)造成的影響，只考慮重力載荷、溫度載荷、慣性載荷及船體變形的影響。在一般工況下，船體在風(fēng)浪作用下的最大垂向加速度為1.84 m/s2，最大橫向加速度為1.23 m/s2，最大縱向加速度為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為2.71 m/s2，最大橫向加速度為2.57 m/s2，最大縱向加速度為1.54 m/s2。附加位移綜合考慮到溫度變化和船體變形的情況。

2.3 壓載水管路系統(tǒng)泵口載荷分析

泵口載荷校核分5個步驟：首先，通過Tribon M3建立CAESAR Ⅱ三維模型，根據(jù)管徑及限值載荷大小來判斷泵的進口和出口，在設(shè)備描述里面添加信息；第二，輸入泵的基本信息，包括泵的形式、泵口的方向、泵的基座節(jié)點號、進口節(jié)點號及尺寸、出口節(jié)點號及尺寸等；第三，輸入進口的力和力矩值；第四，輸入出口的力和力矩值；第五，將計算輸出結(jié)果與泵供應(yīng)商所給的限值載荷進行對比，得到分析報告[5]。在實際計算中，由于計算結(jié)果比較保守，可能出現(xiàn)超出限值情況，這是合理的，但具體范圍需要與船舶所有人協(xié)商。根據(jù)上述步驟，對泵口載荷進行計算，結(jié)果如表2和表3所示。

通過得出的分析報告可看出：所選取壓載泵進出口的載荷最大值在進口Fa處，此處力和力矩比值達0.6，其他各處均在0.1左右，因此泵口及管路設(shè)置方案合理，應(yīng)力符合規(guī)范要求，安全性較好。

2.4 壓載水管路系統(tǒng)泵口法蘭泄漏分析

根據(jù)CAESAR Ⅱ所建立的模型對玻璃鋼管道泵口法蘭泄漏進行校核，取法蘭較為密集部位進行結(jié)果展示，如表4和表5所示。

通過得出的分析報告可看出：在最高設(shè)計溫度T1操作工況下，玻璃鋼管道泵口法蘭泄漏符合規(guī)范的要求，法蘭設(shè)置方案合理，整條管路泵口法蘭設(shè)置安全性良好；在最低設(shè)計溫度T2操作工況下，玻璃鋼管道泵口法蘭泄漏出現(xiàn)部分超額，由于此計算原本就很保守，而船舶所有人給出的標準是不超過150%，上述計算結(jié)果部分超額最大值僅在120%左右且為個別，因此此工況的校核結(jié)果滿足要求。優(yōu)化模型后，雖然部分校核計算結(jié)果可能不滿足規(guī)范，但是在實際工程中，這并不是必需的，存在保守計算，可滿足實際需求。

3 結(jié) 論

通用型FPSO管路系統(tǒng)的復(fù)雜性和緊湊性相比傳統(tǒng)FPSO有顯著提升，作業(yè)負荷更大，油氣泄漏和火災(zāi)風(fēng)險更高，壓載水管路系統(tǒng)泵口載荷過大及法蘭泄漏導(dǎo)致的停工停產(chǎn)現(xiàn)象時有發(fā)生，此類安全問題一直是關(guān)注的重點。以通用型FPSO H1468的壓載水管路系統(tǒng)為研究對象，給出泵設(shè)備的三維模擬方法，通過CAESAR Ⅱ軟件計算，得到的應(yīng)力分析結(jié)果均在規(guī)定的校核范圍之內(nèi)，設(shè)備正常運行，證明通用型FPSO H1468壓載水管路系統(tǒng)玻璃鋼管道設(shè)計中泵口及法蘭設(shè)置的合理性和可行性，為后續(xù)新型通用型FPSO開發(fā)壓載水管路設(shè)計提供技術(shù)借鑒。

表2 壓載泵進口載荷校核結(jié)果

表3 壓載泵出口載荷校核結(jié)果

表4 最高設(shè)計溫度T1工況的校核結(jié)果

表5 最低設(shè)計溫度T2工況的校核結(jié)果