CAESAR II在FPSO管路應力計算中的應用

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)管路作為分析對象， 具體介紹CAESAR II在FPSO管道應力計算中的應用，為管路優(yōu)化設計提供依據(jù)。

關鍵詞：管道應力分析；生活模塊；消防系統(tǒng)

中圖分類號：U664.88 文獻標識碼：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)儲油裝置）環(huán)境惡劣，在海浪及海風的作用下，船體會產(chǎn)生加速度和位移載荷，并通過上部模塊結構傳遞給相應的管路。消防系統(tǒng)由于壓力高、流量大、其管路布置復雜，對整個FPSO的安全性影響至關重要。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管道應力分析軟件的計算應用，為管路分析計算積累經(jīng)驗。

2 管道應力計算分析的目的

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

3 管路應力的校核準則

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

3.1 ASME B31.3應力校核準則

FPSO項目中工業(yè)管道設計主要遵循的規(guī)范是ASME B31.3 Process Piping，在ASME B31.3中并未直接提及“一次應力”和“二次應力”這兩個術語，但其應力校核準則實際上是按一次應力和二次應力分別進行的。在工業(yè)管道應力分析中，不再細分為一次總體薄膜應力、一次局部薄膜應力和一次彎曲應力，也沒有峰值應力的概念，這主要是工業(yè)管道應力分析中采用了薄壁假設以及不進行詳細的局部應力分析的緣故。

3.1.1持續(xù)載荷作用下一次應力的校核

（1）管道組成件的厚度及補強計算滿足要求，則認為由于內壓所產(chǎn)生的應力是安全的；

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

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

3.1.2 二次應力的評定

二次應力是由于熱脹、冷縮、端點位移等位移載荷的作用下所產(chǎn)生的應力，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)要求所必須的應力。其特點是具有自限性，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，只要不反復加載，二次應力不會導致管道破壞，即二次應力引起的主要是疲勞破壞。

位移載荷作用下二次應力的校核條件：

管道系統(tǒng)計算得出的位移應力范圍SE，不應超過按下式計算的許用應力：

SA=?（1.25Sc + 0.25Sh） （1）

當Sh大于SL時：

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———位移應力范圍，MPa；

SA———許用位移應力范圍，MPa；

Sc———冷態(tài)許用應力，MPa；

Sh———熱態(tài)許用應力，MPa；

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

?———位移應力范圍減小系數(shù)；

N———管系預計使用壽命下全位移循環(huán)當量數(shù)；

NE———與計算的最大位移應力范圍SE相關的循環(huán)數(shù)；

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

rj———按小于全位移計算的位移應力范圍與計算的最大位移應力范圍SE之比。

3.1.3 偶然載荷產(chǎn)生的一次應力限制條件

在ASME B31.3中，要求偶然載荷產(chǎn)生的一次應力滿足以下條件：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)生的縱向應力之和，不得超過操作狀態(tài)許用應力的1.33倍，風和地震載荷的作用不需同時考慮。endprint

4 消防系統(tǒng)管路應力計算分析

以生活模塊的尾部消防泵艙消防系統(tǒng)管路為例，對其各段管路應力進行計算，當應力不滿足要求時，則需對管路進行優(yōu)化設計：適當調整管路布置、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，盡量減少對管道有效變形約束，謹慎設置限制位移性管架；將異徑、焊接三通等引起局部應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可通過設置彎曲管端、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、設計溫度、設計壓力、管道材料、許用應力、彈性模量、泊松比、管道材料密度、介質密度等。計算模型見圖1。

4.2 載荷工況組合及管線應力校核

（1）載荷工況組合

當完成管道建模后，需要在CAESARII中進行載荷工況組合，按照規(guī)范要求進行應力校核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）管線應力校核

由上述四類工況組合得到的應力最大值點，見表1。

4.3 設備管口受力校核

依據(jù)項目規(guī)格書要求，所有對載荷敏感的設備（如泵、壓縮機、壓力容器、大型儲罐等）管口受力需同時滿足API610的管口載荷及設備商所提供的管口許用應力進行校核。模型輸出后對設備出口校核所得結果，見表2。

由表2可知，管子出口受力滿足要求。實際上，在對管線的柔性分析過程中反復通過增加彎頭、改變管路走向及對支架受力調整等途徑，才使得設備出口應力滿足要求。

4.4 法蘭應力校核

管道法蘭除承受內壓外，還承受由于管道質量、熱膨脹、振動等引起的軸向力和彎矩的作用。為防止發(fā)生泄漏，需要對法蘭等級進行可靠性校核，判定是否需要采取進一步的安全措施。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標準進行法蘭等級校核，根據(jù)計算結果，所選用的法蘭等級是安全的。

4.5 總結

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

5 結束語

“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、儲存外輸及生活、動力供應于一體的海上浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO），目前已投產(chǎn)運營且運行狀態(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行。

參考文獻

[1] ASME B31.3.Process Piping， 2008.

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

[3] ANSI/API 610-2004.endprint