FPSO船體管道應力分析方法研究

程久歡，紀志遠，雷俊杰

（海洋石油工程股份有限公司設計院， 天津 300451）

FPSO船體運動復雜，尤其是船體部分空間受限，管道多、系統多，十分復雜。因此，要準確地進行FPSO船體管道應力分析，首先要了解FPSO船體運動方式及運動特點，準確把握其運動規(guī)律并應用于FPSO船體管道應力分析計算中。本文對FPSO船體運動特點進行分析，并在此基礎上對船體管道應力分析方法進行詳細介紹，從而實現對FPSO船體管道應力分析技術應用與突破。

1 FPSO介紹

FPSO（Floating Production Storage and Offloading System）是浮式生產儲卸油裝置，也可稱為FPSU（Floating Production Storage and Offloading Unit），FPSO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構物，它不同于一般的船舶，而是依靠單點，系泊在單點系泊裝置上，圍繞單點轉動且具有風向標效應的油氣生產裝置[1-2]。它具有船舶的安全性、穩(wěn)定性、抗沉性等特點。FPSO上配有完善的船舶設備與船舶系統，例如：艙底水系統、壓載系統、掃艙系統、海水系統、淡水系統、燃油系統、救生系統等。

2 FPSO船體管道應力分析

FPSO常年在海上服役，其工作環(huán)境惡劣，在海上風浪流的共同作用下，會產生加速度及位移變化荷載，船體結構物上的支架將位移傳遞到管道，對管道產生影響。船體在拖航狀態(tài)、裝卸載工況時也會產生船體變形，同樣給管道施加附加位移。因此，對FPSO船體進行管道應力分析時，應在規(guī)范標準的基礎上，對管道系統進行柔性設計，保證管道系統安全運行。

2.1 FPSO船體運動特點

FPSO船體運動多樣且復雜。在風平浪靜的海面，船體可以視為勻速或靜止運動，但在風暴天氣，在風浪流的共同作用下，船體呈現出無規(guī)律的加減速運動，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）及這幾種運動的復合運動，如圖1所示。

圖1 FPSO船體運動示意圖

2.2 FPSO船體坐標系

在對FPSO船體進行運動特點分析時，應首先建立坐標系，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為Z軸正方向，垂直向上的方向為Y正方向。

圖2 FPSO船體坐標示意圖

2.3 船體加速度分析

船體運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振蕩運動，即圖2中圍繞FPSO船體的Z軸的角運動，縱搖是由于海洋波浪與FPSO運動方向不一致產生的，縱搖引起使FPSO沿Z軸旋轉運動的加速度，管道及連接設備會受到此加速度的影響?？v搖加速度的計算應由縱搖角度引起的加速度與重力分量相結合。當船舶縱向對浪航行時，主要產生縱搖和垂蕩運動。

橫蕩是一種橫向運動，是指船體沿船長方向的垂直方向的水平線性振蕩運動[3]，即圖2中，在波浪的作用使FPSO向航道兩側左右舷方向移動，即+Z及-Z的方向移動。然而橫蕩這種橫向運動相對于船體整體運動所引起的橫向彎曲并不明顯。因此，對于管道應力分析而言，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振蕩運動，是因為波浪運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。

橫搖會引起船體運動產生加速度。即FPSO沿X軸向左右搖擺運動，橫搖加速度比縱搖加速度更重要，會引起額外的應力，橫搖會引起角度變化，因此在管道應力計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生影響。

垂蕩是整船的上下運動，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船體管道應力分析除了要考慮船體運動加速度帶來的影響之外，還應考慮船體位移對其影響。船體產生的位移量是由于船體結構變形所致[4]。船體在風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）。產生偏移位移量的主要原因是船體彎曲變形及船體扭轉變形，其中，船體彎曲變形是指：由于波浪的高低運動及船體自身的柔性，導致船體自身出現上下的偏轉，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動導致變形很明顯。

圖3 船體中垂中拱變形圖

2.5 風荷載

在海上服役期間，FPSO同樣會受到風載荷的影響，風荷載對船體及上部組塊都會產生影響，風荷載應包括在管道應力分析中，并應認為是偶然負荷，風將以平行于FPSO（X軸或Z軸）方向考慮到模型中，最大風速一般考慮百年一遇風載。

2.6 沖擊荷載

船體內存在兩相流的管道應考慮兩相流所產生的荷載，載荷計算公式如（1）所示：

式中：ρ -流體密度；S -管子截面積；V -介質流速；DLF=應力放大因子，通常取2。

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

3 FPSO船體管道應力計算工況組合

3.1 工況組合

船體管道應力分析工況組合方式有很多種，可以根據不同工況和應力類型進行組合，但其目的都是為綜合評估出管道應力以及連接法蘭、設備等所受到的載荷等。根據ASME B31.3，對于FPSO船體管道，主要評估持續(xù)荷載、熱脹引起的位移應力、偶然應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行介紹，如表1：

表1 FPSO船體管道應力分析工況

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為評估設計壓力下操作溫度及設計溫度的應力；工況7至工況12在操作溫度與設計壓力下，疊加了位移；工況13至工況16在操作溫度與設計壓力下疊加了船體三個方向的運動加速度；工況17至工況20則在工況13至工況16的基礎上疊加了風載；工況21至工況28對位移與運動加速度進行了組合式疊加，分別考慮不同方向的運動受力；工況29至工況36則繼續(xù)在工況21至工況28的基礎上疊加風載；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的基礎上疊加了風載，屬于偶然工況；工況46至工況70則是在前45個工況的基礎上進行了組合運算；工況71至工況77則對上述組合進行了篩選，用于最終評估一次應力、二次應力、偶然應力等管道計算。

4 FPSO船體管道應力分析評估

4.1 管道應力評估

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

4.2 設備管口載荷評估

船體設備管口荷載評估主要包括一般壓力容器管口校核、壓縮機、泵口荷載校核，計算出管口荷載值應小于設備廠家管口載荷許用最大值。其中壓縮機應根據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果。壓縮機管嘴工作荷載不得高于API 617標準。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滿足API 661標準要求。

4.3 法蘭泄漏評估

FPSO船體管道應對部分連接法蘭進行法蘭泄漏校核，通?？紤]8寸及以上或壓力等級（CL600以上）的法蘭進行法蘭泄漏評估，以防止法蘭受力過大產生泄漏風險。此外如果應力工程師認為有必要進行分析，應擴大對管道法蘭進行泄漏校核范圍。

5 總結

本文通過介紹FPSO船體運動特點、船體管道應力分析方法、船體管道應力計算工況組合以及管道應力分析評估等，對FPSO船體管道應力分析進行了詳細介紹。FPSO常年在海上服役，其工作環(huán)境惡劣，一直處于船體運動及結構變形中，在設計中FPSO船體及上部模塊管道需進行詳細的管道應力分析，保證管道系統的安全運行。

◆參考文獻

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

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[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.

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

[6] 王戰(zhàn)勇，范威，張巍偉，等. FPSO上部模塊管道應力工況研究[A].壓力管道技術研究進展精選集—第四屆全國管道技術學術會議[C].2010.