FLNG甲板上部工藝管道應(yīng)力分析

張高峰

（惠生（南通）重工有限公司，江蘇南通 226000）

FLNG（浮式液化天然氣裝置）是一種用于海上天然氣處理的浮式生產(chǎn)裝置，通過(guò)系泊系統(tǒng)定位于海上，具有處理、液化、儲(chǔ)存和裝卸天然氣的功能，與液化天然氣運(yùn)輸船（LNG-C）配合使用可以實(shí)現(xiàn)海上天然氣的遠(yuǎn)程運(yùn)輸。文章以某FLNG項(xiàng)目管道應(yīng)力分析為例，結(jié)合該FLNG項(xiàng)目實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的管道問(wèn)題，提出管道應(yīng)力分析思路并進(jìn)行優(yōu)化，為FLNG項(xiàng)目的管道應(yīng)力分析提供參考。

1 載荷分析

1.1 風(fēng)載

船體總體專業(yè)會(huì)提供三種不同工況下的風(fēng)載，分別為拖航工況下10年一遇的風(fēng)載、裝置正常操作下1年一遇的風(fēng)載、裝置正常操作下百年一遇的風(fēng)載（極端工況）。項(xiàng)目要求FLNG在極端工況下也能夠正常操作，應(yīng)力評(píng)估過(guò)程只考慮拖航工況和極端工況的風(fēng)載，風(fēng)載評(píng)估按照偶然應(yīng)力校核公式進(jìn)行評(píng)估。

風(fēng)速按照DNV-RP-C205中2.3.2.11所示公式進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)總體專業(yè)提供的10 m海平面10 min平均風(fēng)速，折算不同高度的3 s陣風(fēng)速率。

式中：U10——距離海平面10 m高度處10 min間隔的平均風(fēng)速；z——管道物理高度；H取10 m；T取3 s；T10取10 min。

風(fēng)壓按照DNV-RP-C205中5.2.1所示公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出的風(fēng)壓作為CAESAR Ⅱ的輸入數(shù)據(jù)。

式中：q——風(fēng)壓；ρa(bǔ)——空氣密度；UT,z——不同高度的3 s陣風(fēng)速率。

1.2 慣性加速度

船體受波浪影響會(huì)產(chǎn)生搖晃等現(xiàn)象，使船體上部管道產(chǎn)生慣性加速度，為了確保管道在船體搖晃下能夠正常運(yùn)行，需要在應(yīng)力分析中考量慣性加速度影響。拖航工況下10年一遇的海況引起的慣性加速度、裝置正常操作下1年一遇的海況引起的慣性加速度、裝置正常操作下百年一遇的海況引起的慣性加速度（極端工況）。應(yīng)力評(píng)估過(guò)程只考慮拖航工況和極端工況下的海況引起的慣性加速度。慣性加速度載荷作為偶然應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估。

1.3 中垂中拱

FLNG身處海洋環(huán)境，船體會(huì)產(chǎn)生中垂中拱，變形傳遞至管道上引起管道位移應(yīng)力，導(dǎo)致管道疲勞失效。結(jié)構(gòu)專業(yè)會(huì)提交兩種工況下的中垂中拱數(shù)據(jù)供管道應(yīng)力計(jì)算，分別為拖航工況下可能產(chǎn)生的最大變形數(shù)據(jù)；正常操作工況下可能產(chǎn)生的最大變形數(shù)據(jù)。中垂中拱引起的管道位移按照二次應(yīng)力校核公式進(jìn)行評(píng)估。

1.4 爆炸載荷

FLNG裝置里面有大量可燃?xì)怏w，根據(jù)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)分析結(jié)果，確定爆炸產(chǎn)生的壓力，以等效風(fēng)載的形式對(duì)爆炸載荷進(jìn)行分析，爆炸載荷作為偶然應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估。

式中：FD——爆炸載荷；1/2ρν2為爆炸壓力，取自火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)分析結(jié)果，由安全專業(yè)提供；D為管徑；CD為形狀系數(shù)，取1.0；DLF為動(dòng)態(tài)載荷因子，取1.5。

2 工況組合

2.1 拖航工況

FLNG在拖航工況下所受載荷為管道重力、充氮保護(hù)壓力、慣性加速度、中垂中拱、風(fēng)載。

拖航工況如表1所示。

表1 拖航工況

2.2 極端工況

FLNG在極端操作工況下所受載荷為管道重力包括介質(zhì)重力、管道壓力、溫度、慣性加速度、中垂中拱、風(fēng)載、安全閥泄放反力。

極端工況如表2所示。

表2 極端工況

2.3 爆炸工況

建立爆炸工況用于評(píng)估爆炸偶然應(yīng)力，爆炸載荷以等效風(fēng)載的形式進(jìn)行評(píng)估。在爆炸工況下，F(xiàn)LNG管道偶然應(yīng)力評(píng)估只考慮與重力和壓力的合成，不考慮與慣性加速度、風(fēng)載和安全閥泄放反力的合成。定義無(wú)爆炸載荷工況（W+T+P+H）和包含爆炸載荷工況（W+T+P+H+Wwin）。通過(guò)工況組合運(yùn)算得到爆炸載荷基本工況Wwin。爆炸載荷基本工況與重力、壓力進(jìn)行合成（W+P+H+Wwin）評(píng)估爆炸偶然應(yīng)力。

3 應(yīng)力分析

3.1 靜態(tài)分析

一次應(yīng)力為平衡壓力與其他機(jī)械載荷必需的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力，其特點(diǎn)是非自限性，當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的塑性區(qū)擴(kuò)展達(dá)到極限狀態(tài)，使之變成幾何可變的結(jié)構(gòu)時(shí)，即使載荷不再增加，仍將產(chǎn)生不可限制的塑性流動(dòng)，直至破壞。海洋工況中船體存在中垂中拱現(xiàn)象，未設(shè)置防脫空支架的管道很容易在運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生脫空，管道脫空后需要重新評(píng)定一次應(yīng)力。

式中：SL——一次應(yīng)力；SH——材料在最高設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。

二次應(yīng)力為滿足外部約束條件或結(jié)構(gòu)自身變形的連續(xù)要求所需的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力。二次應(yīng)力的基本特征是具有自限性，局部屈服和小變形可以使約束條件或變形連續(xù)要求得到滿足，使變形不再增大。本項(xiàng)目中，考慮爆炸工況，不采用膨脹節(jié)增加管道柔性，設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量使用彈簧和管道自變形降低二次應(yīng)力。

式中：SE——二次應(yīng)力；SA為最大許用位移應(yīng)力范圍；f——許用位移應(yīng)力范圍減小系數(shù)；SC——材料在冷態(tài)下的許用應(yīng)力。

偶然應(yīng)力屬于一次應(yīng)力。對(duì)于偶然載荷，許用應(yīng)力可以適當(dāng)放寬，管道在工作狀態(tài)下，縱向應(yīng)力之和（壓力、重力、其他持續(xù)載荷和偶然載荷）不超過(guò)操作狀態(tài)下許用應(yīng)力的1.33倍。爆炸載荷作用下的偶然荷載需要單獨(dú)校核，DNV-RP-D101 3.11.2對(duì)其評(píng)定進(jìn)行了具體說(shuō)明，爆炸作用下的管道，縱向應(yīng)力之和（壓力、重力、其他持續(xù)載荷和爆炸載荷）不超過(guò)最高設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力的1.8倍。

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每個(gè)模態(tài)均有特定的固有頻率，固有頻率越高，管道剛度越大，越不容易產(chǎn)生共振。本項(xiàng)目要求管道最小固有頻率為5 Hz，動(dòng)設(shè)備相連管道固有頻率應(yīng)大于設(shè)備本身激發(fā)頻率，防止發(fā)生共振。工程設(shè)計(jì)中，在滿足管道柔性的前提下，可以通過(guò)減小管道跨距、增設(shè)固定支架等方式增加管道剛度。

3.3 疲勞分析

FLNG船體管道的疲勞分高周疲勞和低周疲勞：低周疲勞主要由管道熱脹冷縮和貨艙裝卸引起，高周疲勞由拖航工況和操作工況下波浪運(yùn)動(dòng)引起的。疲勞評(píng)定有兩種方法，計(jì)算位移應(yīng)力范圍減小系數(shù)f，降低位移應(yīng)力校核準(zhǔn)則中的許用位移應(yīng)力范圍，防止疲勞破壞；CAESAR Ⅱ提供的基于Miner法則的累積損傷疲勞評(píng)定方法，通過(guò)定義疲勞曲線以獲得相應(yīng)應(yīng)力下的許用循環(huán)次數(shù)Nallowed以及預(yù)期的循環(huán)次數(shù)Ndemand，CAESAR Ⅱ計(jì)算并合計(jì)已選工況的Ndemand/Nallowed比率，總和<1時(shí)安全。

式中：N——循環(huán)當(dāng)量次數(shù)，根據(jù)ASME B31.3計(jì)算。

4 對(duì)比分析

以FLNG項(xiàng)目上某低溫管道（-143.7 ℃）為例，對(duì)比分析考慮中垂中拱和不考慮中垂中拱時(shí)對(duì)二次應(yīng)力的影響以及考慮爆炸載荷和不考慮爆炸載荷時(shí)管口受力狀態(tài)。

某節(jié)點(diǎn)二次應(yīng)力對(duì)比如表3所示。某管口受力對(duì)比如表4所示。

表3 某節(jié)點(diǎn)二次應(yīng)力對(duì)比

表4 某管口受力對(duì)比

中垂中拱、爆炸載荷對(duì)管道應(yīng)力影響較大。為保證裝置在海洋環(huán)境下長(zhǎng)期安全運(yùn)行，需詳細(xì)分析海洋風(fēng)載、船體慣性加速度、船體中垂中拱等。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某項(xiàng)目實(shí)例，結(jié)合ASME B31.3和DNV規(guī)范，介紹FLNG上部模塊管道應(yīng)力分析方法，著重介紹海上風(fēng)載、中垂中拱、慣性加速度、爆炸載荷的計(jì)算方法，將FLNG劃分為拖航工況、極端工況、爆炸工況，對(duì)每種工況進(jìn)行組合，分析一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和偶然應(yīng)力，列舉中垂中拱對(duì)二次應(yīng)力的影響以及爆炸載荷對(duì)管口受力的影響，對(duì)管道系統(tǒng)的固有頻率和疲勞分析做出指引。