FPSO上部模塊管道應(yīng)力分析包劃分研究

紀(jì)志遠(yuǎn)，李蕾

FPSO上部模塊管道應(yīng)力分析包劃分研究

紀(jì)志遠(yuǎn)，李蕾

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院， 天津 300451）

固定平臺(tái)上部組塊或FPSO上部模塊管道需要進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析的管道數(shù)量龐大，首先應(yīng)將這些管線劃分成小的管道應(yīng)力分析包，再分別進(jìn)行詳細(xì)管道應(yīng)力分析計(jì)算。然而，如何劃分應(yīng)力分析包，劃分依據(jù)，以及怎樣劃分才能更有利的推動(dòng)管道應(yīng)力分析計(jì)算工作，成為管道應(yīng)力分析時(shí)首先應(yīng)思考解決的難題，因此，針對(duì)管道應(yīng)力分析分包劃分進(jìn)行了研究分析，介紹了固定平臺(tái)應(yīng)力分析包劃分原則與依據(jù)，并以南海某FPSO上部模塊為例，介紹并對(duì)比FPSO上部模塊管道應(yīng)力分析包劃分異同，對(duì)FPSO上部模塊管道應(yīng)力分析工作起到指導(dǎo)作用，為同行提供借鑒參考。

FPSO；管道；應(yīng)力分析包；劃分；應(yīng)力分析

FPSO上部模塊管道多、系統(tǒng)多，管線錯(cuò)綜復(fù)雜，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)對(duì)敏感管道及符合管道應(yīng)力分析范圍內(nèi)的管道進(jìn)行詳細(xì)管道應(yīng)力分析計(jì)算。管道應(yīng)力分析的首要工作是根據(jù)要求劃分管道應(yīng)力分析包。FPSO上部模塊管道應(yīng)力分析包的劃分最復(fù)雜，區(qū)別于固定式平臺(tái)上部組塊，管道無結(jié)構(gòu)變形。FPSO上部以模塊劃分，管道分落于不同的模塊，不同模塊對(duì)船體結(jié)構(gòu)變形的影響不同，本文以南海某FPSO上部模塊為例，對(duì)比與固定平臺(tái)應(yīng)力分析包劃分差異，對(duì)FPSO上部模塊管道應(yīng)力分析包的劃分進(jìn)行分析，對(duì)FPSO上部模塊管道應(yīng)力分析工作起到指導(dǎo)作用，為同行提供借鑒參考。

1 FPSO介紹

FPSO是浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置，是海洋石油生產(chǎn)中的重要組成部分，是集油氣處理、儲(chǔ)卸油、生活、供電等多功能于一身的海上油氣開發(fā)處理裝置。FPSO主要包括三大系統(tǒng)：船舶系統(tǒng)、單點(diǎn)系泊系統(tǒng)、上部油氣處理系統(tǒng)。其工藝流程主要為海底原油通過海底管道、單點(diǎn)后輸送到FPSO上部油氣等工藝處理模塊處理后將合格原油儲(chǔ)存于FPSO的原油儲(chǔ)存艙中，運(yùn)輸油輪定期將原油送至路上終端。

2 應(yīng)力分析管線范圍及應(yīng)力分析包

2.1 管道應(yīng)力分析流程

管道應(yīng)力分析首先應(yīng)確定分析范圍，后根據(jù)分析范圍劃分具體應(yīng)力分析包，再針對(duì)每個(gè)應(yīng)力分析包進(jìn)行建模、計(jì)算、調(diào)整、得出計(jì)算結(jié)論、反饋計(jì)算結(jié)果、整理計(jì)算報(bào)告等。圖1為FPSO漂浮于海面。

圖1 FPSO漂浮于海面

2.2 管道應(yīng)力分析包

管道應(yīng)力分析包是管道應(yīng)力分析計(jì)算時(shí)的基本單位，是管道應(yīng)力分析的基礎(chǔ)。在管線總數(shù)一定的情況下，單個(gè)應(yīng)力分析包內(nèi)管線多，則應(yīng)力分析包的數(shù)量少，單個(gè)模型大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)；單個(gè)應(yīng)力分析包內(nèi)管線少，則應(yīng)力分析包數(shù)量多、統(tǒng)計(jì)、反饋復(fù)雜，因此，合理劃分管道應(yīng)力分析包對(duì)管道應(yīng)力分析整體工作較為重要。以南海某FPSO上部模塊管道為例，需要分析的管線總數(shù)量達(dá)到400根，對(duì)比說明見表1。

3 固定平臺(tái)上部組塊管道應(yīng)力分析包的劃分方法

在確定了符合應(yīng)力分析范圍的管線后，應(yīng)進(jìn)行管道應(yīng)力分析包的劃分，以固定平臺(tái)上部組塊為例，介紹管道應(yīng)力分析劃分基本原則，見圖2。

圖2 管道應(yīng)力分析流程圖

3.1 劃分方法

固定平臺(tái)管道不需要考慮船體中垂中拱變形對(duì)其的影響，在劃分應(yīng)力分析包時(shí)主要有以下方式：

1）原則上以系統(tǒng)為單位，一個(gè)系統(tǒng)一個(gè)應(yīng)力分析包，例如CR系統(tǒng)、HM系統(tǒng)、PW系統(tǒng)、WS系統(tǒng)等；

2）系統(tǒng)較大（管道多）可以視情況在適當(dāng)位置（以固定支架或六向限位支架）拆分成兩個(gè)或多個(gè)應(yīng)力分析包；其中適當(dāng)位置可理解為對(duì)兩個(gè)應(yīng)力分析包內(nèi)管線影響最小的斷點(diǎn)位置；

3）泵、壓縮機(jī)等敏感設(shè)備，應(yīng)以設(shè)備為基礎(chǔ)，劃分應(yīng)力包考慮前后；

4）特殊區(qū)域管道，可以某區(qū)域?yàn)檎w，將多系統(tǒng)管道并入同一管道應(yīng)力分析包內(nèi)。應(yīng)力分析包劃分方法見圖3。

3.2 注意事項(xiàng)

特殊區(qū)域管道例如：跨接棧橋區(qū)域、火炬臂區(qū)域，井口區(qū)域等常需增加π彎以吸收較大位移，可以將符合應(yīng)力分析范圍的多系統(tǒng)管道合并為一個(gè)包計(jì)算。

4 FPSO上模管道應(yīng)力分析包的劃分

應(yīng)力分析包劃分合理，可以有效幫助管道應(yīng)力分析計(jì)算，提高應(yīng)力分析效率。

4.1 管道應(yīng)力分析包劃分原則

FPSO上部模塊的管道應(yīng)力分析包的劃分基本原則可參考固定平臺(tái)。FPSO上部模塊與固定平臺(tái)上部組塊不同的是：FPSO船體在波浪流的作用下，船體不斷運(yùn)動(dòng)，而船體運(yùn)動(dòng)變形會(huì)通過結(jié)構(gòu)傳遞到管道支架進(jìn)而影響到管道，在FPSO上部模塊劃分應(yīng)力分析包時(shí)，應(yīng)該考慮中垂中拱變形的影響，而不同模塊上、不同層高的管道其中垂中拱變形值不同，這就增加了FPSO上部模塊管道應(yīng)力分析的復(fù)雜性。

若需要分析的管道僅位于某一單獨(dú)模塊內(nèi)，則該模塊內(nèi)管道僅需要考慮運(yùn)動(dòng)加速度的影響。若需要分析的管道跨接不同的區(qū)域模塊，則包內(nèi)模型支架均應(yīng)分模塊、在每一個(gè)支架上加CNODE點(diǎn)添加對(duì)應(yīng)位移值。處理上可對(duì)跨接模塊應(yīng)力分析包進(jìn)行更細(xì)化的切分。

FPSO上部模塊的管道分別位于相同或不同的模塊內(nèi)，因此在劃分前需要首先對(duì)管道所在位置進(jìn)行思考判斷：1）需要分析計(jì)算的管道是否在同一模塊內(nèi)？若不是，跨越了幾個(gè)模塊？連接幾個(gè)設(shè)備或跨越幾個(gè)模塊的管道（需要分析計(jì)算的）能否在模塊邊緣處有固定支架？將原來的單個(gè)應(yīng)力分析包切分成單獨(dú)模塊內(nèi)的形多個(gè)應(yīng)力分析包。

如圖4所示，管道跨越了三個(gè)模塊，最好的解決辦法是將模型劃分為三個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分析包，在邊界點(diǎn)以固定支架結(jié)束，每個(gè)應(yīng)力分析包均在自己模塊內(nèi)，僅需要考慮船體運(yùn)動(dòng)加速度，無須考慮船體中垂中拱引起的位移變形，每個(gè)模塊內(nèi)管道可單獨(dú)計(jì)算評(píng)估。當(dāng)單獨(dú)模塊內(nèi)管道過短，或柔性不好也可將其劃分為兩部分或者作為一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)算，單獨(dú)模塊可以單獨(dú)考慮，只要跨越模塊了每個(gè)模塊上都要在每個(gè)支架點(diǎn)上輸入對(duì)應(yīng)的CNODE位移點(diǎn)。

圖4 管道應(yīng)力分析包劃分

在評(píng)估時(shí)也應(yīng)視情況分別判斷，圖5中給出了幾種劃分成兩個(gè)應(yīng)力分析包的情況，圖5-1中可在模塊邊界處斷開；圖5-2中可以在模塊B邊界處斷開計(jì)算也可如圖5-3中在模塊E邊界處斷開，形成兩個(gè)應(yīng)力分析包，分別計(jì)算。圖5-1給出的是模塊與管廊間的處理方式，圖5-2與5-3給出了相鄰模塊間的處理方式。

圖5 劃分成兩個(gè)應(yīng)力包舉例

4.2 管道應(yīng)力分析包劃分舉例

以某FPSO項(xiàng)目CR系統(tǒng)為例，管道需要跨越CP模塊、管廊模塊、CS模塊塊連接設(shè)備X-2006、 X-2005、X-2004，見圖6。建立詳細(xì)模型如圖7所示，評(píng)估CP模塊、管廊、CS模塊撬內(nèi)管道柔性較好，可以在撬塊邊界點(diǎn)設(shè)置固定支架，將模型切分為三個(gè)模型分別計(jì)算。

圖6 某FPSO船體平面布置圖

建立詳細(xì)模型如圖7所示，評(píng)估CP模塊、管廊、CS模塊撬內(nèi)管道柔性較好，可以在撬塊邊界點(diǎn)設(shè)置固定支架，將模型切分為三個(gè)模型分別計(jì)算。

圖7 詳細(xì)模型舉例

4.3 管道應(yīng)力分析包標(biāo)記

劃分好應(yīng)力分析包的同時(shí)，應(yīng)在P&ID上及管線表中將對(duì)應(yīng)ISO圖進(jìn)行標(biāo)記，并用顏色予以區(qū)分，方便識(shí)別與計(jì)算。

5 結(jié) 論

本文對(duì)管道應(yīng)力分析分包劃分進(jìn)行研究分析，介紹了管道應(yīng)力分析流程、固定平臺(tái)應(yīng)力分析包劃分原則與依據(jù)，介紹了FPSO上部模塊管道應(yīng)力分析劃分包的方法，對(duì)比了FPSO與固定平臺(tái)應(yīng)力分析包劃分差異，并以南海某FPSO上部模塊為例，對(duì)FPSO上部模塊管道應(yīng)力分析包的劃分進(jìn)行分析介紹。對(duì)FPSO上部模塊管道應(yīng)力分析工作起到指導(dǎo)與推動(dòng)作用，為同行提供借鑒參考。

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Study on FPSO Topside Module Piping Stress Package Division Analysis

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（Engineering Company of Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China）

There are a large number of pipes that need detailed stress analysis for offshore-platform topside and FPSO(floating production storage and offloading device) topside module. At the beginning of piping stress analysis, these pipes should be divided into small packages, and then detailed pipe stress analysis calculation should be carried out. However, how to divide the stress analysis package, and how to divide it to promote the work of piping stress analysis are the first problem to be solved. In this paper, the division of the stress analysis package was studied and analyzed, the division principle and basis were introduced, and using the module of an FPSO in the South China Sea as an example, the differences and similarities of FPSO topside module piping stress analysis package were introduced and compared, which could guide and promotethe work of FPSO topside module piping stress analysis and provide reference for peers.

FPSO; Piping ; Piping stress package; Division; Piping stress analysis

2020-08-21

紀(jì)志遠(yuǎn)（1989-），男，工程師，碩士，天津人，畢業(yè)于南開大學(xué)項(xiàng)目管理專業(yè)，研究方向：海洋石油平臺(tái)管道應(yīng)力分析技術(shù)。

U674.38

A

1004-0935（2020）01-0078-04