通用型FPSO壓載水管路系統(tǒng)泵口載荷及法蘭泄漏分析

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(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)有其自身特點(diǎn)，需要綜合考慮管線(xiàn)和管支架的強(qiáng)度、截面剛度和管線(xiàn)敷設(shè)坡度、管線(xiàn)允許的最大撓度進(jìn)行確定，并用強(qiáng)度條件校核，以保證管線(xiàn)、支吊架和設(shè)備同時(shí)滿(mǎn)足剛度和強(qiáng)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(huì)影響整個(gè)海上油田生產(chǎn)流程的正常運(yùn)行，在嚴(yán)重情況下會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)際工程管子的載荷作用在泵口處時(shí)，可能由于載荷過(guò)大在泵口處引起較大的變形，影響泵的正常運(yùn)行。同時(shí)，管子位移過(guò)大，軸向應(yīng)力過(guò)大會(huì)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(lái)保證設(shè)計(jì)方面的安全有效。

以通用型FPSO H1468為研究對(duì)象，針對(duì)其壓載水管路系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)，進(jìn)一步提高通用型FPSO管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性。

1 泵設(shè)備三維模型模擬

評(píng)判泵載荷的第一步就是收集泵及載荷的信息，API 610用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)檢驗(yàn)泵載荷：獨(dú)立管口載荷和泵機(jī)架上的組合管口載荷[2]。進(jìn)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(yàn)獨(dú)立的x、y、z方向的分量，而且檢驗(yàn)合成力及合成力矩。另外，為保證泵的正確校準(zhǔn)，泵的所有載荷均根據(jù)一基礎(chǔ)點(diǎn)求解得到，校核采用交互方法，將校核結(jié)果與許用值進(jìn)行比較。圖1的右半部為某一泵進(jìn)口處校核標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際建模過(guò)程中，泵體的模型并不能完全建立在軟件中，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行等效化處理[3]。一般將泵口法蘭作為固定點(diǎn)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(shí)，可在泵口做1個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)2890關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)10240，把真實(shí)的固定點(diǎn)模擬至泵的基座。泵體為節(jié)點(diǎn)10240至節(jié)點(diǎn)10250，固定節(jié)點(diǎn)10250為泵的基座，兩端分別為泵的進(jìn)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(guò)泵體的變形來(lái)減小，因此用壁厚較厚的剛性件來(lái)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(diǎn)信息。

FPSO常年在深海進(jìn)行石油開(kāi)采、處理和儲(chǔ)運(yùn)作業(yè)，當(dāng)FPSO外輸原油時(shí)，吃水降低，船舶的穩(wěn)性下降，需要通過(guò)壓載水管路系統(tǒng)來(lái)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(duì)壓載水管路系統(tǒng)玻璃鋼管道進(jìn)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(jì)溫度T1和最低設(shè)計(jì)溫度T2兩種工況下的載荷。

圖3 泵設(shè)備三維圖及節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)

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(guó)海上作業(yè)者協(xié)會(huì)(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(jìn)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(duì)玻璃鋼管壓載水系統(tǒng)設(shè)置分析工況時(shí)，由于壓載水系統(tǒng)位于艉部機(jī)艙內(nèi)，因此，不考慮風(fēng)載荷對(duì)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(gè)步驟：首先，通過(guò)Tribon M3建立CAESAR Ⅱ三維模型，根據(jù)管徑及限值載荷大小來(lái)判斷泵的進(jìn)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(diǎn)號(hào)、進(jìn)口節(jié)點(diǎn)號(hào)及尺寸、出口節(jié)點(diǎn)號(hào)及尺寸等；第三，輸入進(jìn)口的力和力矩值；第四，輸入出口的力和力矩值；第五，將計(jì)算輸出結(jié)果與泵供應(yīng)商所給的限值載荷進(jìn)行對(duì)比，得到分析報(bào)告[5]。在實(shí)際計(jì)算中，由于計(jì)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(duì)泵口載荷進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2和表3所示。

通過(guò)得出的分析報(bào)告可看出：所選取壓載泵進(jìn)出口的載荷最大值在進(jìn)口Fa處，此處力和力矩比值達(dá)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(duì)玻璃鋼管道泵口法蘭泄漏進(jìn)行校核，取法蘭較為密集部位進(jìn)行結(jié)果展示，如表4和表5所示。

通過(guò)得出的分析報(bào)告可看出：在最高設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算原本就很保守，而船舶所有人給出的標(biāo)準(zhǔn)是不超過(guò)150%，上述計(jì)算結(jié)果部分超額最大值僅在120%左右且為個(gè)別，因此此工況的校核結(jié)果滿(mǎn)足要求。優(yōu)化模型后，雖然部分校核計(jì)算結(jié)果可能不滿(mǎn)足規(guī)范，但是在實(shí)際工程中，這并不是必需的，存在保守計(jì)算，可滿(mǎn)足實(shí)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(fù)荷更大，油氣泄漏和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)更高，壓載水管路系統(tǒng)泵口載荷過(guò)大及法蘭泄漏導(dǎo)致的停工停產(chǎn)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，此類(lèi)安全問(wèn)題一直是關(guān)注的重點(diǎn)。以通用型FPSO H1468的壓載水管路系統(tǒng)為研究對(duì)象，給出泵設(shè)備的三維模擬方法，通過(guò)CAESAR Ⅱ軟件計(jì)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(yùn)行，證明通用型FPSO H1468壓載水管路系統(tǒng)玻璃鋼管道設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)壓載水管路設(shè)計(jì)提供技術(shù)借鑒。

表2 壓載泵進(jìn)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(jì)溫度T1工況的校核結(jié)果

表5 最低設(shè)計(jì)溫度T2工況的校核結(jié)果