彈簧支吊架在FPSO上部模塊管道應力分析的研究應用

紀志遠,陳巍,田惠萍,周爽,張海成

（海洋石油工程股份有限公司設計院天津市濱海新區(qū)300451）

引言

彈簧支吊架是管道支吊架的重要組成部分，彈簧支吊架可以用來吸收管道位移，特別是垂直方向，同時可以用來調(diào)節(jié)敏感的設備管口。在海洋石油工程領域，例如海洋石油平臺以及FPSO上部模塊等工藝管道都有著較廣泛應用。因此，本文將以某FPSO上部模塊生產(chǎn)水系統(tǒng)泵組部分管道道為例，通過管道設計方案對比優(yōu)化的過程，介紹彈簧支吊架的選型設計及彈簧支吊架對管道布置的影響，說明彈簧支吊架可以用來增加管道柔性，降低管口荷載，保證管道系統(tǒng)的安全。

1 FPSO簡介

FPSO是Floating Production Storage and Offloading System的縮寫，全稱為浮式生產(chǎn)儲卸油裝置，如圖1所示，它是漂浮在海上的一個巨大浮體，它不能像船舶一樣在海上自由航行，而是依靠單點系泊、可圍繞單點轉(zhuǎn)動，同時，F(xiàn)PSO又具有一些船舶的特性：例如：穩(wěn)性、浮性、強度高等。

圖1 FPSO在海上作業(yè)

彈簧支吊架根據(jù)其承受力載荷情況，分為可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架。其參照標準、許用荷載、位移、及荷載變化對比可見表1，恒力彈簧受力及位移范圍較可變彈簧大，適用于大荷載或大位移場合。

表1 可變彈簧與恒力彈簧對比表

在海洋石油固定平臺及FPSO上部模塊可變彈簧應用較恒力彈簧更廣泛。

3 管道應力分析

管道應力分析包括對管道所受一次應力與二次應力的分析評估，其中一次應力是指在重力、壓力或其他外載荷的作用下所受的應力，一次應力會伴隨著外力的增加而增加，因此認為一次應力不具有自限性；二次應力是由于管道所受熱脹冷縮或附加荷載后產(chǎn)生的應力，二次應力當自身變形平衡與外力平衡后變不會增加，因此認為二次應力具有自限性。管道支吊架在管道系統(tǒng)中扮演著重要角色，管道系統(tǒng)設計包括管道跨距設計、管道支吊架設計等，因此，合理的支吊架布置能有效降低管道的一次應力和二次應力，降低管口荷載，保證管道的安全。

4 案例研究應用

本文以某FPSO上部模塊生產(chǎn)水系統(tǒng)泵組管道為例，研究三臺泵組管線布置及管口校核情況，其中初步設計方案如圖2所示，管道設計參數(shù)見表2，船體運動加速度見表3，其中風載考慮百年一遇工況。

表2 管道設計參數(shù)

表3 極端工況船體運動加速度

圖2 某FPSO上部模塊生產(chǎn)水系統(tǒng)泵組布置圖

FPSO上部模塊管道因船體中垂中拱變形產(chǎn)生位移變化，由于生產(chǎn)水系統(tǒng)泵組管道均布置在上部甲板的CP模塊，且未有跨越模塊接管，因此在本模塊內(nèi)不考慮結構變形對管道設計的影響。

由管道布置觀察可見，A、B、C三組泵出口管線柔性較好，但進口管線直接連接濾器，柔性較差，通過計算管道所受應力比及管口荷載如表4所示。A、B、C三臺泵進口管道方向均超過許用值最大1.77倍，因此必須進行管道設計調(diào)整。

表4 泵口載荷值

5 調(diào)整優(yōu)化

對于泵口載荷超過許用值情況，可以通過調(diào)整進口管道走向、增加管道長度、調(diào)整支架位置型式，以及增加彈簧支吊架等方式進行評估驗證。

5.1 調(diào)整方案一

在三臺濾器進口管線增加上翻π彎，走袋形進入濾器進口，調(diào)整后模型如圖3所示，泵口荷載值見表5。此種方案中，三組泵入口Y向（豎直向上方向）受力雖然有所下降，但管口受力仍超出標準要求1.5倍；同時根據(jù)工藝要求，濾器前管道走向不宜多增加彎頭，容易產(chǎn)生氣蝕影響，因此方案一不通過。

圖3 調(diào)整方案一

表5 方案一泵口荷載值

5.2 調(diào)整方案二

在三臺濾器進口管線增加下翻π彎后進入濾器進口，但根據(jù)測量從彎頭中間到平臺高度為874mm，管道下翻會增加進泵阻力，流進泵口的介質(zhì)當量減少，同時下翻會與撞結構梁，空間不允許，且形成低點，如將過濾器抬高又會影響上部抽芯空間并且存在與上方已有管道相撞，因此，調(diào)整方案二整體不能實現(xiàn)，因此方案二不通過。

圖4 調(diào)整方案二中三維模型圖（空間高度受限）

5.3 調(diào)整方案三

延長泵進口管線，調(diào)整后模型如圖5所示，根據(jù)表格數(shù)據(jù)可以看出延長泵進口管線后，C泵管口可以校核通過，A、B泵管口仍需調(diào)整，同時在模型中，延長泵入口管線后濾器向后方移動占用了安全、操作通道同時與斜撐主梁相撞，載荷值見表6。方案三不通過。

表6 方案三泵口荷載值

圖5 調(diào)整方案三（延長進口管線長度）

5.4 調(diào)整方案四

在三臺濾器進口管線增加彈簧支吊架，其中彈簧支架型式規(guī)格如表7所示，調(diào)整后模型如圖6所示，根據(jù)表格數(shù)據(jù)可以看出，管口受力全部在許用范圍內(nèi)，且不改變走向同時留有操作空間。綜合以上評估，第四種方案為推薦方案。

表7 彈簧支架架型式表

圖6 調(diào)整方案四

對比方案四和方案一管口荷載受力，如表9所示,在表中將許用荷載值，方案一最大受力值以及方案四的三個管口荷載進行了對比，從表可見通過增加彈簧支架，A、B、C泵進口管口受力下降了45%，校核均通過，同時未占用安全通道，未出現(xiàn)沖撞結構等情況。

表9 方案四和方案一泵管口荷載受力對比表

根據(jù)工藝要求，考慮了三臺泵組互為備用情況，結果均校核通過。

表8 方案四泵口荷載值

在FPSO上部模塊，空間狹窄，管道多，管道走向調(diào)整要考慮諸多因素，如是否碰撞小管、儀表托架、結構梁等，以及是否占用安全通道或操作空間，往往不能按照需求隨意調(diào)整管道走向，在充分評估的情況下，適當?shù)奈恢迷O計彈簧支吊架，對增加管道柔性，降低管道應力比，降低管口荷載，有明顯的作用。

6 總結

本文以某FPSO上部模塊生產(chǎn)水系統(tǒng)泵組設計為例，通過方案對比，介紹了彈簧支吊架的選型設計應用及彈簧支吊架對管道布置的影響，F(xiàn)PSO上部模塊管道十分復雜，在空間受限的情況下，在合適的位置準確選用彈簧支吊架，對保證管道安全起到了重要作用。