FPSO玻璃鋼管應(yīng)力分析

石銀輝，寧 俊，李 麗

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

玻璃鋼（Fiberglass Reinforced Plastic，F(xiàn)RP）管是玻璃纖維增強(qiáng)塑料管的簡稱，是一種新型復(fù)合材料管。玻璃鋼管主要以玻璃纖維或其制品作為增強(qiáng)材料，以不同種類的樹脂作為基體制作而成，具有許多其他管材無法取代的優(yōu)越性能。與船上常用的碳鋼管和不銹鋼管相比，玻璃鋼管具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、水力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在船舶與海洋工程領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。

應(yīng)用于船舶與海洋工程的玻璃鋼管工作環(huán)境惡劣，受到風(fēng)載荷、波浪抨擊等復(fù)雜載荷的作用。此外，管路布置不合理等因素常常會(huì)導(dǎo)致管道破裂和支架損壞。為提高玻璃鋼管的使用安全性，本文以某浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）的玻璃鋼管為例，采用CAESAR Ⅱ軟件建立排舷外管道的有限元模型，探討壓力、溫度、風(fēng)載荷、波浪砰擊和船體變形等對(duì)管道應(yīng)力的影響，論證玻璃鋼管在惡劣工況下的應(yīng)用可行性，從而為玻璃鋼管在船舶及海洋工程中的推廣使用提供依據(jù)。

1 玻璃鋼管的性能

近年來，玻璃鋼管以其獨(dú)特的化學(xué)性能、物理性能和力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于船舶管路系統(tǒng)，與金屬管材相比，具有3點(diǎn)優(yōu)越性能：

1）耐腐蝕性能好，使用壽命長，安全可靠

玻璃鋼的耐腐蝕性主要取決于富含樹脂的內(nèi)襯層及外保護(hù)層，針對(duì)不同的腐蝕性介質(zhì)選擇合適的樹脂、玻璃纖維及其制品，可使玻璃鋼管具有良好的耐腐蝕性能，進(jìn)而廣泛用于各類油脂、污水和海水等介質(zhì)。此外，玻璃鋼還具有抗老化、耐高溫、耐磨損、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

2）密度小、重量輕

玻璃鋼管密度僅為鋼管的 1/5～1/4，其壁厚雖較同規(guī)格的鋼管略厚，但其總重量一般不到后者的1/2，因此用玻璃鋼管代替普通鋼管可降低管路重量，進(jìn)而降低船舶重量。

3）水力學(xué)性能優(yōu)異

玻璃鋼管內(nèi)表面光滑、磨阻系數(shù)小，屬于水力學(xué)光滑管。使用玻璃鋼管輸送液體與采用相同口徑的船用鋼管相比，可大大減少壓頭損失，降低泵的能耗。此外，玻璃鋼管在使用過程中不結(jié)垢、不生銹、不滋生藻類和其他微生物，因此使用的時(shí)間越長，其優(yōu)勢(shì)就越明顯。

2 管道應(yīng)力分析理論

管道應(yīng)力分析主要在于解決管道在強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)等方面可能產(chǎn)生的問題。根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，適當(dāng)改變管道走向及支撐條件以滿足管道強(qiáng)度和剛度的要求。管道應(yīng)力分析可分為靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析兩部分：1）靜態(tài)分析主要是對(duì)管道進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，保證管道具有足夠的柔性以吸收由于熱脹冷縮及端點(diǎn)位移產(chǎn)生的變形，使管道各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力小于其許用應(yīng)力；2）動(dòng)態(tài)分析主要是對(duì)管道進(jìn)行防振設(shè)計(jì)，保證管系有一定的剛度，避免在干擾作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。在實(shí)際分析中，靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析彼此聯(lián)系又相互矛盾，需要對(duì)兩者的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以滿足最終設(shè)計(jì)要求。為便于工程應(yīng)用，可以利用靜態(tài)等效法將動(dòng)態(tài)載荷轉(zhuǎn)換為靜態(tài)載荷，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行靜態(tài)分析。

在管道設(shè)計(jì)過程中，常采用 CAESAR Ⅱ軟件對(duì)關(guān)鍵性管路進(jìn)行力學(xué)分析。CAESAR Ⅱ軟件可有效對(duì)玻璃鋼等正交各向異性材料進(jìn)行模擬和分析。此外，CAESAR Ⅱ軟件集成各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求以及多家供應(yīng)商提供的玻璃鋼產(chǎn)品的材料參數(shù)，在建模和分析時(shí)可直接選取這些參數(shù)作為默認(rèn)值。本文選擇ISO 14692-2: 2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)玻璃鋼管進(jìn)行應(yīng)力校核。

3 FPSO玻璃鋼管道應(yīng)力校核工程實(shí)例

本文的計(jì)算分析基于某FPSO上使用的玻璃鋼管，該FPSO由30萬噸級(jí)超大型油輪改裝而成，將服務(wù)于780 m深的海域，設(shè)計(jì)壽命為25年，玻璃鋼管采用阿麥隆Bondstrand 7000M環(huán)氧系列。

3.1 管道載荷

FPSO管道系統(tǒng)除了承受壓力、重力、溫度、風(fēng)等常規(guī)載荷外，還要承受海浪作用下產(chǎn)生的慣性加速度、船體變形、砰擊載荷的影響。在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，需根據(jù)規(guī)范要求和載荷情況進(jìn)行合理的工況設(shè)計(jì)。

3.1.1 壓力、溫度和重力載荷

管線在不同工況下受到壓力和溫度的影響不同，本例中根據(jù)工況的不同定義了3種重力載荷：操作工況重力，磅壓滿水重力和空管重力。其他參數(shù)取值情況如下：計(jì)算管線設(shè)計(jì)壓力為690 kPa，試驗(yàn)壓力為1 035 kPa，操作溫度為45 ℃，設(shè)計(jì)溫度為65.6 ℃，最低環(huán)境溫度為14.6 ℃，安裝溫度為24.2 ℃，玻璃鋼管密度為1 800 kg/m，流體密度為1 020 kg/m。

3.1.2 加速度載荷

波浪具有一定的隨機(jī)性，但波浪本身不直接作用于管道，而是將載荷通過船體和管道支架傳遞給管道。船體在波浪作用下產(chǎn)生加速度載荷，該載荷隨管道位置變化而變化。為簡化計(jì)算，取各位置處加速度的最大值進(jìn)行計(jì)算。若因參數(shù)過于保守而導(dǎo)致某處計(jì)算不通過，可選取對(duì)應(yīng)位置的加速度重新計(jì)算。取操作狀態(tài)下百年一遇風(fēng)浪環(huán)境的加速度和拖航狀態(tài)下十年一遇非颶風(fēng)環(huán)境的加速度作為輸入條件，計(jì)算得到的管道加速度見表1。

表1 加速度載荷

3.1.3 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷屬于動(dòng)態(tài)載荷，應(yīng)采用動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行分析，但由于動(dòng)力學(xué)分析方法過于復(fù)雜，難以用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)，故常使用等效靜態(tài)方法來分析風(fēng)載荷。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，風(fēng)速計(jì)算公式為

式中：為距離海平面的高度；為平均周期；(,)為距海平面高度處平均周期內(nèi)的平均風(fēng)速；為距海平面高度10 m處10 min內(nèi)的平均風(fēng)速。

3.1.4 船體變形

船體在波浪載荷作用下以及裝載、卸載的過程中會(huì)產(chǎn)生交變的船體變形，這種變形極易造成管道的疲勞破壞。當(dāng)FPSO滿載時(shí)，沿船長方向會(huì)產(chǎn)生向下的彎曲變形，船體中部下垂，即中垂現(xiàn)象；當(dāng)FPSO空載時(shí)，沿船長方向會(huì)產(chǎn)生向上的彎曲變形，船體中部向上拱起，即中拱現(xiàn)象。受船體中垂和中拱的影響，管道在軸向和豎直方向均會(huì)產(chǎn)生位移變化。在應(yīng)力計(jì)算中，通常采用在每個(gè)支架上添加附加位移的方式模擬波浪引起的中拱變形、波浪引起的中垂變形、空載引起的中拱變形、滿載引起的中垂變形。

3.1.5 波浪砰擊

由于排舷外管布置在船舶舷側(cè)，極端情況下的甲板上浪及砰擊載荷會(huì)對(duì)船體和甲板暴露物造成破壞性沖擊甚至損壞，因而需要提前考慮并評(píng)估波浪砰擊的影響。計(jì)算管路同時(shí)包含水平管路和豎直管路，需根據(jù)該項(xiàng)目甲板上浪和砰擊載荷評(píng)估指南，通過分段輸入的方法將水線以上部分所受的沖擊載荷和水下部分所受的阻力載荷輸入軟件。舷側(cè)橫向管路和豎直管路受波浪砰擊情況分別見圖1和圖2。

圖1 舷側(cè)橫向管路受波浪砰擊情況

圖2 舷側(cè)豎直管路受波浪砰擊情況

3.2 玻璃鋼管性能參數(shù)

由于玻璃鋼的材料屬性沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在對(duì)玻璃鋼管道進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要廠家提供玻璃鋼產(chǎn)品的材料參數(shù)。本文使用的玻璃鋼管的材料參數(shù)見表2，ISO 14692-2: 2017標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力參數(shù)見表3。

表2 玻璃鋼管材料參數(shù)

表3 ISO 14692-2: 2017標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力參數(shù)

3.3 應(yīng)力計(jì)算模型

在CAESAR Ⅱ軟件中選擇ISO 14692-2: 2017標(biāo)準(zhǔn)和玻璃鋼管，在參數(shù)輸入面板設(shè)定玻璃鋼的各項(xiàng)性能參數(shù)。根據(jù)排舷外管原理圖和管路布置圖，正確輸入管道的密度、管徑和壁厚等性能參數(shù)，以及加載溫度、壓力、加速度、船體變形、波浪抨擊等計(jì)算參數(shù)，確定相應(yīng)的載荷工況組合方法，應(yīng)力計(jì)算模型見圖3。

圖3 排舷外管應(yīng)力計(jì)算模型

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)項(xiàng)目應(yīng)力計(jì)算規(guī)格書的要求，本文共設(shè)置75個(gè)工況：42個(gè)基本工況以及由基本工況組合而成的33個(gè)組合工況，分別用來校核操作工況下的持續(xù)載荷、膨脹載荷、操作載荷、偶然載荷和疲勞應(yīng)力，以及拖航工況下的持續(xù)載荷、偶然載荷。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)部分支架和管道布置進(jìn)行優(yōu)化，以使各項(xiàng)校核內(nèi)容滿足標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目實(shí)際需求。

3.4.1 許用應(yīng)力

根據(jù)載荷條件和工況條件，計(jì)算管道系統(tǒng)在各節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力，保證應(yīng)力計(jì)算值小于ISO 14692-2: 2017標(biāo)準(zhǔn)的許用應(yīng)力，確保管道系統(tǒng)的安全。玻璃鋼管道的應(yīng)力校核是反復(fù)優(yōu)化管路的過程，首先對(duì)玻璃鋼管道進(jìn)行初步布置和應(yīng)力計(jì)算，若應(yīng)力計(jì)算結(jié)果超標(biāo)，通過改變管道走向、調(diào)整支架間距、增加固定支撐等方法來增加管道柔性，降低管道的應(yīng)力水平，直至所有管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力值都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4.2 支架受力

在操作工況和拖航工況下，管線在各種載荷的作用下會(huì)給支架一定的力和力矩，需要對(duì)支架的受力進(jìn)行校核以保證支架設(shè)計(jì)的合理性。通常情況下，在支架豎直方向的載荷超過30 kN、水平方向的載荷超過10 kN時(shí)，需要將計(jì)算結(jié)果反饋給結(jié)構(gòu)專業(yè)人員評(píng)估結(jié)構(gòu)的承受能力以確安全。

3.4.3 變形

由管線自重、內(nèi)部流體重力和集中載荷等導(dǎo)致的豎向變形不得超過12.5 mm。若管線的橫向變形結(jié)果大于25 mm，在管路設(shè)計(jì)時(shí)需要保留足夠的間隙，避免與其他管路或結(jié)構(gòu)干涉。

3.4.4 法蘭泄漏

除承受內(nèi)部壓力外，管道中的法蘭還要承受管道和介質(zhì)的重量、溫度、振動(dòng)等載荷引起的軸向力和彎矩。為防止在操作條件下發(fā)生泄漏風(fēng)險(xiǎn)，本文采用NC 3658.3最大屈服強(qiáng)度法對(duì)法蘭進(jìn)行可靠性校核。對(duì)有泄漏風(fēng)險(xiǎn)的法蘭，通常采用2種方法進(jìn)行改進(jìn)：1）適當(dāng)修改管道走向，增加柔性，減小作用于法蘭的載荷；2）提高法蘭的壓力等級(jí)，增強(qiáng)法蘭的承載能力，進(jìn)而降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

3.4.5 振動(dòng)分析

受到流體作用和動(dòng)態(tài)載荷的影響，管道會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，需對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析以確定其固有頻率。對(duì)于該FPSO項(xiàng)目，正常操作工況下的固有頻率需大于5 Hz。為防止管線自身固有頻率太小導(dǎo)致管道共振，玻璃鋼管線按照廠家規(guī)定設(shè)置支架間距，在彎頭附近設(shè)置導(dǎo)向支架，但注意支架距離彎頭不宜太近，以免限制彎頭處變形，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中及支反力過大。

4 結(jié)論

FPSO服役環(huán)境惡劣，其管道設(shè)計(jì)必須滿足玻璃鋼管校核標(biāo)準(zhǔn)和廠家的要求，必須進(jìn)行嚴(yán)格的管道柔性分析以保證其服役過程的連續(xù)性和安全性。本文以服役于深海的FPSO的排舷外管道為實(shí)例，從玻璃鋼管的性能、管道載荷工況、應(yīng)力計(jì)算方法等方面對(duì)玻璃鋼管的應(yīng)力分析進(jìn)行了介紹。本文介紹的玻璃鋼管道應(yīng)力計(jì)算方法及改進(jìn)措施經(jīng)過了項(xiàng)目驗(yàn)證，為玻璃鋼管的規(guī)范化計(jì)算提供了參考，對(duì)玻璃鋼在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用具有借鑒意義。