FPSO 水錘載荷的應(yīng)力模擬方法

李 麗，寧 俊，石銀輝

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

近年來，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）是海洋油氣領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。由于FPSO常年在海上服役，為應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境及長(zhǎng)期作業(yè)的需求，在管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證管路運(yùn)行周期能夠達(dá)到20～25 年。除管路系統(tǒng)的基本運(yùn)行功能外，管材的強(qiáng)度對(duì)保障管路系統(tǒng)的安全性尤為重要，是抵御惡劣環(huán)境及突發(fā)狀況的有效保證。在校核管路強(qiáng)度時(shí)，一般需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析，分析過程要充分考慮海況、風(fēng)載荷、上浪載荷、由管路系統(tǒng)壓力變化引起的瞬態(tài)沖擊力等因素。

本文基于某FPSO 改裝船中的貨油卸貨系統(tǒng)，采用等效靜態(tài)載荷的方法分析水錘載荷對(duì)管路的影響，并校核管材應(yīng)力與支架受力。

1 理論介紹

1.1 水錘的定義

水錘是指管道中流動(dòng)的液體突然停止時(shí)在管道系統(tǒng)中產(chǎn)生的沖擊破壞力、噪聲和振動(dòng)[2]。當(dāng)流體的流動(dòng)狀態(tài)突然發(fā)生變化時(shí)，與流動(dòng)液體有關(guān)的能量在該位置突然轉(zhuǎn)化為壓力，這種過剩壓力稱為水錘壓力，具有較強(qiáng)的破壞性。

水錘還被定義為一種極端的流體瞬態(tài)，通常可通過閥門關(guān)閉時(shí)發(fā)出的砰砰聲來進(jìn)行識(shí)別。對(duì)于水錘，應(yīng)該進(jìn)行預(yù)判，盡量減少危害。

1.2 水錘力計(jì)算的目的

水錘力計(jì)算的目的是保證管道結(jié)構(gòu)的整體安全，以及管道系統(tǒng)的正常運(yùn)行。通過應(yīng)力分析可判斷水錘力是否會(huì)造成管道、閥門和支吊架的破壞，是否會(huì)引起法蘭連接面的泄漏，支架選型及定位是否合適等。通常情況下，為減小水錘載荷的破壞，需要在管道的適當(dāng)位置添加限位裝置，以限制瞬間破壞，保護(hù)管路或閥門。

1.3 計(jì)算公式

水錘方程是根據(jù)管道內(nèi)流體的質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律建立的。當(dāng)滿足式（1）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象[1]。

式中：T 為閥門關(guān)閉時(shí)間；L 為管道長(zhǎng)度；α為波速。

水錘壓力計(jì)算公式為

式中： ΔP 為水錘壓力；ρ為流體密度； ΔV 為流速的瞬間變化量。

波速計(jì)算公式為

式中：K 為液體的體積彈性模量；ρ 為流體密度；Di為管道內(nèi)徑；E 為管道材料的彈性模量；t 為管道壁厚。

由于水錘作用，通過管道施加于固定支架的載荷為

式中：F 為水錘載荷；A 為管道流通面積。

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

計(jì)算實(shí)例基于一艘由超大型油輪（Very Large Crude Carrier，VLCC）改裝而成的FPSO（見圖1）。FPSO 從海底油井中采油，并配備生產(chǎn)設(shè)備來處理井液、穩(wěn)定原油、分離產(chǎn)出水和天然廢水。加工后的原油先儲(chǔ)存在船上的貨物儲(chǔ)油罐中，然后再卸到穿梭油輪上。生產(chǎn)出來的氣體將進(jìn)行壓縮、加藥、脫水處理，并作為FPSO 的燃料氣體。剩余的天然氣會(huì)回注到儲(chǔ)層中，并回流到FPSO。抽取的海水會(huì)進(jìn)行處理和噴射以提供儲(chǔ)層支撐。FPSO 端的應(yīng)急速關(guān)閥安裝于卸載管終端，輸油軟管前，用以應(yīng)對(duì)管路外輸時(shí)出現(xiàn)的軟管脫落、管路爆裂、單點(diǎn)系泊故障等突發(fā)事件。關(guān)閉應(yīng)急速關(guān)閥可快速切斷原油外輸，避免原油泄漏導(dǎo)致的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 FPSO 卸貨到穿梭油輪示意圖

突然關(guān)閉應(yīng)急速關(guān)閥會(huì)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。閥門啟閉及流體瞬態(tài)模型見圖2。當(dāng)閥門處于打開狀態(tài)時(shí)，原油處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)閥門突然關(guān)閉時(shí)，閥門端的原油停止流動(dòng)，而遠(yuǎn)處原油由于慣性的作用仍向閥門端移動(dòng)。由于液體幾乎不能壓縮，這就導(dǎo)致閥板附近的壓力急劇增加，直到由于摩擦阻力的消耗，管路內(nèi)壓力平衡，流體完全停止流動(dòng)。

圖2 閥門啟閉及流體瞬態(tài)模型

2.2 水錘載荷計(jì)算

本文通過流體力學(xué)軟件計(jì)算管道系統(tǒng)的壓力時(shí)程，獲得貨物卸載系統(tǒng)在油輪端閥門關(guān)閉、FPSO端閥門關(guān)閉、油泵跳閘、船用分離聯(lián)軸器關(guān)閉等突發(fā)狀況下的壓力變化報(bào)告。

CAESAR Ⅱ軟件會(huì)直接提取水錘報(bào)告中瞬態(tài)壓力的最大值，并使用等效靜態(tài)載荷的方法校核沖擊載荷對(duì)管路的影響[3-4]。由水錘報(bào)告可知，管路作用于彎頭處的水錘力都在10 kN 以下，載荷非常小，此處就不著重介紹。主要分析當(dāng)FPSO 端的應(yīng)急速關(guān)閥關(guān)閉時(shí)主要閥門的最大水錘壓力值（見表1）。

當(dāng)FPSO 端的應(yīng)急速關(guān)閥突然關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉時(shí)間設(shè)定為20～30 s。由表1 可知，作用于應(yīng)急速關(guān)閥的最大水錘壓力為1.868 MPa，已知管道直徑為508 mm，壁厚為12.7 mm，通過式（4）可求得，作用于應(yīng)急速關(guān)閥上的水錘載荷F 為341.697 kN。

表1 主要閥門的最大水錘壓力值（單位：MPa）

因采用等效靜態(tài)載荷方法進(jìn)行仿真，需要考慮動(dòng)態(tài)載荷因子（Dynamic Load Factor，DLF）。保守起見，選用最大動(dòng)態(tài)載荷因子2，故輸入水錘載荷F1為683.394 N。

2.3 等效靜態(tài)模擬

FPSO 貨油卸貨系統(tǒng)部分卸油管路模型見圖3。對(duì)于應(yīng)急速關(guān)閥，由于水錘直接作用于閥板，故在數(shù)值模擬時(shí)直接在閥門處添加載荷F1。

圖3 FPSO 貨油卸貨系統(tǒng)部分卸油管路模型

2.4 工況設(shè)置

在應(yīng)力分析中，需要根據(jù)不同情況設(shè)置不同工況，根據(jù)是否出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，可將工況分為普通工況和水錘工況，此處忽略普通工況，重點(diǎn)分析水錘工況。

不同水錘工況設(shè)置情況見表2，其中，W 表示管道自身重力；WW表示滿液管道的重力；HP表示液壓試驗(yàn)壓力；T1表示操作溫度；P1表示設(shè)計(jì)壓力；U1表示船長(zhǎng)方向加速度；U2表示船寬方向加速度；U3表示垂直方向加速度；D1表示舯拱位移；D2表示舯垂位移；F1表示水錘載荷。

表2 不同水錘工況設(shè)置情況

2.5 結(jié)果分析

仿真計(jì)算后輸出結(jié)果。以NODE 640 處為例進(jìn)行結(jié)果分析，應(yīng)力云圖見圖4，普通工況及水錘工況下的最大偶然應(yīng)力結(jié)果對(duì)比情況見表3。

圖4 應(yīng)力云圖

表3 最大偶然應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

從表3 可以看出，水錘工況的計(jì)算應(yīng)力為普通工況的4 倍，這說明水錘對(duì)管道的沖擊作用非常顯著，其改變了整個(gè)管道的應(yīng)力分布狀態(tài)。

為減少水錘載荷的破壞，在應(yīng)急速關(guān)閥前添加一個(gè)限位支架A1（見圖3），再次核算管路應(yīng)力，結(jié)果見表4。由表4 可知，添加限位支架后，管路應(yīng) 力大幅下降，這是由于水錘力通過管路傳遞到限位支架上，從而保證了管路的運(yùn)行安全。值得注意的是，要保證限位支架的強(qiáng)度以承受水錘載荷的沖擊。

表4 最大偶然應(yīng)力結(jié)果對(duì)比（添加限位支架后）

3 結(jié)論

本文基于某FPSO 改裝船中的貨油卸貨系統(tǒng)，采用等效靜態(tài)載荷的方法分析水錘載荷對(duì)管路的影響，并校核管材應(yīng)力與支架受力。研究表明：水錘載荷會(huì)導(dǎo)致管材應(yīng)力超標(biāo)，增加爆裂危險(xiǎn)。在初始設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮水錘載荷的影響，通常可通過延長(zhǎng)閥門開啟時(shí)間來降低水錘壓力，也可以在閥門附近添加高強(qiáng)度限位支架的方式來保護(hù)閥門和管路。