通用型FPSO 消防水系統(tǒng)管路應(yīng)力分析及優(yōu)化

徐 瑞，孔令海，竇培林，陳 練

(1. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2. 中國船舶集團(tuán)有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

FPSO 作為海上浮式儲(chǔ)油卸油裝置，是開采海洋油氣資源最重要的生產(chǎn)裝置，其上布置有大量管系，而且為了節(jié)省空間，其管道布置一般較為緊湊，消防水系統(tǒng)管路作為其中的典型管系，其布置的合理性對(duì)FPSO 的安全生產(chǎn)有非常重要的影響。本文以通用型FPSO 消防水系管道為研究對(duì)象，通過分析其不同工況下的應(yīng)力情況、不同約束載荷下的支架受力情況以及法蘭泄漏情況，對(duì)管系以及支架做出相應(yīng)的調(diào)整，保證消防水系管道的安全，為FPSO 的正常生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1 應(yīng)力分析理論

由于管系在工作過程會(huì)受到壓力、重力以及各種工況下的載荷以及位移等影響，因此需要通過對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析來評(píng)估管系及其支架系統(tǒng)在工作時(shí)的安全性能。對(duì)于漂浮于海上的 FPSO 的貨油系統(tǒng)來說，其主要受到壓力、重力、溫度、船體加速度和船體變形等載荷，在此基礎(chǔ)上需要校核應(yīng)力、法蘭泄漏、管系位移、設(shè)備管口受力和支架受力等[1]。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) ASME B31.3-2016 Process piping Code for Pressure Piping 的應(yīng)力分類，貨油管道應(yīng)力分為持續(xù)應(yīng)力、位移應(yīng)力和偶然應(yīng)力[2–5]。

2 消防水系統(tǒng)中部主甲板模塊管系數(shù)值模型

為了對(duì)FPSO 消防水管系進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)通用型FPSO 的消防水系統(tǒng)的管系模型，在其Tribon M3 模型的基礎(chǔ)上，為了便于后續(xù)分析，在Caesar II 中建立其等效模型，管道的材質(zhì)根據(jù)實(shí)際情況選用銅鎳合金管。在校核過程中，采用美國B31.3 規(guī)范進(jìn)行校核[6]，消防水管路系統(tǒng)具體參數(shù)如表1 所示，其結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

表 1 主甲板消防水管的具體參數(shù)Tab. 1 Specific parameters of fire water pipe on main deck

圖 1 主甲板消防水系統(tǒng)三維模型Fig. 1 Three dimensional model of fire water system on main deck

3 消防水系統(tǒng)的工況分析

在進(jìn)行主甲板消防水管系分析時(shí)，需要考慮到管系自身以及內(nèi)部介質(zhì)的重力所產(chǎn)生的載荷，將這些載荷輸入到Caesar II 中進(jìn)行分析，當(dāng)工況組合較為簡(jiǎn)單時(shí)，需要考慮風(fēng)載荷、慣性載荷以及溫度載荷等各種載荷不同組合工況下的管子受力狀態(tài)，通常認(rèn)為在一般情況下，由于風(fēng)浪作用，船體在3 個(gè)方向的加速度分別為uz=0.31 m/s2，uy=0.2 m/s2，ux=0.34 m/s2，而在極端工況下一般認(rèn)為uz=2.71 m/s2，uy=2.57 m/s2，ux=1.54 m/s2。為了方便計(jì)算分析，通過數(shù)值的形式表示由船體的變形而引發(fā)的附加位移，相應(yīng)的工況設(shè)置如表2 所示。

表 2 主甲板消防水系統(tǒng)分析工況Tab. 2 Working condition analysis of fire water system

4 消防水管道系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 主甲板消防水管道系統(tǒng)應(yīng)力結(jié)果分析

通過對(duì)主甲板消防水管道系統(tǒng)應(yīng)力分析結(jié)果顯示，L19，L20，L21 和L22 這4 種工況下管道存在一次應(yīng)力超標(biāo)，具體超標(biāo)數(shù)值結(jié)果如表3～表5 所示。

表 3 L19 工況下應(yīng)力超標(biāo)數(shù)據(jù)表Tab. 3 Case 19 data sheet of excessive stress

表 4 L120 工況下應(yīng)力超標(biāo)數(shù)據(jù)表Tab. 4 Case 20 data sheet of excessive stress

表 5 L121 工況下應(yīng)力超標(biāo)數(shù)據(jù)表Tab. 5 Case 21 data sheet of excessive stress

通過表2 數(shù)據(jù)以及節(jié)點(diǎn)應(yīng)力超標(biāo)放大圖可以看出，在L19，L20，L21 和L22 等4 個(gè)工況下消防水管道應(yīng)力超標(biāo)。其中有些工況中的一些節(jié)點(diǎn)超標(biāo)原因都比較類似，都是因?yàn)閺澢鷳?yīng)力過大導(dǎo)致，而扭轉(zhuǎn)應(yīng)力都很小，通過放大100 倍的撓曲線圖可以發(fā)現(xiàn)這幾處Y方向的管道熱脹冷縮產(chǎn)生的軸向力使得管道產(chǎn)生+Y方向位移，所以需要增加一個(gè)Y方向的限制支架。

在工況19 的7610 節(jié)點(diǎn)位置，由于其-Y方向的2 個(gè)支架在X方向上存在明顯的約束不足現(xiàn)象，雖然左1 支架的存在對(duì)X和Z方向起到一定的約束作用，但是其在X方向存在5 mm 的約束間隙，而且在左2 支架處，只存在一個(gè)+Z方向的支撐，綜上所述就會(huì)導(dǎo)致管道在X方向產(chǎn)生較大的位移，從而使節(jié)點(diǎn)7610 處產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，因此綜合考慮后，需要去掉左1 支架的約束間隙，從而減小管道在X方向的偏移量。

在Caesar II 中對(duì)4 個(gè)工況下調(diào)整前和調(diào)整后節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，如圖2～圖4 所示。

圖 2 L19 調(diào)整支架前后應(yīng)力對(duì)比圖Fig. 2 Case 19 Comparison diagram of stress before and after adjusting the support

圖 3 L20 調(diào)整支架前后應(yīng)力對(duì)比圖Fig. 3 Case 20 Comparison diagram of stress before and after adjusting the support

圖 4 L21 調(diào)整支架前后應(yīng)力對(duì)比圖Fig. 4 Case 21 Comparison diagram of stress before and after adjusting the support

調(diào)整支架后，各工況下節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力如表6 所示。其中L13 和L14 工況下由于添加慣性載荷，管道應(yīng)力比率數(shù)值較大。與工況L3 對(duì)比可得，慣性載荷的增加使得管道最大應(yīng)力有所增加，但都在合格范圍內(nèi)。

表 6 消防水系統(tǒng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab. 6 Fire water system stress calculation results

對(duì)比工況L1 和工況L3 可得在安裝溫度下的持續(xù)工況下管道應(yīng)力數(shù)值增大，應(yīng)力比率達(dá)85.1%。

4.2 主甲板消防水管約束載荷分析

主甲板消防水系統(tǒng)約束載荷如表7 所示。將工況L2，L4 與工況L7～L14 做對(duì)比，可以看到在施加均布載荷和風(fēng)載荷后，支架整體受力增加，Z方向受力明顯增加；工況L15～L18 表示在均布載荷U1，U2 和風(fēng)載荷WIN1，WIN2 下支架的受力情況，這4 個(gè)工況下X方向和Y方向的最大受力節(jié)點(diǎn)位置不變，但受力方向相反，由此可知支架受約束反力的方向與風(fēng)向以及均布載荷方向有關(guān)。由圖5 可以看到，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z等3 個(gè)方向最大約束載荷的節(jié)點(diǎn)位置和每處的支架類型。

圖 5 三方向最大約束反力點(diǎn)Fig. 5 Maximum constrained reaction points in three directions

表 7 主甲板消防水系統(tǒng)約束載荷結(jié)果Tab. 7 Main deck fire water system restraint load results

表 8 法蘭設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 8 Flange design parameters

4.3 消防水系統(tǒng)法蘭泄漏分析

在通用型FPSO 各管道系統(tǒng)中，法蘭是連接管道與泵、閥門、管件等必不可少且使用最頻繁的零件，同樣也是管系中相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，很多管道泄漏問題往往發(fā)生在法蘭連接部分。在通用型FPSO 上，各個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)之間緊密配合，如果某個(gè)法蘭發(fā)生泄漏問題，不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。因此對(duì)法蘭的泄漏進(jìn)行分析十分必要。

在對(duì)法蘭進(jìn)行校核的過程中，主要采用CaesarⅡ中的當(dāng)量壓力法。消防水管系管道法蘭布置如圖6所示。主甲板消防水管系統(tǒng)法蘭校核執(zhí)行規(guī)范ASME-2019-150-1.1。

圖 6 法蘭布置圖Fig. 6 Flange layout

1）最高設(shè)計(jì)溫度TI 下的法蘭泄漏校核結(jié)果及分析

觀察分析超標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)，可以看出由于彎矩或軸向力過大導(dǎo)致校核結(jié)果失敗，這種情況下一般有2 種常用的解決方法：一是調(diào)整法蘭附近的支架類型、距離等；二是對(duì)管道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，可以通過修改管道的走向來增加管道柔性。考慮到管網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜密集且法蘭附近多有各類設(shè)備，所以優(yōu)先選擇調(diào)整支架位置和距離這個(gè)方法。結(jié)合Caesar Ⅱ軟件中的撓曲線圖，可以清楚看到彎矩的方向，以節(jié)點(diǎn)3930處為例，圖7 為支架調(diào)整前后撓曲線對(duì)比圖。

圖 7 撓曲線對(duì)比圖Fig. 7 Comparison of deflection lines

節(jié)點(diǎn)3930 處的法蘭由于彎矩過大導(dǎo)致法蘭校核失敗，對(duì)其周圍的支架進(jìn)行調(diào)整后，該處應(yīng)力占比從120.07%降低到87.75%，此處法蘭符合規(guī)范要求。按照這個(gè)方法反復(fù)調(diào)整所有超標(biāo)處的支架，調(diào)整后仍有十處法蘭校核結(jié)果超過100%，各超標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表9所示。

表 9 部分T1 工況下校核結(jié)果Tab. 9 Check results of part T1 conditions

這10 個(gè)節(jié)點(diǎn)處法蘭周圍的支架經(jīng)過反復(fù)調(diào)整后結(jié)果仍然不理想，如果繼續(xù)調(diào)整則會(huì)使附近法蘭再最低溫度T2 下的校核結(jié)果超標(biāo)，通過許多實(shí)際工程中法蘭校核工作可以發(fā)現(xiàn)最低設(shè)計(jì)溫度T2 工況下法蘭更容易校核失敗，所以應(yīng)該再保障T2 工況校核通過的情況下盡量使T1 工況下法蘭校核通過。

2）最低設(shè)計(jì)溫度T2 下的法蘭泄漏校核部分結(jié)果及分析

部分校核結(jié)果如表10 所示。最低溫度T2 工況下法蘭校核基本符合規(guī)范，應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)為3490，占比高達(dá)99.98%，但仍在合格范圍內(nèi)，由此可以得出消防水管道系統(tǒng)法蘭布置合理，安全性較高。

表 10 部分校核結(jié)果Tab. 10 Partial verification results

5 結(jié) 語

本文通過Caesar II 軟件建立FPSO 消防水管系模塊的數(shù)值模型，綜合考慮其在各種情況下的工況，對(duì)各種工況下的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，得到部分工況下存在一次應(yīng)力不達(dá)標(biāo)的情況，對(duì)支架進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，并對(duì)調(diào)整前后的工況進(jìn)行分析對(duì)比；對(duì)消防水管系進(jìn)行了約束載荷分析，為后續(xù)支架的選型設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備；通過Kellogg 當(dāng)量壓力法對(duì)消防水管系的法蘭進(jìn)行校核，通過分析最高溫度和最低溫度下的2 種極端工況的法蘭泄漏情況，結(jié)合Caesar II 中的撓度曲線圖，對(duì)支架位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使消防水管系的法蘭布置達(dá)到安全要求，為后續(xù)FPSO 的管系設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考和優(yōu)化思路。