FPSO主甲板冷卻水管路系統(tǒng)的加速度載荷應(yīng)力分析

王 震, 竇培林, 袁洪濤, 陳慧敏

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100；2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)常年工作在海上，惡劣的工作環(huán)境和油氣開發(fā)工作的特殊性使其必須快速提高管路系統(tǒng)的安全性。在實(shí)際運(yùn)行過程中，除重力、壓力、溫度等一些常見載荷外，需特別注意由風(fēng)浪作用于船體產(chǎn)生的加速度載荷對(duì)管路系統(tǒng)的影響。主甲板冷卻水管路系統(tǒng)作為FPSO的重要管路系統(tǒng)，是FPSO安全運(yùn)行的重要保障。因此，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析是較為必要的。

王戰(zhàn)勇等[1]提出在計(jì)算加速度載荷時(shí)根據(jù)每個(gè)模塊的最大加速度值代替加速度值進(jìn)行計(jì)算。王春霞[2]提出將加速度作為持續(xù)載荷，按照操作、極端、爆炸等3種工況和船舶的縱向、垂向、橫向等3種方向選定不同加速度參數(shù)，代替管道加速度。伍加凱等[3]在進(jìn)行壓載水系統(tǒng)應(yīng)力分析時(shí)，載荷工況為一般工況和極端工況的加速度載荷。杜曉程[4]提出將通過船舶運(yùn)行航線和船舶設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)加速度作為加速度載荷，用于玻璃鋼壓載水管道的應(yīng)力分析。張建[5]將普通工況和極端工況的加速度載荷作為偶然載荷，并將其作為基礎(chǔ)載荷疊加分析其他工況。馬李琛[6]將普通工況和極端工況引起的加速度載荷施加至管道上，并考慮其他載荷的影響。MEESAWASD等[7]在研究地下結(jié)構(gòu)的埋地管道時(shí)，為研究偶然載荷的影響，采用具有各種加速度幅度的地面加速度，結(jié)果表明，埋地管道應(yīng)力隨深度和加速度的增加而增加。HWANG等[8]根據(jù)國(guó)際地質(zhì)大會(huì)(IGC)規(guī)則規(guī)定的由位置變化得到的加速度公式，將計(jì)算得到的加速度作為持續(xù)載荷，并將其用于整個(gè)管道系統(tǒng)反映慣性力。CHOI等[9]在研究加速度載荷對(duì)液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)燃料箱的影響時(shí)，將吃水條件下的加速度載荷代入計(jì)算，結(jié)果表明，橫向加速度載荷對(duì)燃料箱影響最大。WU等[10]提出采用譜分析方法測(cè)量作用于長(zhǎng)輸油管道的加速度3個(gè)方向上的加速度分量，且管道不同位置處的加速度載荷不同，得出減小彎曲角度可降低管道應(yīng)力和位移的結(jié)論。LIU等[11]針對(duì)隨機(jī)振動(dòng)下的飛機(jī)液壓管路動(dòng)態(tài)可靠性，提出一種新的定量評(píng)價(jià)方法，通過理論計(jì)算、仿真和試驗(yàn)對(duì)比，進(jìn)行加速載荷激勵(lì)和隨機(jī)振動(dòng)下的飛機(jī)液壓管路應(yīng)力分析。

綜上所述，目前關(guān)于作用于管道的加速度載荷大多是以重心處的加速度作為船舶運(yùn)動(dòng)的實(shí)際加速度載荷，與以主甲板處的加速度作為船舶運(yùn)動(dòng)的實(shí)際加速度載荷相比，計(jì)算結(jié)果存在冗余度高、不精確的缺點(diǎn)。因此，基于中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[12]，利用MATLAB開發(fā)加速度提取程序，用于提取通用型FPSO船體任意位置處與重心處的加速度，將其以均布載荷的方式施加至管道上，分析兩種加速度載荷影響下的管道應(yīng)力區(qū)別。

1 加速度提取

1.1 通用型FPSO參數(shù)

國(guó)內(nèi)某船廠設(shè)計(jì)建造的通用型FPSO的主要參數(shù)如表1所示。

表1 FPSO主要參數(shù)

1.2 重心處加速度

FPSO船體采用右手坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)位于FPSO滿載工況的水線面與尾垂線的交點(diǎn)O；水線面與中線面的交線為x軸，指向艏部為正；水線面與中站面的交線為y軸，指向左舷為正；中線面與中站面的交線為z軸，向上為正。建立Oxyz三維直角坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 船體坐標(biāo)系

FPSO在風(fēng)浪的作用下，其首搖的影響與其他5個(gè)方向的自由度運(yùn)動(dòng)影響相比較小，因此可忽略[13]。根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》，其縱向、橫向、垂向、橫搖、縱搖加速度的計(jì)算方式如下：

由縱蕩產(chǎn)生的縱向加速度為

(1)

式中：kfT為裝載條件下的吃水與結(jié)構(gòu)吃水比值；L為船長(zhǎng)；CB為方形系數(shù)；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

由橫蕩產(chǎn)生的橫向加速度為

(2)

式中：B為型寬。

由垂蕩產(chǎn)生的垂向加速度為

(3)

橫搖加速度為

(4)

式中：θ為橫搖運(yùn)動(dòng)的橫搖角；Tθ為橫搖運(yùn)動(dòng)的橫搖周期，與橫搖回轉(zhuǎn)半徑和初穩(wěn)心高有關(guān)。

縱搖加速度為

(5)

式中：φ為縱搖運(yùn)動(dòng)的縱搖角；Tφ為縱搖運(yùn)動(dòng)的縱搖周期，與船長(zhǎng)和不同裝載條件下的吃水與結(jié)構(gòu)吃水比值有關(guān)。

1.3 任意位置處的加速度

任意位置處的縱向加速度為

(6)

任意位置處的橫向加速度為

(7)

任意位置處的垂向加速度為

(8)

式(6)～式(8)中：apitch_x為由縱搖產(chǎn)生的縱向加速度，m/s2；aroll_y為由橫搖產(chǎn)生的橫向加速度，m/s2；apitch-z為由縱搖產(chǎn)生的垂向加速度，m/s2；aroll_z為由橫搖產(chǎn)生的垂向加速度，m/s2。

主甲板冷卻水管路系統(tǒng)沿船長(zhǎng)布置，加速度的大小與船長(zhǎng)密切相關(guān)，因此作用于管路的加速度載荷變化范圍較大，具有典型性。根據(jù)通用型FPSO的主要參數(shù)和上述公式，結(jié)合開發(fā)的程序和輸入節(jié)點(diǎn)的位置，即可求得相應(yīng)位置處的加速度。在計(jì)算大量的點(diǎn)的加速度時(shí)，效率更高、更精確。

2 管道應(yīng)力分析

以主甲板冷卻水管路系統(tǒng)作為分析對(duì)象。

以船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)為計(jì)算分析坐標(biāo)，根據(jù)主甲板冷卻水管路系統(tǒng)的三維放樣模型建立相應(yīng)的CAESARⅡ模型，采用美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)《工藝管道》(ASME B31.3)進(jìn)行校核，管路模型和相關(guān)數(shù)據(jù)如圖2和表2所示。

圖2 主甲板冷卻水管路系統(tǒng)模型

表2 主甲板冷卻水管路系統(tǒng)特性和材料屬性

2.1 加速度載荷

在實(shí)際運(yùn)行過程中，波浪通過FPSO船體作用于管路系統(tǒng)。由于波浪的持續(xù)性，船體和管路所受的加速度載荷會(huì)持續(xù)存在，可作為靜載荷施加。其作用于管路的形式一般為兩種：①作為偶然載荷，并將其作為基礎(chǔ)載荷疊加分析其他工況；②作為持續(xù)載荷，通過將其用于整個(gè)管路系統(tǒng)反映慣性力。

波浪作用產(chǎn)生的加速度載荷通過船體和管道支架作用于管道，管道不同位置所受加速度載荷不同。利用MATLAB軟件開發(fā)的加速度加載程序可準(zhǔn)確計(jì)算船體任意位置處的加速度，將其代入計(jì)算，結(jié)果較為準(zhǔn)確。根據(jù)主甲板冷卻水管路系統(tǒng)分布特點(diǎn)，選取管道上的典型節(jié)點(diǎn)，包括管道模型的起點(diǎn)和終點(diǎn)、彎管部分、管道與法蘭連接部分，在船舶滿載工況條件下根據(jù)其所在船體的位置進(jìn)行加速度提取。重心處的加速度：縱向加速度ux=6.543 10 m/s2；橫向加速度uy=0.801 34 m/s2；垂向加速度uz=0.537 34 m/s2。不同節(jié)點(diǎn)處的加速度：縱向加速度ux=6.553 20 m/s2；橫向加速度uy=0.823 48 m/s2；垂向加速度uz如表3所示。

表3 不同節(jié)點(diǎn)處垂向加速度 m·s-2

任意位置處的垂向加速度值變化不明顯，這主要是由于所選用的主甲板冷卻水管路系統(tǒng)縱向跨距大，而橫向和垂向跨距較小。根據(jù)任意位置處的加速度提取公式，表3中的任意節(jié)點(diǎn)處垂向加速度值與任意位置點(diǎn)橫坐標(biāo)x和縱坐標(biāo)y有關(guān)，因此在該任意點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)改變時(shí)，其垂向加速度會(huì)隨之改變。主甲板冷卻水管路平鋪在主甲板上，其垂向坐標(biāo)為定值，因此受垂向坐標(biāo)z影響的任意位置處的縱向和橫向加速度同樣為定值。

2.2 風(fēng)載荷

主甲板冷卻水管路及其分支均位于船體主甲板上，風(fēng)載荷對(duì)船體和管路系統(tǒng)均會(huì)產(chǎn)生影響。風(fēng)載荷的計(jì)算公式為

Pw=W0KKzDsinβ

(9)

式中：Pw為風(fēng)載荷(作用方向垂直于管道)，N/m；W0為所在地區(qū)10 m高度處的基本風(fēng)壓，N/m2；K為風(fēng)載荷體型系數(shù)；Kz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；D為管道外徑，m；β為風(fēng)向與管道軸線之間的夾角。

在計(jì)算中可將風(fēng)載荷作為偶然載荷，且風(fēng)載荷平行于FPSO(x軸或y軸)方向，最大風(fēng)速考慮百年一遇風(fēng)載荷，取34.51 m/s。

2.3 載荷工況設(shè)置方法

通過CAESARⅡ軟件進(jìn)行工況組合：W為管道空重；WW為充滿介質(zhì)的管道質(zhì)量；P1為設(shè)計(jì)壓力；PH為試驗(yàn)水壓；T1為設(shè)計(jì)最高溫度；T2為設(shè)計(jì)最低溫度；U1為滿載工況條件下的FPSO重心處加速度載荷；U2為滿載工況條件下的FPSO主甲板左側(cè)加速度載荷；QWIN1和QWIN2為極端工況條件下的風(fēng)載荷。

船體管道應(yīng)力分析工況可根據(jù)不同工況和應(yīng)力類型進(jìn)行組合。根據(jù)ASME B31.3，對(duì)于FPSO管路系統(tǒng)，主要評(píng)估持續(xù)載荷、加速度載荷和風(fēng)載荷。選擇一種常用的組合方式，工況設(shè)置如表4所示。

表4 主甲板冷卻水管路系統(tǒng)分析工況設(shè)置

3 計(jì)算結(jié)果分析

主要研究風(fēng)載荷與加速度載荷共同作用下的管道應(yīng)力變化情況(對(duì)應(yīng)工況L9～L12)，對(duì)管道典型節(jié)點(diǎn)位置不同加速度作用下的應(yīng)力值進(jìn)行比較，如表5所示。由表5可知：在同一節(jié)點(diǎn)處，不同加速度作用下的管道節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值增量不明顯；增量最大值為144.8 kPa，增加1.01%；增量最小值為-26.8 kPa，減少0.19%。增量最大的節(jié)點(diǎn)50和增量最小的節(jié)點(diǎn)2570均位于管道的三通處，其節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

表5 不同加速度作用下不同位置節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值 kPa

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)該管路系統(tǒng)，在其他載荷相對(duì)恒定的情況下，選取管道上的多個(gè)典型位置(彎管、三通、法蘭等處)，研究管路系統(tǒng)同一位置的兩種不同加速度(重心處和主甲板處的加速度)載荷作用下的管道應(yīng)力值。主甲板處加速度載荷作用下的應(yīng)力值在多數(shù)節(jié)點(diǎn)處均大于重心處加速度載荷作用下的應(yīng)力值，但在三通處和彎管處(節(jié)點(diǎn)1520)有所不同。

(2)在進(jìn)行管道應(yīng)力分析時(shí)，作用于管道的加速度載荷大多采用船體重心處的加速度，而對(duì)于通用型FPSO，在采用重心處加速度作為作用于管道的加速度載荷時(shí)，一旦該管道位置距離重心較遠(yuǎn)，其實(shí)際位置處的加速度不再等同于重心處的加速度。因此，為精確分析其管道應(yīng)力，開發(fā)提取任意位置處的加速度程序，可精準(zhǔn)施加于管道。

(3)在管道設(shè)計(jì)中，在以重心處加速度計(jì)算的管道應(yīng)力大于以主甲板處加速度計(jì)算的管道應(yīng)力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力冗余的情況，造成管材浪費(fèi)，從而增加成本；在以重心處加速度計(jì)算的管道應(yīng)力小于以主甲板處加速度計(jì)算的實(shí)際管道應(yīng)力時(shí)，會(huì)降低管路系統(tǒng)的安全性。

(4)針對(duì)不同的海況，可根據(jù)FPSO重心處加速度作用下的管道應(yīng)力值的變化情況，得出FPSO在某一范圍內(nèi)的應(yīng)力值變化情況，更換為普通管道，而在彎管、三通等處更換為高強(qiáng)度管道，從而在不降低管道安全性的前提下節(jié)約成本，可為后續(xù)的管道應(yīng)力分析工作和管道設(shè)計(jì)提供參考。

(5)針對(duì)FPSO某些應(yīng)力過于集中的管道，即使1%的應(yīng)力增加也有可能引起嚴(yán)重后果。因此，應(yīng)充分考慮管道的實(shí)際應(yīng)力值，并將應(yīng)力增量考慮在內(nèi)，對(duì)接近許用應(yīng)力值的管道進(jìn)行更換。對(duì)于本身所受應(yīng)力值較小的管道，可以更換為普通管道。