FPSO船体管道应力分析方法研究

程久欢，纪志远，雷俊杰

（海洋石油工程股份有限公司设计院， 天津 300451）

FPSO船体运动复杂，尤其是船体部分空间受限，管道多、系统多，十分复杂。因此，要准确地进行FPSO船体管道应力分析，首先要了解FPSO船体运动方式及运动特点，准确把握其运动规律并应用于FPSO船体管道应力分析计算中。本文对FPSO船体运动特点进行分析，并在此基础上对船体管道应力分析方法进行详细介绍，从而实现对FPSO船体管道应力分析技术应用与突破。

1 FPSO介绍

FPSO（Floating Production Storage and Offloading System）是浮式生产储卸油装置，也可称为FPSU（Floating Production Storage and Offloading Unit），FPSO是目前海洋石油全海式开发的核心组成部分，也是目前边际油田开发的重要手段之一。FPSO是漂浮在海面的一座大型浮式结构物，它不同于一般的船舶，而是依靠单点，系泊在单点系泊装置上，围绕单点转动且具有风向标效应的油气生产装置[1-2]。它具有船舶的安全性、稳定性、抗沉性等特点。FPSO上配有完善的船舶设备与船舶系统，例如：舱底水系统、压载系统、扫舱系统、海水系统、淡水系统、燃油系统、救生系统等。

2 FPSO船体管道应力分析

FPSO常年在海上服役，其工作环境恶劣，在海上风浪流的共同作用下，会产生加速度及位移变化荷载，船体结构物上的支架将位移传递到管道，对管道产生影响。船体在拖航状态、装卸载工况时也会产生船体变形，同样给管道施加附加位移。因此，对FPSO船体进行管道应力分析时，应在规范标准的基础上，对管道系统进行柔性设计，保证管道系统安全运行。

2.1 FPSO船体运动特点

FPSO船体运动多样且复杂。在风平浪静的海面，船体可以视为匀速或静止运动，但在风暴天气，在风浪流的共同作用下，船体呈现出无规律的加减速运动，主要包括船体纵摇（PITCH）、船体横荡（SWAY）、船体纵荡（SURGE）、船体横摇（ROLL）、船体艏摇（YAW）、垂荡（HEAVE）及这几种运动的复合运动，如图1所示。

图1 FPSO船体运动示意图

2.2 FPSO船体坐标系

在对FPSO船体进行运动特点分析时，应首先建立坐标系，如图2所示，其中，船艏为X的正方向，船体右舷指向船体左舷的方向为Z轴正方向，垂直向上的方向为Y正方向。

图2 FPSO船体坐标示意图

2.3 船体加速度分析

船体运动加速度对管道影响较大的主要有以下几方面：

纵摇是船体绕横轴左右舷方向的回转振荡运动，即图2中围绕FPSO船体的Z轴的角运动，纵摇是由于海洋波浪与FPSO运动方向不一致产生的，纵摇引起使FPSO沿Z轴旋转运动的加速度，管道及连接设备会受到此加速度的影响。纵摇加速度的计算应由纵摇角度引起的加速度与重力分量相结合。当船舶纵向对浪航行时，主要产生纵摇和垂荡运动。

横荡是一种横向运动，是指船体沿船长方向的垂直方向的水平线性振荡运动[3]，即图2中，在波浪的作用使FPSO向航道两侧左右舷方向移动，即+Z及-Z的方向移动。然而横荡这种横向运动相对于船体整体运动所引起的横向弯曲并不明显。因此，对于管道应力分析而言，可以忽略它对管道造成的影响，但是，横荡所引起的加速度要和横摇加速度相结合考虑。横摇是指船体绕最长延伸方向或波浪入射方向的水平轴的旋转振荡运动，是因为波浪运动而引起的船体的船艏到船艉轴向（通常在水线附近）的左右摇摆。

横摇会引起船体运动产生加速度。即FPSO沿X轴向左右摇摆运动，横摇加速度比纵摇加速度更重要，会引起额外的应力，横摇会引起角度变化，因此在管道应力计算的过程中必须考虑。

纵荡是指船体沿最长延展方向的水平线性振荡运动，即FPSO沿船体X轴前后方向的窜动，纵荡对船体管道加速度产生影响。

垂荡是整船的上下运动，在波浪作用下的升降，垂荡会引起垂直方向的加速度。

2.4 船体位移量

FPSO船体管道应力分析除了要考虑船体运动加速度带来的影响之外，还应考虑船体位移对其影响。船体产生的位移量是由于船体结构变形所致[4]。船体在风浪流的共同作用下船体的变形趋势很明显，特别是沿着船长方向（X向）。产生偏移位移量的主要原因是船体弯曲变形及船体扭转变形，其中，船体弯曲变形是指：由于波浪的高低运动及船体自身的柔性，导致船体自身出现上下的偏转，也就是船体的中垂中拱变形，如图3所示。可见船体甲板因中垂与中拱运动导致变形很明显。

图3 船体中垂中拱变形图

2.5 风荷载

在海上服役期间，FPSO同样会受到风载荷的影响，风荷载对船体及上部组块都会产生影响，风荷载应包括在管道应力分析中，并应认为是偶然负荷，风将以平行于FPSO（X轴或Z轴）方向考虑到模型中，最大风速一般考虑百年一遇风载。

2.6 冲击荷载

船体内存在两相流的管道应考虑两相流所产生的荷载，载荷计算公式如（1）所示：

式中：ρ -流体密度；S -管子截面积；V -介质流速；DLF=应力放大因子，通常取2。

此外，对于存在泄放反力及水锤力的管道，也应在管道应力分析中考虑泄放反力及水锤力的作用。

3 FPSO船体管道应力计算工况组合

3.1 工况组合

船体管道应力分析工况组合方式有很多种，可以根据不同工况和应力类型进行组合，但其目的都是为综合评估出管道应力以及连接法兰、设备等所受到的载荷等。根据ASME B31.3，对于FPSO船体管道，主要评估持续荷载、热胀引起的位移应力、偶然应力以及支架反力和管口荷载。本文仅就一种常用组合方式进行介绍，如表1：

表1 FPSO船体管道应力分析工况

3.2 工况组合说明

针对表1中的组合，工况1到工况2用于评估弹簧支架受力；工况3至工况6为评估设计压力下操作温度及设计温度的应力；工况7至工况12在操作温度与设计压力下，叠加了位移；工况13至工况16在操作温度与设计压力下叠加了船体三个方向的运动加速度；工况17至工况20则在工况13至工况16的基础上叠加了风载；工况21至工况28对位移与运动加速度进行了组合式叠加，分别考虑不同方向的运动受力；工况29至工况36则继续在工况21至工况28的基础上叠加风载；工况37至工况41则针对无温度压力的情况下，仅在船体运动加速的作用下的影响，同时也考虑了组合方向；工况42至工况45则在工况37至工况41的基础上叠加了风载，属于偶然工况；工况46至工况70则是在前45个工况的基础上进行了组合运算；工况71至工况77则对上述组合进行了筛选，用于最终评估一次应力、二次应力、偶然应力等管道计算。

4 FPSO船体管道应力分析评估

4.1 管道应力评估

主要评估船体管道一次应力、二次应力以及偶然应力。一次应力是由于重力、压力或其他外荷载作用下的应力，一次应力会因外部荷载的增加而增加，因此一次应力无自限性。二次应力是由于热胀冷缩等位移荷载作用下产生的应力，二次应力的特点是具有自限性。偶然荷载如风载、安全阀卸放等，偶然荷载可以产生一次应力，也可以产生二次应力，所以也需要进行评估[5-6]。

4.2 设备管口载荷评估

船体设备管口荷载评估主要包括一般压力容器管口校核、压缩机、泵口荷载校核，计算出管口荷载值应小于设备厂家管口载荷许用最大值。其中压缩机应根据API 617附录G，检查吸入和排出管嘴荷载以及力和力矩的组合结果。压缩机管嘴工作荷载不得高于API 617标准。泵口的工作荷载不得超过API 610值的两倍，空气冷却器及热交换器应满足API 661标准要求。

4.3 法兰泄漏评估

FPSO船体管道应对部分连接法兰进行法兰泄漏校核，通常考虑8寸及以上或压力等级（CL600以上）的法兰进行法兰泄漏评估，以防止法兰受力过大产生泄漏风险。此外如果应力工程师认为有必要进行分析，应扩大对管道法兰进行泄漏校核范围。

5 总结

本文通过介绍FPSO船体运动特点、船体管道应力分析方法、船体管道应力计算工况组合以及管道应力分析评估等，对FPSO船体管道应力分析进行了详细介绍。FPSO常年在海上服役，其工作环境恶劣，一直处于船体运动及结构变形中，在设计中FPSO船体及上部模块管道需进行详细的管道应力分析，保证管道系统的安全运行。

◆参考文献

[1] 王超，窦培林，沈杰. FPSO压载水系统中玻璃钢管的应用及应力分析[J].中外船舶科技，2011，(2)：23-25.

[2] 李刚，王战勇，张飞，等. MODEC项目FPSO上部模块管道应力的应力分析计算方法[J].中国造船，2009，50（增刊）：262-266.

[3] 施兴华，路瑞，杭岑，等. 深水FPSO船体与系泊的时域耦合分析[J].中国海洋平台，2016，31(1)：60-67.

[4] 岳进才. 压力管道技术（第2版）[M].北京：中国石化出版社，2009.

[5] 郑庆涛，常彦秋. 玻璃钢管在海洋钻井平台上的应用[J].石油工程建设，2008，30(4)：58-59.

[6] 王战勇，范威，张巍伟，等. FPSO上部模块管道应力工况研究[A].压力管道技术研究进展精选集—第四届全国管道技术学术会议[C].2010.