FPSO消防水环路系统应力分析

于 沁

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

浮式生产储油卸油船（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）长期在海上工作，工作环境恶劣，作业危险性高，人员逃生困难，对各系统的安全性和可靠性有非常高的要求。消防水系统是FPSO最重要的灭火系统之一，其中布置在主甲板的消防水环路受力情况较为复杂，对其进行应力分析非常重要。闫越等对使用玻璃钢管的FPSO消防水系统进行了应力分析和水锤分析，验证了玻璃钢管道在消防水系统应用的可行性。王超等对FPSO艏部机舱的消防水系统进行了应力分析，重点阐述了泵口载荷和膨胀节的建模方式。本文以某改装浮式生产储油卸油船项目为例，对消防水环路系统的各种载荷进行介绍。基于CAESAR Ⅱ软件对消防水环路系统进行应力分析，除常规的温度、压力和重力载荷外，本文还分析船舶加速度、风、爆炸、船体变形、甲板上浪、水锤等载荷对消防水环路系统的影响，以此完善受力分析过程，进而校核其安全性和可靠性。

1 消防水环路系统载荷分析

1.1 持续性载荷、热膨胀载荷

随管道变形不产生变化的载荷称为持续性载荷，如管道及其附件的重量、管内介质重量、管道内的压力。持续性载荷对应的失效形式为变形或断裂，往往会造成管道系统的整体垮塌，后果较为严重。

管道中由于温度变化引起的载荷称为热胀载荷，热胀载荷会随着管道的变形逐渐减小甚至消失，没有被吸收的变形则表现为局部屈服和二次应力。热胀载荷的破坏性没有持续性载荷大，但随着管道系统的反复运行和停止，会产生疲劳破坏，严重影响其使用寿命。

本文中改装FPSO的消防水系统的操作温度为24.2 ℃，最大设计温度为75 ℃，最低设计温度为14.6 ℃，最大设计压力为1 600 kPa，水压试验压力为2 400 kPa。

1.2 加速度

FPSO在工作时是停在海面上的，但是在波浪和风的作用下，船舶在海中是不断运动的，由此产生的载荷会施加到管道上。此外，还需要考虑FPSO在被运输到目标海域时产生的拖航加速度。依据工作海域的海况数据，选取FPSO在百年一遇的风浪环境下的加速度（见表1）进行计算。

表1 百年一遇的风浪环境下FPSO加速度（单位：m/s2）

1.3 风载荷

由于消防水系统位于室外，不可避免受到风载荷的作用，平均风速计算公式为

式中：z为海平面以上的高度；t为时间，t≤3 600 s；U(z,t)为距海平面高度z处在t时间内的平均风速；U(z)为距海平面高度z处1 h内的平均风速，计算公式见式（2）；I(z)为距海平面高度z处的湍流强度，计算公式见式（3）。

式中：U为距海平面10 m高度处1 h内的平均风速，根据海况数据，U=34.51 m/s；C为参数，计算公式见式（4）。

在计算得到各高度的风速后，将数据添加到CAESAR II软件中，见图1。

图1 风载荷在CAESAR II软件中的模拟

1.4 爆炸载荷

FPSO的主甲板属于危险区，容易发生爆炸。一旦发生爆炸，消防水系统及其支架会被爆炸产生的冲击波冲散，被冲散的组件会造成次生伤害。为避免这种情况，在对主甲板的消防水系统进行应力分析时，需要考虑爆炸载荷。爆炸属于动态载荷，一般采用等效静力分析的方法进行表示。爆炸载荷的计算公式为

式中：F为单位长度的爆炸载荷；ρ为燃烧气体的密度；v为燃烧气体的速度；D为管道直径；C为爆炸的阻力系数，C=1；D为动态载荷因数，D=2。

如果有爆炸分析报告，也可将爆炸载荷转化为风压进行模拟，本项目中爆炸载荷转化的风压为20 kPa。

1.5 船体变形产生的位移载荷

船体在波浪作用下会产生中拱变形和中垂变形，船体的变形通过支架传给管道，管道在交变载荷的作用下容易产生破坏和疲劳失效。根据船体变形报告，将中拱和中垂的位移数据输入CAESAR Ⅱ软件，进而模拟船体变形对管道的影响。

1.6 甲板上浪载荷

冲上甲板的海浪会拍击布置于舷侧的管道和支架，为防止管道和支架垮塌，需要考虑甲板上浪载荷对消防水系统的影响。甲板上浪载荷计算公式为

式中：F为甲板上浪载荷；ρ为流体密度；L为管道长度；v为海浪和管道间的相对速度；C为海浪拍击系数。

本项目的甲板上浪载荷为11 kN/m，对舷侧管道的布置影响非常大。为通过载荷校核，需要布置更多的支架对舷侧管道进行支撑。然而，支架过多又会限制管道的热膨胀变形，可能会导致二次应力校核不通过以及支架受力过大。在此情况下，可通过在舷侧管道设置遮蔽物或增加止动型支架来抵抗甲板上浪载荷的作用。

1.7 水锤载荷

水锤是一种压力波，管道中某处的流速变化使得该处的压力突然上升或下降，这种压力的瞬变波被称为水锤。水锤载荷的计算公式为

式中：ΔP为水锤压力；Δv为流速的瞬间变化量；v为水锤传播的速度，计算公式为

式中：K为流体的体积弹性模量；E为管道的弹性模量；d为管道内径；δ为管道壁厚。

在水锤作用下，作用于固定支架的载荷F为

式中：A为管道流通面积。

2 应力分析方法

2.1 一次应力的校核

ASME B31.3-2018规范对一次应力的校核要求：

1）当管道的厚度和补强计算均满足要求时，内压产生的应力是安全的。

2）当管道的厚度和稳定性均满足要求时，外压产生的应力是安全的。

3）管道中由于压力、重力和其他持续荷载所产生的纵向应力之和σ不应超过最高金属温度下的许用应力[σ]。

管道纵向应力σ的计算公式为

2.2 偶然载荷的校核

偶然载荷不同于持续性载荷，其特点是作用时间短、强度较大，如风载荷、爆炸载荷以及甲板上浪载荷等。ASME B31.3-2018规范对偶然载荷的校核要求为：持续性载荷和偶然载荷产生的应力总和不应超过许用应力的1.33倍。

2.3 二次应力的校核

ASME B31.3-2018规范对二次应力的校核要求：最大位移应力σ不应超过许用位移应力[σ]。许用位移应力[σ]的计算公式为

式中：[σ]为位移循环期内预计最低金属温度下的基本许用应力；f为管道位移应力缩小系数。

2.4 法兰泄漏校核

CAESAR Ⅱ软件提供了2种法兰泄漏的校核方法——等效压力法和最大屈服强度法。由于等效压力法过于保守，故通常采用最大屈服强度法进行法兰泄漏校核，校核连接法兰的螺栓强度能否满足要求。在实际布置中，法兰应尽量远离弯头和三通等管道变形较大的区域。

2.5 模态分析

利用CAESAR Ⅱ软件对消防水系统的固有频率和振动模态进行计算。为避免共振，本项目规定的最小频率为3 Hz，在实际布置中，对于消防水系统中振动频率低于3 Hz的区域要减小支架间隙或增加支架个数，以达到增大振动频率、减小低频振幅的目的。模态分析结果见图2。

图2 模态分析结果

2.6 疲劳分析

按照ASME B31.3-2018标准对疲劳分析的要求，本项目通过调整管道位移应力缩小系数f、降低应力的许用范围来防止疲劳破坏，本项目规定的f值为0.683。

2.7 支架分析

支架的布置对管道设计有重要影响，在实际工程中，设计人员为防止管道垮塌，设计的支架数量往往比较多。然而，支架不是越多越好，过多的支架不仅会造成材料与施工的浪费，还会降低管道柔性，导致管道失效与支架损坏。CAESAR Ⅱ软件将支架视为刚性构件，只考虑支架对管道的影响，而管道对支架的影响则需要额外校核。为优化流程，提高效率，设计人员应在管道应力分析阶段就考虑支架受力情况，通过移动和增减支架、更换管卡、增加安装间隙等方式降低支架受力，并使受力更加均匀。该方法可有效降低支架的制作和安装成本，但需要注意管卡的选型，在实际分析中，容易出现支架满足要求，而管卡失效的情况。此外，还应注意减少支架约束对管道振动频率的影响，约束过少的管道系统容易发生共振，这点在静态分析和动态分析中要综合考虑。

3 工况组合分析

使用 CAESAR Ⅱ软件进行应力分析时首先要确定系统中的各种原始载荷，如管道重量、设计压力、水压试验压力、设计温度、操作温度、最低设计温度、船舶加速度、船体变形、风载和水锤等。然后根据管道系统的实际运行情况，将各种原始载荷组合成基本工况，如持续工况，只考虑管道重力和压力；操作工况需要将温度、管道重力和压力一起组合。为获取特定的载荷并准确校核各种工况下的载荷，往往需要进行工况组合，如二次应力需要操作工况和持续工况相减才能得出准确的值，通过代数合成、标量合成、绝对值加和、求最大值等运算法则，得到各种组合工况，进而实现对二次应力、偶然应力和极值等工况的准确校核。

风载荷、爆炸载荷、甲板上浪载荷均属于偶然载荷，在应力分析时通常假定偶然载荷不会同时发生，否则过于保守，会增加项目成本。因此，本项目对偶然载荷进行单独校核，将工况分为3大类，即包含风载荷的普通操作工况、爆炸工况和甲板上浪工况，对这3种工况分别进行校核。

甲板上浪工况是在普通操作工况的基础上，将甲板上浪载荷等效为均布载荷，再加入系统中校核。

爆炸工况是把爆炸时产生的冲击波模拟成风压，加入系统中进行校核。

4 结论

消防水系统作为FPSO最重要的系统之一，其安全性和可靠性是船上生产生活的重要保障。本文以某改装浮式生产储油卸油船项目为例，介绍了位于主甲板的消防水环路系统的各种载荷，并使用CAESAR Ⅱ软件对消防水环路系统进行应力分析，以校核系统的安全性和可靠性。本文的研究成果可为FPSO消防水系统的设计提供一定参考。