FPSO主甲板冷却水管路系统的加速度载荷应力分析

王 震, 窦培林, 袁洪涛, 陈慧敏

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212100；2.上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)常年工作在海上，恶劣的工作环境和油气开发工作的特殊性使其必须快速提高管路系统的安全性。在实际运行过程中，除重力、压力、温度等一些常见载荷外，需特别注意由风浪作用于船体产生的加速度载荷对管路系统的影响。主甲板冷却水管路系统作为FPSO的重要管路系统，是FPSO安全运行的重要保障。因此，对其进行应力分析是较为必要的。

王战勇等[1]提出在计算加速度载荷时根据每个模块的最大加速度值代替加速度值进行计算。王春霞[2]提出将加速度作为持续载荷，按照操作、极端、爆炸等3种工况和船舶的纵向、垂向、横向等3种方向选定不同加速度参数，代替管道加速度。伍加凯等[3]在进行压载水系统应力分析时，载荷工况为一般工况和极端工况的加速度载荷。杜晓程[4]提出将通过船舶运行航线和船舶设计参数计算得到的运动加速度作为加速度载荷，用于玻璃钢压载水管道的应力分析。张建[5]将普通工况和极端工况的加速度载荷作为偶然载荷，并将其作为基础载荷叠加分析其他工况。马李琛[6]将普通工况和极端工况引起的加速度载荷施加至管道上，并考虑其他载荷的影响。MEESAWASD等[7]在研究地下结构的埋地管道时，为研究偶然载荷的影响，采用具有各种加速度幅度的地面加速度，结果表明，埋地管道应力随深度和加速度的增加而增加。HWANG等[8]根据国际地质大会(IGC)规则规定的由位置变化得到的加速度公式，将计算得到的加速度作为持续载荷，并将其用于整个管道系统反映惯性力。CHOI等[9]在研究加速度载荷对液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)燃料箱的影响时，将吃水条件下的加速度载荷代入计算，结果表明，横向加速度载荷对燃料箱影响最大。WU等[10]提出采用谱分析方法测量作用于长输油管道的加速度3个方向上的加速度分量，且管道不同位置处的加速度载荷不同，得出减小弯曲角度可降低管道应力和位移的结论。LIU等[11]针对随机振动下的飞机液压管路动态可靠性，提出一种新的定量评价方法，通过理论计算、仿真和试验对比，进行加速载荷激励和随机振动下的飞机液压管路应力分析。

综上所述，目前关于作用于管道的加速度载荷大多是以重心处的加速度作为船舶运动的实际加速度载荷，与以主甲板处的加速度作为船舶运动的实际加速度载荷相比，计算结果存在冗余度高、不精确的缺点。因此，基于中国船级社《钢质海船入级规范》[12]，利用MATLAB开发加速度提取程序，用于提取通用型FPSO船体任意位置处与重心处的加速度，将其以均布载荷的方式施加至管道上，分析两种加速度载荷影响下的管道应力区别。

1 加速度提取

1.1 通用型FPSO参数

国内某船厂设计建造的通用型FPSO的主要参数如表1所示。

表1 FPSO主要参数

1.2 重心处加速度

FPSO船体采用右手坐标系：坐标原点位于FPSO满载工况的水线面与尾垂线的交点O；水线面与中线面的交线为x轴，指向艏部为正；水线面与中站面的交线为y轴，指向左舷为正；中线面与中站面的交线为z轴，向上为正。建立Oxyz三维直角坐标系，如图1所示。

图1 船体坐标系

FPSO在风浪的作用下，其首摇的影响与其他5个方向的自由度运动影响相比较小，因此可忽略[13]。根据《钢质海船入级规范》，其纵向、横向、垂向、横摇、纵摇加速度的计算方式如下：

由纵荡产生的纵向加速度为

(1)

式中：kfT为装载条件下的吃水与结构吃水比值；L为船长；CB为方形系数；g为重力加速度，取9.81 m/s2。

由横荡产生的横向加速度为

(2)

式中：B为型宽。

由垂荡产生的垂向加速度为

(3)

横摇加速度为

(4)

式中：θ为横摇运动的横摇角；Tθ为横摇运动的横摇周期，与横摇回转半径和初稳心高有关。

纵摇加速度为

(5)

式中：φ为纵摇运动的纵摇角；Tφ为纵摇运动的纵摇周期，与船长和不同装载条件下的吃水与结构吃水比值有关。

1.3 任意位置处的加速度

任意位置处的纵向加速度为

(6)

任意位置处的横向加速度为

(7)

任意位置处的垂向加速度为

(8)

式(6)～式(8)中：apitch_x为由纵摇产生的纵向加速度，m/s2；aroll_y为由横摇产生的横向加速度，m/s2；apitch-z为由纵摇产生的垂向加速度，m/s2；aroll_z为由横摇产生的垂向加速度，m/s2。

主甲板冷却水管路系统沿船长布置，加速度的大小与船长密切相关，因此作用于管路的加速度载荷变化范围较大，具有典型性。根据通用型FPSO的主要参数和上述公式，结合开发的程序和输入节点的位置，即可求得相应位置处的加速度。在计算大量的点的加速度时，效率更高、更精确。

2 管道应力分析

以主甲板冷却水管路系统作为分析对象。

以船体生产设计坐标为计算分析坐标，根据主甲板冷却水管路系统的三维放样模型建立相应的CAESARⅡ模型，采用美国机械工程师协会(ASME)《工艺管道》(ASME B31.3)进行校核，管路模型和相关数据如图2和表2所示。

图2 主甲板冷却水管路系统模型

表2 主甲板冷却水管路系统特性和材料属性

2.1 加速度载荷

在实际运行过程中，波浪通过FPSO船体作用于管路系统。由于波浪的持续性，船体和管路所受的加速度载荷会持续存在，可作为静载荷施加。其作用于管路的形式一般为两种：①作为偶然载荷，并将其作为基础载荷叠加分析其他工况；②作为持续载荷，通过将其用于整个管路系统反映惯性力。

波浪作用产生的加速度载荷通过船体和管道支架作用于管道，管道不同位置所受加速度载荷不同。利用MATLAB软件开发的加速度加载程序可准确计算船体任意位置处的加速度，将其代入计算，结果较为准确。根据主甲板冷却水管路系统分布特点，选取管道上的典型节点，包括管道模型的起点和终点、弯管部分、管道与法兰连接部分，在船舶满载工况条件下根据其所在船体的位置进行加速度提取。重心处的加速度：纵向加速度ux=6.543 10 m/s2；横向加速度uy=0.801 34 m/s2；垂向加速度uz=0.537 34 m/s2。不同节点处的加速度：纵向加速度ux=6.553 20 m/s2；横向加速度uy=0.823 48 m/s2；垂向加速度uz如表3所示。

表3 不同节点处垂向加速度 m·s-2

任意位置处的垂向加速度值变化不明显，这主要是由于所选用的主甲板冷却水管路系统纵向跨距大，而横向和垂向跨距较小。根据任意位置处的加速度提取公式，表3中的任意节点处垂向加速度值与任意位置点横坐标x和纵坐标y有关，因此在该任意点的横坐标和纵坐标改变时，其垂向加速度会随之改变。主甲板冷却水管路平铺在主甲板上，其垂向坐标为定值，因此受垂向坐标z影响的任意位置处的纵向和横向加速度同样为定值。

2.2 风载荷

主甲板冷却水管路及其分支均位于船体主甲板上，风载荷对船体和管路系统均会产生影响。风载荷的计算公式为

Pw=W0KKzDsinβ

(9)

式中：Pw为风载荷(作用方向垂直于管道)，N/m；W0为所在地区10 m高度处的基本风压，N/m2；K为风载荷体型系数；Kz为风压高度变化系数；D为管道外径，m；β为风向与管道轴线之间的夹角。

在计算中可将风载荷作为偶然载荷，且风载荷平行于FPSO(x轴或y轴)方向，最大风速考虑百年一遇风载荷，取34.51 m/s。

2.3 载荷工况设置方法

通过CAESARⅡ软件进行工况组合：W为管道空重；WW为充满介质的管道质量；P1为设计压力；PH为试验水压；T1为设计最高温度；T2为设计最低温度；U1为满载工况条件下的FPSO重心处加速度载荷；U2为满载工况条件下的FPSO主甲板左侧加速度载荷；QWIN1和QWIN2为极端工况条件下的风载荷。

船体管道应力分析工况可根据不同工况和应力类型进行组合。根据ASME B31.3，对于FPSO管路系统，主要评估持续载荷、加速度载荷和风载荷。选择一种常用的组合方式，工况设置如表4所示。

表4 主甲板冷却水管路系统分析工况设置

3 计算结果分析

主要研究风载荷与加速度载荷共同作用下的管道应力变化情况(对应工况L9～L12)，对管道典型节点位置不同加速度作用下的应力值进行比较，如表5所示。由表5可知：在同一节点处，不同加速度作用下的管道节点应力值增量不明显；增量最大值为144.8 kPa，增加1.01%；增量最小值为-26.8 kPa，减少0.19%。增量最大的节点50和增量最小的节点2570均位于管道的三通处，其节点应力云图如图3所示。

图3 节点应力云图

表5 不同加速度作用下不同位置节点应力值 kPa

4 结 论

(1)针对该管路系统，在其他载荷相对恒定的情况下，选取管道上的多个典型位置(弯管、三通、法兰等处)，研究管路系统同一位置的两种不同加速度(重心处和主甲板处的加速度)载荷作用下的管道应力值。主甲板处加速度载荷作用下的应力值在多数节点处均大于重心处加速度载荷作用下的应力值，但在三通处和弯管处(节点1520)有所不同。

(2)在进行管道应力分析时，作用于管道的加速度载荷大多采用船体重心处的加速度，而对于通用型FPSO，在采用重心处加速度作为作用于管道的加速度载荷时，一旦该管道位置距离重心较远，其实际位置处的加速度不再等同于重心处的加速度。因此，为精确分析其管道应力，开发提取任意位置处的加速度程序，可精准施加于管道。

(3)在管道设计中，在以重心处加速度计算的管道应力大于以主甲板处加速度计算的管道应力时，会出现应力冗余的情况，造成管材浪费，从而增加成本；在以重心处加速度计算的管道应力小于以主甲板处加速度计算的实际管道应力时，会降低管路系统的安全性。

(4)针对不同的海况，可根据FPSO重心处加速度作用下的管道应力值的变化情况，得出FPSO在某一范围内的应力值变化情况，更换为普通管道，而在弯管、三通等处更换为高强度管道，从而在不降低管道安全性的前提下节约成本，可为后续的管道应力分析工作和管道设计提供参考。

(5)针对FPSO某些应力过于集中的管道，即使1%的应力增加也有可能引起严重后果。因此，应充分考虑管道的实际应力值，并将应力增量考虑在内，对接近许用应力值的管道进行更换。对于本身所受应力值较小的管道，可以更换为普通管道。