FPSO压缩机模块管路的应力分析

杨传川，卢 方，佟国志

（大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113）

FPSO压缩机模块管路的应力分析

杨传川，卢 方，佟国志

（大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113）

FPSO上部压缩机模块的主要功能是对注入油井的CO2气体及输出的燃气进行降温增压，压缩机模块的管路不仅具有化工油气过程管路高温、高压及两相流的特点，还具有在海上服务的船舶管路的一些特性。文章从压缩机模块管路的应力分析过程入手，探索出应对此类管路应力计算的一般方法。

FPSO；上部模块；应力分析

0 引言

压缩机模块项目是由大连中远船务有限公司承接的巴西国家石油FPSO上部模块建造项目。压缩机模块是FPSO的上部处理模块，主要功能是对注入油井的CO2及输出的燃气进行降温增压。压缩机模块的管路应力分析不仅要考虑管路高温、高压及两相流的特点，还要对压缩机、压力容器的管嘴和连接法兰的许用应力进行校核，在保证管路设计安全的同时，也要确保设备本身的运行安全。另外，FPSO服务海域的环境温度变化、风况、海浪的加速度及船体结构的变形，也都会对压缩机模块上的管路应力产生影响。所以，对FPSO压缩机模块管路进行管路的应力分析是十分必要的。

1 管路应力分析对象的选取及计算工具

1.1 管路应力分析对象的选取

压缩机模块管路的选取标准如下：

1）介质为易燃、有毒的管路；

2）非常重要的单元的管路；

3）运行温度超过150℃的管路；

4）通径4″及以上运行温度超过100℃的管路；

5）通径12″及以上运行温度超过75℃的管路；

6）通径16″及以上的管路；

7）通径3″及以上连接敏感设备（滑油管路、冷却水管路等除外）的管路，如连接旋转设备的管路；

8）所有容易引起震动的管路；

9）所有含有油气碳氢化合物的管路；

10）所有连接安全阀和真空破坏阀的管路；

11）通径 4″及以上特殊材料的管路，如双相不锈钢、铜镍等；

基于以上选取标准，编制计算管路清单，内容包括：管段号、连接路径、温度、压力、绝缘等，作为计算输入的初始参数。

1.2 计算工具

选用国际上公认的 INTERGRAPH公司的CAESARII 6.0作为管道应力分析软件。

2 压缩机模块管路应力计算的基本要求

因为压缩机模块管路是油气处理的过程管路，同时又要满足在FPSO上的操作使用要求，所以，与普通的陆用油气处理管路和普通的船舶管路相比有更高的要求［1］：

1）应该尽量避免使用伸缩膨胀节；

2）所有管路的自然频率不应低于5 Hz；

3）管廊上带有管靴的过程管路纵向变形量一般不应该超过100 mm，垂直方向的变形量应该不超过6 mm；

4）弹簧支吊架的荷载变化率应该不大于20%；

5）ASME B31.3中302.3.5 1b）和APPENDIX P中二次应力的计算公式不适用。

3 压缩机模块管路应力计算需要考虑的荷载

3.1 热膨胀及约束荷载

热膨胀及约束荷载是指由温度的变化及管路自身受到约束而产生的荷载。热膨胀及约束荷载对管路本身、法兰、螺栓、支管连接、管支架和与设备连接口都会产生有害的影响。所以，在布置管路时，要充分考虑让管路有足够的柔性来防止热膨胀及约束荷载产生的有害影响。

3.2 结构变形产生的位移荷载

压缩机模块的钢结构和主船体结构在垂直、水平方向的变形会产生一定的位移荷载，管路的设计应该充分考虑此部分位移荷载，将产生的应力控制在许用范围之内。

3.3 船体加速度产生的荷载

由于船体在海面上横摇、纵倾和垂荡的作用，会在各个方向上产生一个持续的加速度，管路、支架和设备连接口的设计要考虑船体运动带来的影响。船体运动的数据来源于对海况的研究。在这里，船东提供了详尽的海况数据，为理论计算提供了依据。

3.4 柱塞流产生的冲击荷载

压缩机模块管路中的介质有的是气液混合的两相流体，在系统刚开始运行的一段时间内，管路中会存在一段被气体分割的液柱。当管路的走向改变时，液柱将产生一个冲击弯头或者三通的冲击力。所以，对于两相流体存在的管路，要考虑柱塞流产生的冲击荷载。

3.5 安全阀的反作用力

安全阀的排气反力是安全阀在泄放时产生的反作用力，根据API-RP-520计算或者由安全阀厂家推荐。

4 管道应力分析理论

4.1 一次应力

一次应力［4］是由于压力、重力与其他外力荷载的作用所产生的应力，它是平衡外力荷载所需的应力，随外力荷载的增加而增加。一次应力的特点是没有自限性，即当管道内的塑性区扩展达到极限状态，使之变成几何可变的机构时，即使外力荷载不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏。一次应力主要用于校核磅压工况（HYD）和安装工况（SUS）。

一般情况下，认为一次应力由压力、附加轴向外力和弯矩引起，其校核公式为：

式中，σL为管道纵向压力；F为压力引起轴向力之外的附加轴向力；A为管道横截面积；P为设计压力；D为平均直径；t为管子壁厚；M为合成弯矩；W为抗弯截面模量。

4.2 偶然荷载下的一次应力

4.1中一次应力校核条件所说的持续荷载是指持续作用于管道上的荷载，然而不是只有持续荷载能够产生一次应力，偶然荷载作用时也会产生一次应力。

在ASME B31.3中，要求偶然荷载产生的一次应力满足以下条件：管道在工作状态下，受到压力、重力、其他持续荷载和偶然荷载所产生的纵向应力之和，不得超过操作状态许用应力的1.33倍，此时，不需要同时考虑两个偶然荷载的作用。

4.3 二次应力

二次应力［4］是由于热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必须的应力。二次应力的特点是具有自限行，即局部屈服或者小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。

在ASME B31.3中，二次应力校核公式［3］：

式中，［σ］c为在分析中的位移循环内，金属材料在冷态下的许用应力；［σ］h为在分析中的位移循环内，金属材料在热态下的许用应力；σL管道中由于压力、重力和其他持续荷载所产上的纵向应力之和；［σ］A许用的位移应力范围；f为管道位移应力范围减小系数，对于操作次数不超过7 000次的管路系统，f取1.0。

5 典型工况的组合

FPSO压缩机模块的工况组合主要考虑两种状态：FPSO在服务海域的运行状态（见表1）和从建造所在地拖移到服务海域的拖移状态（见表2）。因为两种状态下的海况、实际环境和系统的状态完全不同，所以，温度、风况、变形及船体急速度等参数的选取也是不同的，工况组合也要区别对待。

表1 压缩机模块运行状态下的典型工况

表2 压缩机模块拖移状态下的典型工况

表格中，W是管路中充满介质的重量；WNC是管路中无介质的重量；WW是管路中充满水的重量；P1为设计压力；P2为运行压力；HP为磅压压力；H为弹簧支吊架的力；D1为设备在设计工况的下位移量；D2为设备在运行工况下的位移量。

6 模拟计算

使用INTERGRAPH公司的CAESARII 6.0对压缩机模块的管路进行模拟计算，在建模的过程中有以下几点需要注意。模块管路模型见图1。

图1 压缩机模块管路模型

1）压力容器的位移量。压力容器的管嘴接口处在CAESAR II中模拟成了止动点，而压力容器从安装温度到实际的运行温度存在一个温差，模拟时需要计算因为这个温差而引起的位移量，并在管嘴的止动点处设置该位移量，考虑在不同状态温度下设备变形带来的影响；

2）弹簧支吊架的模拟。弹簧支吊架的型号因为厂家的不同而有所差异，在模拟中，如果弹簧支吊架的厂家尚未确定，需要先选定一个通用的厂家的弹簧支吊架进行设计，如 Grinnell。在当确定了弹簧支吊架厂家后，需要对模型里的信息进行相应的修改，从而保证选型的匹配，该项目最后选择了BERGEN的弹簧支吊架。

3）二次应力的自由余量。对压缩机模块的管路，ASME B31.3中302.3.5 1b）和APPENDIX P计算二次应力的公式不适用，所以，应该注意对二次应力自由余量的设置，在软件中关闭此项。

7 管路应力分析的输出结果

通过模拟计算分析，应该从以下几方面进行输出：

1）确保压缩机模块的管路一次应力和二次应力符合校验公式，满足规范要求；

2）确保支架设计满足输出的支架受力数据，对于无法满足受力数据的支架应该进行特别的设计以满足强度要求；

3）对管路的位移量进行检查，垂向应不超过6 mm；

4）根据选用法兰的标准，对法兰的泄漏进行校核，确保法兰无泄漏；

5）确保压力容器的管嘴及设备连接口处满足厂家提供的许用应力的要求，防止管路在运行状态下对设备的损害；

6）确保在每一种工况下，压缩机进出口都能够满足API617石油及化工和气体工业用离心压缩机对荷载的要求。如果有特殊要求，需要与压缩机厂家及时沟通确认；

7）对管路的自然频率进行校核，确保压缩机模块的管路布置自然频率不低于5 Hz。

8 结论

压缩机模块的管路是FPSO上部模块油气处理的管路，结合其过程处理管路和船舶管路兼具的特点，本文介绍了整个管路应力分析计算的过程，由此得到了一种适用于此类管路应力分析计算的一般方法，对于以后FPSO上部模块管路的应力分析计算具有一定的借鉴参考价值。

［1］NELSON ROMANO.REQUIREMENTS FOR PIPING FLEXIBILITY CALCULATION［Z］.2011.

［2］DNV.DNV-RP-D101.STRUCTURAL ANALYSIS OF PIPING SYSTEMS［S］.2008.

［3］ASME.ASME B31.3.PROCESS PIPING［S］.2012.

［4］唐永进.压力管道应力分析［M］.北京: 中国石化出版社，2003.

Stress Analysis for FPSO Topside Compressor Module Pipe

Yang Chuan-chuan，Lu Fang，Tong Guo-zhi
（COSCO （Dalian） Shipyard Co.，Ltd.，Liaoning Dalian 116113，China）

The main function of the compressor module for FPSO topside is to lower the temperature and increase the compress of CO2gas into the oil well and the exported fuel gas.The pipes of the compress module not only have the characteristics of process pipes of chemical oil gas such as high temperature，high pressure and two-phase flow，but also have the characteristics of marine pipes serving at sea.The article concerns the process of stress analysis of the compressor module pipe，and recommends a normal way of stress calculation for the kind of process pipes.

FPSO； topeside； stress analysis

U662

A

10.14141/j.31-1981.2016.04.010

杨传川（1986—），男，助理工程师，研究方向：海洋工程船轮机设计。