海上浮式装置倾斜、摇摆载荷下管道应力分析研究

2020-06-12王伟张富美张立德肖梦凡田显伟

化工设备与管道 2020年2期

王伟，张富美，张立德，肖梦凡，田显伟

（中广核研究院有限公司，深圳 518000）

随着石油、化工、核电等领域迅速的发展，海上浮式装置得到了广泛应用。巨大的海上风浪会使海上浮式装置发生倾斜，并产生剧烈的摇摆，有可能破坏装置内的管道系统，造成巨大的安全隐患和经济损失。为了确保管道系统在海洋条件下的各项功能，对海上浮式装置管道进行力学分析时，必须考虑海洋条件的倾斜、摇摆载荷。

与陆上常规工业管道相比，海上浮式装置空间有限，管道布置复杂，还需额外考虑倾斜、摇摆等海洋条件特殊载荷。本文利用PepS[1]管道应力分析软件，采用逆向工程[2]与有限元相结合的方法进行计算建模，考虑了压力、自重、热膨胀、倾斜、摇摆、冲击等载荷，对海上浮式装置管道实例进行了数值模拟研究分析，并对海上浮式装置管道载荷系数法给出了修正建议，更加真实地反应海上浮式装置管道的结构应力情况，为海上浮式装置管道的应力分析提供了有效示例。

1 管道基本情况

1.1 管道参数

计算中使用的管线截面尺寸：外径为48.3 mm、壁厚为3.68 mm，管线材料为TP304L[3]。根据石油、化工、核电等领域管道评定要求，规范等级评定时使用美国机械工程师学会（ASME）锅炉及压力容器规范中的B31.1 压力管道标准[4]。

1.2 管道建模

海上浮式装置的相对空间狭小，布置环境复杂，因此为了保证后续管道有限建模计算的可靠性，采用了基于三维激光扫描的逆向工程技术建立复杂管道模型[5]，以三维激光扫描方法获取海上浮式装置实际管道的表面三维坐标数据，基于该坐标数据进行管道关键节点位置的建模，从而建立完整的海上浮式装置管道模型，逆向工程管道模型如图1 所示。

1.3 管道布置

根据管道应力分析软件PepS 有限元建模机理，对管道布置结构进行一定的划分后，进行有限元网格划分。管道边界点信息为1、165 节点为紧固点，锚固管道6 个自由度，其他节点为管道支架，分别起导向和竖直支撑功能。管道的有限元模型如图2 所示。

图1 逆向工程管道模型Fig.1 Reverse engineering pipeline model

2 加载情况

2.1 基本参数

管道采用在竖直方向施加9.81 m/s2加速度的方法模拟自重载荷，设计工况下的温度和压力分别选用110 ℃和1.2 MPa，正常工况下的温度和压力选用60 ℃和0.55 MPa。

2.2 海洋条件倾斜载荷

有风浪条件下，海上浮式装置会发生倾斜，包括静横倾和静纵倾。根据《浮式装置入级规范》[6]第5 篇和《海上移动平台入级规范》[7]第4 篇，要求所有与浮式装置安全相关的机械设备和系统应能按表1规定的倾斜角条件下进行安全操作。

表1 海洋条件浮式装置倾斜角Table 1 Ocean condition floating device tilt angle

根据表1 要求，本次海上浮式装置管道应力分析，选取横倾角为15°，纵倾角为5°。由于横倾和纵倾可能同时发生，考虑单一倾斜和正负号组合，共计8 种组合方式。根据不同角度将本体重力加速度进行分化，分析中考虑各个分量上的加速度，结合质量考虑惯性力对管道系统的结构强度影响。

2.3 海洋条件摇摆载荷

有风浪条件下，海上浮式装置还会产生摇摆，对装置上的结构和设备产生惯性力，为保护装置内管道系统的功能性，需考虑装置运动产生的惯性力，惯性力的大小除了与设备的重量有关外，还与所在装置的位置、装置的运动幅值和周期等参数有关。不同装置和载重量在不同海况下的摇摆角度和摇摆周期不同，根据船级社规范[6-7]和我国军标舰船设备环境试验与工程导则[8]，本次应力分析摇摆角度和周期分别为：横摇角45°，横摇周期5s，纵摇角10°，纵摇周期3 s。

2.4 载荷系数法

海上浮式装置受海上风浪影响，摇摆运动引起的惯性力，可以通过计算载荷系数来确定。载荷系数是结构或设备等由于重力加速度和运动加速度使其在纵向、横向和垂向上受到的载荷与重力的比值。载荷系数计算公式为：

本次应力分析中。参数数据根据海上浮式装置入级规范和实际情况选取，见表2。

表2 载荷系数法参数Table 2 Load factor method parameters

在进行管道应力分析时，由于每个节点的坐标位置不一样，使得每个节点上的载荷系数不同，需要将整个模型上每个节点处的重力计算出来，乘以每个节点上3 个方向的载荷系数，再在每个节点上施加3个方向的集中力，该方法过于繁琐复杂，不现实。

因此实际计算中，分别取模型中3 个方向坐标绝对值的最大值，组成一个虚拟的节点，采用这个节点的坐标系来计算载荷系数，模型中所有节点的载荷系数都采用这个节点的载荷系数，这样，就可以在整个模型的3个方向上分别施加3个载荷系数倍（考虑3个方向上正负号的组合）的重力加速度，计算出在摇摆作用下管道各个节点所受的应力，进而按照管道应力评定方程对管道应力进行分析评价。为方便计算，本次选取的虚拟坐标为模型中3 个方向坐标的绝对值的最大值，为（8.594，6.271，25.461）。

根据表3 中参数和计算公式，三个方向上的载荷系数分别为，Gx=0.460，Gy=2.834，Gz=4.366（垂直向下），Gz=2.366（垂直向上）。

2.5 评定规范

根据ASME 规范B31.1 压力管道标准和实际情况，海上浮式装置管道应力分析[9]需分为无风浪本体自重和有风浪倾斜、摇摆两种情况，两种情况所考虑载荷不一样，具体载荷以及组合评定方法见表3。

表3 工况组合方法Table 3 Working condition combination methods

根据ASME 规范B31.1 压力管道标准相关要求，评定公式如下。

由上述公式可知，设计工况下式（11A）评定持续载荷造成的应力影响，防止管道过度变形、塑性失稳、弹性和弹塑性失稳；运行工况下式（12A）评定持续载荷和临时载荷共同造成的应力影响；式（13A）评定热膨胀造成的应力影响，防止管道渐进性变形和疲劳。

3 应力分析结果研究

根据ASME 规范B31.1 压力管道标准，海上浮式装置有风浪和无风浪条件下管道应力分析最大值结果对比如见表4 和表5。

根据表4、5 评定结果可知，有风浪和无风浪条件下，管道二次应力即热膨胀造成的应力值一样，均为47.54 MPa，倾斜、摇摆载荷属于一次应力，对管道热膨胀没有影响。

上述结果中，虚拟坐标取模型中最大值，设计工况和运行工况下，式（11A）和式（12A）最大节点应力比分别为0.519、0.664，虚拟坐标取该节点坐标实际值时，式（11A）和（12A）应力比分别为0.499、0.647。应力比有一定的减小，可知，虚拟坐标取实际值可以降低一定应力分析结果的保守性，更真实地反应管道的结构应力情况。

表4 设计工况下应力分析对比Table 4 Stress analysis comparison under design conditions

表5 运行工况下应力分析对比Table 5 Stress analysis comparison under operating conditions

提取软件分析结果，管道压力造成的应力值为1.4 MPa。同样设计工况下，去除压力影响，有风浪条件考虑浮式装置倾斜、摇摆载荷，所造成的应力值为55.99 MPa，无风浪条件只考虑浮式装置本体自重载荷造成的应力值为9.52 MPa，两者对比，倾斜、摇摆载荷造成的应力影响为自重载荷的5.88 倍，在同时考虑临时载荷的情况下，式（12A）应力比高达0.647。可知浮式装置产生倾斜、摇摆载荷时，对管道造成了巨大的应力作用，所以在设计阶段浮式装置管道应力分析研究中，必须考虑由风浪引起的倾斜、摇摆载荷。

4 结论

（1）本文分析海上浮式装置有风浪情况下，采用载荷系数法，考虑了浮式装置管道倾斜、摇摆等特殊载荷，为方便计算，虚拟坐标为模型中3 个方向坐标的绝对值的最大值，虚拟节点坐标与实际节点坐标存在差异，因此计算出来的摇摆载荷具有一定的保守性。

（2）对管道进行应力分析评定时，如存在应力计算值超标或者过大的节点，为真实地反映海上浮式装置管道的结构应力情况和降低设计成本，可用该节点实际坐标计算出3 个方向上的载荷系数，重新计算管道系统的摇摆载荷，进行该节点的应力评定，能够降低一定的保守性。

（3）经过对比分析海上浮式装置有风浪和无风浪两种条件下应力分析结果，浮式装置产生倾斜、摇摆载荷时，对管道造成了巨大的应力作用，在海上浮式装置管道设计阶段，一定需先分析所处海域特性，根据标准规范，确定风浪条件下，造成的海上浮式装置的最大倾斜角、摇摆角和摇摆周期，在海上浮式装置管道应力分析研究中，对于此类特殊载荷应予以充分的考虑。

综合看来，海上浮式装置管道应力分析，较陆上常规工业管道，载荷条件更为复杂，本文使用PepS 软件对海上浮式装置一工程实例管道进行了逆向工程模型的应力分析，首次全面的考虑了有风浪和无风浪两种海洋条件，对计算过程和结果进行了详细分析，为同类型海上浮式装置管道力学分析提供了有效示例，为海上浮式装置管道的设计和力学分析提供了理论支撑。

符号说明

Gz——垂向载荷系数；

Gy——横向载荷系数；

Gx——纵向载荷系数；

a0——加速度参数；

av——垂向加速度，m/s2；

at——横向加速度，m/s2；

alng——纵向加速度，m/s2；

Cb——方向系数；

L——浮式装置长度，m；

apitch-z——由纵摇运动产生的垂向加速度， m/s2；

aroll-z——由横摇运动产生的垂向加速度， m/s2；