玻璃钢管道在深水半潜平台的应用

纪志远

（海洋石油工程股份有限公司设计院， 天津 300451）

在海洋石油平台上，玻璃钢管道主要应用于海水、消防系统中。南海某深水半潜平台，船体压载系统选用玻璃钢材质，既保证了船体系统的稳定性，又满足了管道输送介质的耐腐蚀要求。本文以某深水半潜平台船体玻璃钢压载系统为例，分别应用UKOOA及ISO14692进行应力分析，对校核结果进行比较分析，列出差异性，给出推荐结论，为同行业设计人员提供依据参考。

1 玻璃钢介绍

随着工艺科技的不断发展进步，玻璃钢材质逐渐被行业认可。玻璃钢是将玻璃纤维嵌入热固性树脂后，由玻璃纤维及其制品同树脂构成的一种复合材料，它兼具钢的材质特性和非金属材料的耐腐蚀性，是玻璃纤维组成复合的新型材料[1,2]。其特点是质量轻、强度高、耐腐蚀、安装简便、使用寿命长、流体阻力小，现广泛应用于化工工厂、海上石油平台、海水淡化厂等领域，尤其是其重量较轻的优势，特别适用于对重量较敏感的装备，例如：半潜平台，FPSO（浮式生产储卸油装置）等。

2 玻璃钢管道标准

2.1标准对比

目前玻璃钢管道应力分析，采用的标准主要有UKOOA（1994版）及ISO 14692（2017版），其中括号内为其最新版本。UKOOA为海洋平台玻璃钢管的使用规范及操作规程，而ISO 14692则是在UKOOA的基础上推出的石油及天然气工业用玻璃钢管加强型环氧树脂管道标准，ISO 14692标准一直在更新，而UKOOA标准版本自1994年后未进行更新。

UKOOA标准明确了计算要求，对管道操作条件的限制更多，也较为保守。该标准不明确计算组合应力，而是定义了轴向应力和环向应力组合的理想包络线，若等效应力达到包络线则失效[3,4]。该包络线的表达式为：

式中：σx-all为轴向许用应力；σhoop-all为环向许用应力。

标准保守地将范围限定为σ x-a l l（又称sa(0:1)）线及和为两倍sx-的σhoop线（仅加载内压时管道的自然状态）的交叉点之下的曲线部分，如图1所示。

对于上述要求的必要修正是对于压应力需给定安全系数（一般取2/3）而对于其他应力没有安全系数。修正后使用设计压力应满足式（2）：

式中：Pdes为许用设计压力；f1为低于95%可靠界限的安全系数，通常为0.85；f2为系统安全系数，通常为0.67；f3为机械荷载后的剩余许用应力比=1-(2σab)/(rf1LTHS)；σab=机械荷载引起的轴向弯曲应力；r为σa(0:1)/σa(2:1)；σa(0:1)为无压力荷载作用时的长期轴向拉伸强度；σa(2:1)为仅在压力荷载作用时的长期轴向拉伸强度；LTHS为长期静压强度（环向应力许用值）；LTHP为长期静压许用值。

在 CAESARII管道应力分析软件中实现为：

规范应力 规范许用值

式中：P为设计压力；D为管道平均直径；t为管道壁厚。

UKOOA标准的局限之处在于在评价过程中忽略了剪切应力；不考虑轴向应力为压缩应力的情况；且对大多数必需的计算没有给出详细、明确的说明。ISO 14692中要求评估管道系统的环向应力与轴向应力总和。轴向应力（若为压应力）应按给出的许用应力及轴向屈曲判据校核[5-6]。轴向弹性屈曲应力σu（单位MPa）计算公式如下：

式中：

这项工作的成果确实有助于我们证明天文学家长期以来的猜测，但离严格证明下面这个猜想还差得很远：不仅银河系中心潜藏着一个超大质量黑洞，许多可观测星系的中心都是如此。因此，星系内的所有天体环绕着星系中心运动，但时间和空间在这里终结，任何坠入星系中心的恒星都会永远消失。

屈曲应力与最大轴向应力之比应大于3。对于轴向压缩系统载荷，例如有约束的热膨胀，或带有端部压缩载荷的垂直管系及无支撑管道的已知长度L（m）的轴向压缩载荷采用以下公式确定并且不应大于Fa，max（N）。

式中：Ea—轴向模量，MPa；L —无支撑管道的长度，m；D —增强层的平均管道直径，m=（Di+2t-tr）；Di —管道内径，m；t —公称壁厚，m；tr—增强层的平均厚度，m。

通过以上对比分析可见，UKOOA对管道的操作条件的限制相对于ISO 14692标准，计算公式更简化。

2.2 输入参数对比

管道应力分析计算软件CAESARII支持应用UKOOA及ISO 14692，分别应用两标准分别对应力输入参数见表1及表2（表中数据参数来源于某玻璃钢厂家）。

表1 应用UKOOA标准应力分析主要输入参数

表2 应用ISO 14692标准应力分析主要输入参数

表2中系统设计系数(System Design Factor)，为指定荷载工况下的材料强度和操作应力之间定义的安全系数。需要考虑的工况包括偶然荷载工况、包括热荷载在内的持续荷载工况以及不包括热荷载的持续荷载工况。表3所示为系统设计系数、偶然荷载系数及f2之间的关系及其默认值。

表3 系统设计参数

说明：载荷分项系数f2等于系统设计系数乘以偶然荷载系数。

2.3 材料差异

CAESARII软件在选用玻璃钢标准时，复合材料类型分为1、2、3类，其对比见表4所示：

表4 材料参数设计

3 应用案例

3.1 项目简介

图2 半潜平台组成

3.2 案例应用

3.2.1 确定分析工况

计算半潜平台船体管道时需要考虑操作工况（十年一遇）、极端工况（百年一遇）、运输工况（十年一遇）。

3.2.2 环境参数

压载系统玻璃钢管道设计参数如表5、表6所示。

表5 环境设计参数

表6 运动加速度参数

3.2.3 应力计算结果分析

建立压载系统玻璃钢管道应力分析模型，如图3所示。同时采用横向与纵向相结合的对比方法，在UKOOA与ISO 14692标准下，对比操作工况、运输工况与极端工况的压载系统管道所受应力比。采用UKOOA标准，系统所受最大应力比为82%，出现在830节点，而采用ISO 14692标准，系统所受最大应力比为76.5%，出现在1250节点。

图3 船体压载系统玻璃钢管道应力分析模型

在评估管道系统时，需要考虑一次应力、二次应力对管道系统的影响。在表7中将一次应力分析结果进行了对比，一次应力为重力、压力以及其他荷载的作用而产生的应力，用于评估系统所受外力作用而产生的应力，由表中可见在三种工况下，最大应力比出现位置相同，在1250点，应用两标准所得结果较为接近，但采用UKOOA标准所得结果较ISO14692略高。

二次应力为系统热胀冷缩以及在附加位移等作用荷载下产生的应力，一次应力具有自限性，二次应力不具有，对比二次应力结果，如表8所示。在三种工况下，最大应力点出现在2520位置，对比可知应用UKOOA标准所得结果较ISO 14692高约5%。

最大位移量对比如表9所示，可看出二者评估玻璃钢管道时存在着部分差异，操作及运输工况最大位移点位置相同，为1380点，位移量基本相同，但极端工况变为1490点，UKOOA标准下位移量较ISO14692略大。

综合上述分析，从表7至表9可得出，UKOOA与ISO 14692两种标准均可以用于评估玻璃钢管道应力，该压载系统通过两标准应力校核，采用两种标准所得结果较为接近，但是UKOOA计算结果较ISO 14692保守。

表7 一次应力对比

表8 二次应力对比

表9 位移对比

4 总结

玻璃钢管作为一种复合材料，其应用已日益广泛。通过对玻璃钢管道应力校核标准UKOOA及ISO14692进行分析，从标准、软件参数输入、计算结果三方面，分别进行了对比分析。结合南海某深水半潜平台船体压载系统为例，分别应用UKOOA及ISO14692进行计算分析，得出结论，两种标准均可用于玻璃钢管道的应力计算，其中UKOOA计算结果较ISO14692保守，为同行提供了参考依据。