FLNG甲板上部工艺管道应力分析

张高峰

（惠生（南通）重工有限公司，江苏南通 226000）

FLNG（浮式液化天然气装置）是一种用于海上天然气处理的浮式生产装置，通过系泊系统定位于海上，具有处理、液化、储存和装卸天然气的功能，与液化天然气运输船（LNG-C）配合使用可以实现海上天然气的远程运输。文章以某FLNG项目管道应力分析为例，结合该FLNG项目实际生产中出现的管道问题，提出管道应力分析思路并进行优化，为FLNG项目的管道应力分析提供参考。

1 载荷分析

1.1 风载

船体总体专业会提供三种不同工况下的风载，分别为拖航工况下10年一遇的风载、装置正常操作下1年一遇的风载、装置正常操作下百年一遇的风载（极端工况）。项目要求FLNG在极端工况下也能够正常操作，应力评估过程只考虑拖航工况和极端工况的风载，风载评估按照偶然应力校核公式进行评估。

风速按照DNV-RP-C205中2.3.2.11所示公式进行计算，根据总体专业提供的10 m海平面10 min平均风速，折算不同高度的3 s阵风速率。

式中：U10——距离海平面10 m高度处10 min间隔的平均风速；z——管道物理高度；H取10 m；T取3 s；T10取10 min。

风压按照DNV-RP-C205中5.2.1所示公式进行计算，计算出的风压作为CAESAR Ⅱ的输入数据。

式中：q——风压；ρa——空气密度；UT,z——不同高度的3 s阵风速率。

1.2 惯性加速度

船体受波浪影响会产生摇晃等现象，使船体上部管道产生惯性加速度，为了确保管道在船体摇晃下能够正常运行，需要在应力分析中考量惯性加速度影响。拖航工况下10年一遇的海况引起的惯性加速度、装置正常操作下1年一遇的海况引起的惯性加速度、装置正常操作下百年一遇的海况引起的惯性加速度（极端工况）。应力评估过程只考虑拖航工况和极端工况下的海况引起的惯性加速度。惯性加速度载荷作为偶然应力进行评估。

1.3 中垂中拱

FLNG身处海洋环境，船体会产生中垂中拱，变形传递至管道上引起管道位移应力，导致管道疲劳失效。结构专业会提交两种工况下的中垂中拱数据供管道应力计算，分别为拖航工况下可能产生的最大变形数据；正常操作工况下可能产生的最大变形数据。中垂中拱引起的管道位移按照二次应力校核公式进行评估。

1.4 爆炸载荷

FLNG装置里面有大量可燃气体，根据火灾爆炸危险分析结果，确定爆炸产生的压力，以等效风载的形式对爆炸载荷进行分析，爆炸载荷作为偶然应力进行评估。

式中：FD——爆炸载荷；1/2ρν2为爆炸压力，取自火灾爆炸危险分析结果，由安全专业提供；D为管径；CD为形状系数，取1.0；DLF为动态载荷因子，取1.5。

2 工况组合

2.1 拖航工况

FLNG在拖航工况下所受载荷为管道重力、充氮保护压力、惯性加速度、中垂中拱、风载。

拖航工况如表1所示。

表1 拖航工况

2.2 极端工况

FLNG在极端操作工况下所受载荷为管道重力包括介质重力、管道压力、温度、惯性加速度、中垂中拱、风载、安全阀泄放反力。

极端工况如表2所示。

表2 极端工况

2.3 爆炸工况

建立爆炸工况用于评估爆炸偶然应力，爆炸载荷以等效风载的形式进行评估。在爆炸工况下，FLNG管道偶然应力评估只考虑与重力和压力的合成，不考虑与惯性加速度、风载和安全阀泄放反力的合成。定义无爆炸载荷工况（W+T+P+H）和包含爆炸载荷工况（W+T+P+H+Wwin）。通过工况组合运算得到爆炸载荷基本工况Wwin。爆炸载荷基本工况与重力、压力进行合成（W+P+H+Wwin）评估爆炸偶然应力。

3 应力分析

3.1 静态分析

一次应力为平衡压力与其他机械载荷必需的法向应力或剪应力，其特点是非自限性，当结构内的塑性区扩展达到极限状态，使之变成几何可变的结构时，即使载荷不再增加，仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏。海洋工况中船体存在中垂中拱现象，未设置防脱空支架的管道很容易在运行状态产生脱空，管道脱空后需要重新评定一次应力。

式中：SL——一次应力；SH——材料在最高设计温度下的许用应力。

二次应力为满足外部约束条件或结构自身变形的连续要求所需的法向应力或剪应力。二次应力的基本特征是具有自限性，局部屈服和小变形可以使约束条件或变形连续要求得到满足，使变形不再增大。本项目中，考虑爆炸工况，不采用膨胀节增加管道柔性，设计过程中尽量使用弹簧和管道自变形降低二次应力。

式中：SE——二次应力；SA为最大许用位移应力范围；f——许用位移应力范围减小系数；SC——材料在冷态下的许用应力。

偶然应力属于一次应力。对于偶然载荷，许用应力可以适当放宽，管道在工作状态下，纵向应力之和（压力、重力、其他持续载荷和偶然载荷）不超过操作状态下许用应力的1.33倍。爆炸载荷作用下的偶然荷载需要单独校核，DNV-RP-D101 3.11.2对其评定进行了具体说明，爆炸作用下的管道，纵向应力之和（压力、重力、其他持续载荷和爆炸载荷）不超过最高设计温度下许用应力的1.8倍。

3.2 模态分析

模态指机械结构的固有振动特性，每个模态均有特定的固有频率，固有频率越高，管道刚度越大，越不容易产生共振。本项目要求管道最小固有频率为5 Hz，动设备相连管道固有频率应大于设备本身激发频率，防止发生共振。工程设计中，在满足管道柔性的前提下，可以通过减小管道跨距、增设固定支架等方式增加管道刚度。

3.3 疲劳分析

FLNG船体管道的疲劳分高周疲劳和低周疲劳：低周疲劳主要由管道热胀冷缩和货舱装卸引起，高周疲劳由拖航工况和操作工况下波浪运动引起的。疲劳评定有两种方法，计算位移应力范围减小系数f，降低位移应力校核准则中的许用位移应力范围，防止疲劳破坏；CAESAR Ⅱ提供的基于Miner法则的累积损伤疲劳评定方法，通过定义疲劳曲线以获得相应应力下的许用循环次数Nallowed以及预期的循环次数Ndemand，CAESAR Ⅱ计算并合计已选工况的Ndemand/Nallowed比率，总和<1时安全。

式中：N——循环当量次数，根据ASME B31.3计算。

4 对比分析

以FLNG项目上某低温管道（-143.7 ℃）为例，对比分析考虑中垂中拱和不考虑中垂中拱时对二次应力的影响以及考虑爆炸载荷和不考虑爆炸载荷时管口受力状态。

某节点二次应力对比如表3所示。某管口受力对比如表4所示。

表3 某节点二次应力对比

表4 某管口受力对比

中垂中拱、爆炸载荷对管道应力影响较大。为保证装置在海洋环境下长期安全运行，需详细分析海洋风载、船体惯性加速度、船体中垂中拱等。

5 结语

本文以某项目实例，结合ASME B31.3和DNV规范，介绍FLNG上部模块管道应力分析方法，着重介绍海上风载、中垂中拱、惯性加速度、爆炸载荷的计算方法，将FLNG划分为拖航工况、极端工况、爆炸工况，对每种工况进行组合，分析一次应力、二次应力和偶然应力，列举中垂中拱对二次应力的影响以及爆炸载荷对管口受力的影响，对管道系统的固有频率和疲劳分析做出指引。