FPSO上部模块管道应力分析工况研究

纪志远，李蕾

（海洋石油工程股份有限公司设计院， 天津 300451）

FPSO 是重要的海上油气开发处理装置，FPSO上部模块管道多且十分复杂，同时由于FPSO 漂浮在水面，船体处于不断运动变化状态，也对上部模块管道产生相应影响。因此，对管道进行应力分析，对于保证管道系统安全稳定运行，具有十分重要的作用[1]。应力分析工况对管道应力分析极为重要，是管道应力分析工作的灵魂，因此，本文将专门针对管道应力分析工况进行研究，明确工况组合方式与组合特点，为更好地进行管道应力分析工作，保证管道系统安全，提供基础参考。

1 FPSO 优点

FPSO 是浮式生产储卸油装置，是海洋石油生产中的重要组成部分，其具有适应性强、经济性能高、可靠性强、可重复利用等功能，目前已被世界各大石油公司广泛应用于世界各地[2]。

图1 FPSO 在位运行

2 FPSO 上部模块管道应力分析荷载

2.1 基本荷载

FPSO 上部模块管道应力分析计算复杂，应考虑荷载类型多，基本荷载类型对照如表1 所示。

表1 基本荷载类型对照表

2.2 船体加速度荷载

在风浪作用下，FPSO 船体会产生6 个方向自由度的运动，包括垂荡、横荡、纵荡、艏摇、横摇和纵摇以及6 个自由度间的组合运动，如图2 所示。在这6 个自由度运动的影响下，船体运动加速度也随之改变[3]。船体运动加速度，通过上部模块结构最终传递到模块的管道。对管道应力分析，可以将运动加速度以操作、极端、运输拖航3 种方式来区分，且每个模块的运动加速度也应单独列出。计算时可以对比上述3 种加速度的大小，取保守值进行评估。

2.3 位移荷载

FPSO 船体变形会引起船体结构变化，而结构的运动偏移则会导致上部模块管道的位移变形，变形的根本原因是船体受到中垂中拱影响，如图3 所示。受船体中垂中拱运动影响，管道沿轴向及竖直向会产生位移变化，位移的变化通过在支架上添加附加位移来实现，位移参数可以参照插值计算方法。

图2 船体运动6 个自由度

船体产生位移荷载主要由船体中垂中拱变形产生的，而导致船体中垂中拱变形主要有两个方面原因：空载与满载引起船体变形（D8）与波浪引起船体变形（D9），两种位移荷载会同时作用，所以应同时考虑它们对管道的影响，应注意上部模块的位移变形仅为转动变化而非结构物理破坏变形。

2.3.1 波浪引起变形（D9）

由波浪引起的船体中拱变形（HOGGING）。如果波峰恰巧出现在船体中部时，则该区域的浮力将增加，当波谷位于船的两端时，浮力会降低。在这种加载条件下将导致船体甲板弯矩增加，导致船舶弯曲[4-5]。为了清楚看出，图4 给出了极端的中拱变形，此时船体结构可能出现最大的弯曲力矩。

图3 船体中垂中拱变形示意图

由波浪引起的中垂变形（SAGGING），当FPSO船体两端位于波峰处，船中部分位于波谷时，即船体艏艉两端支撑，而船体中间部分则缺乏支撑。这时船体中部浮力会降低，船体艏艉两端浮力增加，这种运动变形同样将导致弯曲力矩，从而导致船舶中垂变形。

图4 波浪引起中拱变形示意图

假设船体静止时模块位于基准平衡位置，由波浪引起的中垂中拱变形，会使模块相对于平衡位置左右摇晃运动，因此对于由于波浪引起的中垂中拱变形D9 应该考虑到管支架位移会向两个方向运动的情况。

图5 波浪引起中垂变形示意图

2.3.2 空载与满载引起变形（D8）

空载与满载同样会引起船体中垂中拱变形，进而产生位移变化，此时不考虑波浪对船体的影响。假设船体中间模块为基准模块点，空载时每个模块管道支架均没有位移，当船满载时，中间模块管支架位移为零，其他模块支架相对于基准模块的位移量，作为D8 位移来评估管支架位移荷载。

2.3.3 管道变形

中垂或中拱引起上部模块之间产生的相对位移，进而影响管线的受力和变形。通过假定船体梁弯曲变形曲线为一段圆弧线，遵循材料力学关于梁弯曲变形的几项基本假设，船体中垂变形时，中性轴长度保持不变、甲板缩短、船底伸长；船体中拱变形时，中性轴仍然保持不变，但甲板和船底变形趋势相反。管道离中性轴越远，高度越高，变形也就越大。管道位于结构上，由于结构变形，管道也将产生变形。结构变形引起管道变形如图6 所示。

图6 管道变形示意图

应注意并不是所有模块的所有管道均应考虑中垂中拱影响，当管道在一个模块内，可以忽略中垂中拱的影响；管道在不同的模块间，则不可忽略中垂中拱的影响。

2.4 风荷载

船体风载的选取可以参照ABS 的FPSO 建造安装指南，操作工况选取1年一遇的风载，拖航工况选取500年一遇的风载。

3 工况组合分析

FPSO 上部模块工况组合时综合了两种组合方式，对于结果要求敏感的运动加速度U1、U2、U3采用复合荷载组合，对于风载（WIN）、偶然泄放力（F1）等则采用了单独荷载方式，不参与运算得出即直接给出，方便理解，也减少了工况的总体数量。

工况组合见表4，工况组合有时并不能完全覆盖计算需要，可根据实际需求进行补充。

表4 FPSO 上部模块管道应力分析工况

4 结论

本文通过对FPSO 上部模块需要考虑的荷载类型以及工况组合方法、工况组合进行了详细介绍，进一步明确了FPSO 上部模块管道应力分析的基本方法，特别是工况设计，FPSO 上部模块管道应力分析工作复杂，只有对FPSO 运动特点及上部模块管道结构及管道变形有了清楚的认识，才能更好地进行管道应力分析工作。FPSO 常年服役于海上，工作环境恶劣，对FPSO 上部模块管道进行详细的管道应力分析，对于保证FPSO 系统的安全运行具有重要意义。