弹簧支吊架在FPSO上部模块管道应力分析的研究应用

纪志远,陈巍,田惠萍,周爽,张海成

（海洋石油工程股份有限公司设计院天津市滨海新区300451）

引言

弹簧支吊架是管道支吊架的重要组成部分，弹簧支吊架可以用来吸收管道位移，特别是垂直方向，同时可以用来调节敏感的设备管口。在海洋石油工程领域，例如海洋石油平台以及FPSO上部模块等工艺管道都有着较广泛应用。因此，本文将以某FPSO上部模块生产水系统泵组部分管道道为例，通过管道设计方案对比优化的过程，介绍弹簧支吊架的选型设计及弹簧支吊架对管道布置的影响，说明弹簧支吊架可以用来增加管道柔性，降低管口荷载，保证管道系统的安全。

1 FPSO简介

FPSO是Floating Production Storage and Offloading System的缩写，全称为浮式生产储卸油装置，如图1所示，它是漂浮在海上的一个巨大浮体，它不能像船舶一样在海上自由航行，而是依靠单点系泊、可围绕单点转动，同时，FPSO又具有一些船舶的特性：例如：稳性、浮性、强度高等。

图1 FPSO在海上作业

弹簧支吊架根据其承受力载荷情况，分为可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架。其参照标准、许用荷载、位移、及荷载变化对比可见表1，恒力弹簧受力及位移范围较可变弹簧大，适用于大荷载或大位移场合。

表1 可变弹簧与恒力弹簧对比表

在海洋石油固定平台及FPSO上部模块可变弹簧应用较恒力弹簧更广泛。

3 管道应力分析

管道应力分析包括对管道所受一次应力与二次应力的分析评估，其中一次应力是指在重力、压力或其他外载荷的作用下所受的应力，一次应力会伴随着外力的增加而增加，因此认为一次应力不具有自限性；二次应力是由于管道所受热胀冷缩或附加荷载后产生的应力，二次应力当自身变形平衡与外力平衡后变不会增加，因此认为二次应力具有自限性。管道支吊架在管道系统中扮演着重要角色，管道系统设计包括管道跨距设计、管道支吊架设计等，因此，合理的支吊架布置能有效降低管道的一次应力和二次应力，降低管口荷载，保证管道的安全。

4 案例研究应用

本文以某FPSO上部模块生产水系统泵组管道为例，研究三台泵组管线布置及管口校核情况，其中初步设计方案如图2所示，管道设计参数见表2，船体运动加速度见表3，其中风载考虑百年一遇工况。

表2 管道设计参数

表3 极端工况船体运动加速度

图2 某FPSO上部模块生产水系统泵组布置图

FPSO上部模块管道因船体中垂中拱变形产生位移变化，由于生产水系统泵组管道均布置在上部甲板的CP模块，且未有跨越模块接管，因此在本模块内不考虑结构变形对管道设计的影响。

由管道布置观察可见，A、B、C三组泵出口管线柔性较好，但进口管线直接连接滤器，柔性较差，通过计算管道所受应力比及管口荷载如表4所示。A、B、C三台泵进口管道方向均超过许用值最大1.77倍，因此必须进行管道设计调整。

表4 泵口载荷值

5 调整优化

对于泵口载荷超过许用值情况，可以通过调整进口管道走向、增加管道长度、调整支架位置型式，以及增加弹簧支吊架等方式进行评估验证。

5.1 调整方案一

在三台滤器进口管线增加上翻π弯，走袋形进入滤器进口，调整后模型如图3所示，泵口荷载值见表5。此种方案中，三组泵入口Y向（竖直向上方向）受力虽然有所下降，但管口受力仍超出标准要求1.5倍；同时根据工艺要求，滤器前管道走向不宜多增加弯头，容易产生气蚀影响，因此方案一不通过。

图3 调整方案一

表5 方案一泵口荷载值

5.2 调整方案二

在三台滤器进口管线增加下翻π弯后进入滤器进口，但根据测量从弯头中间到平台高度为874mm，管道下翻会增加进泵阻力，流进泵口的介质当量减少，同时下翻会与撞结构梁，空间不允许，且形成低点，如将过滤器抬高又会影响上部抽芯空间并且存在与上方已有管道相撞，因此，调整方案二整体不能实现，因此方案二不通过。

图4 调整方案二中三维模型图（空间高度受限）

5.3 调整方案三

延长泵进口管线，调整后模型如图5所示，根据表格数据可以看出延长泵进口管线后，C泵管口可以校核通过，A、B泵管口仍需调整，同时在模型中，延长泵入口管线后滤器向后方移动占用了安全、操作通道同时与斜撑主梁相撞，载荷值见表6。方案三不通过。

表6 方案三泵口荷载值

图5 调整方案三（延长进口管线长度）

5.4 调整方案四

在三台滤器进口管线增加弹簧支吊架，其中弹簧支架型式规格如表7所示，调整后模型如图6所示，根据表格数据可以看出，管口受力全部在许用范围内，且不改变走向同时留有操作空间。综合以上评估，第四种方案为推荐方案。

表7 弹簧支架架型式表

图6 调整方案四

对比方案四和方案一管口荷载受力，如表9所示,在表中将许用荷载值，方案一最大受力值以及方案四的三个管口荷载进行了对比，从表可见通过增加弹簧支架，A、B、C泵进口管口受力下降了45%，校核均通过，同时未占用安全通道，未出现冲撞结构等情况。

表9 方案四和方案一泵管口荷载受力对比表

根据工艺要求，考虑了三台泵组互为备用情况，结果均校核通过。

表8 方案四泵口荷载值

在FPSO上部模块，空间狭窄，管道多，管道走向调整要考虑诸多因素，如是否碰撞小管、仪表托架、结构梁等，以及是否占用安全通道或操作空间，往往不能按照需求随意调整管道走向，在充分评估的情况下，适当的位置设计弹簧支吊架，对增加管道柔性，降低管道应力比，降低管口荷载，有明显的作用。

6 总结

本文以某FPSO上部模块生产水系统泵组设计为例，通过方案对比，介绍了弹簧支吊架的选型设计应用及弹簧支吊架对管道布置的影响，FPSO上部模块管道十分复杂，在空间受限的情况下，在合适的位置准确选用弹簧支吊架，对保证管道安全起到了重要作用。