FPSO玻璃钢管应力分析

石银辉，宁 俊，李 丽

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

玻璃钢（Fiberglass Reinforced Plastic，FRP）管是玻璃纤维增强塑料管的简称，是一种新型复合材料管。玻璃钢管主要以玻璃纤维或其制品作为增强材料，以不同种类的树脂作为基体制作而成，具有许多其他管材无法取代的优越性能。与船上常用的碳钢管和不锈钢管相比，玻璃钢管具有轻质、高强、耐腐蚀、水力学性能优异等特点，在船舶与海洋工程领域中的应用越来越广泛。

应用于船舶与海洋工程的玻璃钢管工作环境恶劣，受到风载荷、波浪抨击等复杂载荷的作用。此外，管路布置不合理等因素常常会导致管道破裂和支架损坏。为提高玻璃钢管的使用安全性，本文以某浮式生产储油卸油船（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）的玻璃钢管为例，采用CAESAR Ⅱ软件建立排舷外管道的有限元模型，探讨压力、温度、风载荷、波浪砰击和船体变形等对管道应力的影响，论证玻璃钢管在恶劣工况下的应用可行性，从而为玻璃钢管在船舶及海洋工程中的推广使用提供依据。

1 玻璃钢管的性能

近年来，玻璃钢管以其独特的化学性能、物理性能和力学性能，广泛应用于船舶管路系统，与金属管材相比，具有3点优越性能：

1）耐腐蚀性能好，使用寿命长，安全可靠

玻璃钢的耐腐蚀性主要取决于富含树脂的内衬层及外保护层，针对不同的腐蚀性介质选择合适的树脂、玻璃纤维及其制品，可使玻璃钢管具有良好的耐腐蚀性能，进而广泛用于各类油脂、污水和海水等介质。此外，玻璃钢还具有抗老化、耐高温、耐磨损、使用寿命长等优点。

2）密度小、重量轻

玻璃钢管密度仅为钢管的 1/5～1/4，其壁厚虽较同规格的钢管略厚，但其总重量一般不到后者的1/2，因此用玻璃钢管代替普通钢管可降低管路重量，进而降低船舶重量。

3）水力学性能优异

玻璃钢管内表面光滑、磨阻系数小，属于水力学光滑管。使用玻璃钢管输送液体与采用相同口径的船用钢管相比，可大大减少压头损失，降低泵的能耗。此外，玻璃钢管在使用过程中不结垢、不生锈、不滋生藻类和其他微生物，因此使用的时间越长，其优势就越明显。

2 管道应力分析理论

管道应力分析主要在于解决管道在强度、刚度、振动等方面可能产生的问题。根据应力分析结果，适当改变管道走向及支撑条件以满足管道强度和刚度的要求。管道应力分析可分为静态分析和动态分析两部分：1）静态分析主要是对管道进行柔性设计，保证管道具有足够的柔性以吸收由于热胀冷缩及端点位移产生的变形，使管道各节点的应力小于其许用应力；2）动态分析主要是对管道进行防振设计，保证管系有一定的刚度，避免在干扰作用下产生强烈振动。在实际分析中，静态分析和动态分析彼此联系又相互矛盾，需要对两者的结果进行对比以满足最终设计要求。为便于工程应用，可以利用静态等效法将动态载荷转换为静态载荷，在此基础上进行静态分析。

在管道设计过程中，常采用 CAESAR Ⅱ软件对关键性管路进行力学分析。CAESAR Ⅱ软件可有效对玻璃钢等正交各向异性材料进行模拟和分析。此外，CAESAR Ⅱ软件集成各相关标准的要求以及多家供应商提供的玻璃钢产品的材料参数，在建模和分析时可直接选取这些参数作为默认值。本文选择ISO 14692-2: 2017标准对玻璃钢管进行应力校核。

3 FPSO玻璃钢管道应力校核工程实例

本文的计算分析基于某FPSO上使用的玻璃钢管，该FPSO由30万吨级超大型油轮改装而成，将服务于780 m深的海域，设计寿命为25年，玻璃钢管采用阿麦隆Bondstrand 7000M环氧系列。

3.1 管道载荷

FPSO管道系统除了承受压力、重力、温度、风等常规载荷外，还要承受海浪作用下产生的惯性加速度、船体变形、砰击载荷的影响。在进行应力分析时，需根据规范要求和载荷情况进行合理的工况设计。

3.1.1 压力、温度和重力载荷

管线在不同工况下受到压力和温度的影响不同，本例中根据工况的不同定义了3种重力载荷：操作工况重力，磅压满水重力和空管重力。其他参数取值情况如下：计算管线设计压力为690 kPa，试验压力为1 035 kPa，操作温度为45 ℃，设计温度为65.6 ℃，最低环境温度为14.6 ℃，安装温度为24.2 ℃，玻璃钢管密度为1 800 kg/m，流体密度为1 020 kg/m。

3.1.2 加速度载荷

波浪具有一定的随机性，但波浪本身不直接作用于管道，而是将载荷通过船体和管道支架传递给管道。船体在波浪作用下产生加速度载荷，该载荷随管道位置变化而变化。为简化计算，取各位置处加速度的最大值进行计算。若因参数过于保守而导致某处计算不通过，可选取对应位置的加速度重新计算。取操作状态下百年一遇风浪环境的加速度和拖航状态下十年一遇非飓风环境的加速度作为输入条件，计算得到的管道加速度见表1。

表1 加速度载荷

3.1.3 风载荷

风载荷属于动态载荷，应采用动力学方法进行分析，但由于动力学分析方法过于复杂，难以用于实际工程设计，故常使用等效静态方法来分析风载荷。根据相关规范，风速计算公式为

式中：为距离海平面的高度；为平均周期；(,)为距海平面高度处平均周期内的平均风速；为距海平面高度10 m处10 min内的平均风速。

3.1.4 船体变形

船体在波浪载荷作用下以及装载、卸载的过程中会产生交变的船体变形，这种变形极易造成管道的疲劳破坏。当FPSO满载时，沿船长方向会产生向下的弯曲变形，船体中部下垂，即中垂现象；当FPSO空载时，沿船长方向会产生向上的弯曲变形，船体中部向上拱起，即中拱现象。受船体中垂和中拱的影响，管道在轴向和竖直方向均会产生位移变化。在应力计算中，通常采用在每个支架上添加附加位移的方式模拟波浪引起的中拱变形、波浪引起的中垂变形、空载引起的中拱变形、满载引起的中垂变形。

3.1.5 波浪砰击

由于排舷外管布置在船舶舷侧，极端情况下的甲板上浪及砰击载荷会对船体和甲板暴露物造成破坏性冲击甚至损坏，因而需要提前考虑并评估波浪砰击的影响。计算管路同时包含水平管路和竖直管路，需根据该项目甲板上浪和砰击载荷评估指南，通过分段输入的方法将水线以上部分所受的冲击载荷和水下部分所受的阻力载荷输入软件。舷侧横向管路和竖直管路受波浪砰击情况分别见图1和图2。

图1 舷侧横向管路受波浪砰击情况

图2 舷侧竖直管路受波浪砰击情况

3.2 玻璃钢管性能参数

由于玻璃钢的材料属性没有统一标准，在对玻璃钢管道进行计算时，需要厂家提供玻璃钢产品的材料参数。本文使用的玻璃钢管的材料参数见表2，ISO 14692-2: 2017标准许用应力参数见表3。

表2 玻璃钢管材料参数

表3 ISO 14692-2: 2017标准许用应力参数

3.3 应力计算模型

在CAESAR Ⅱ软件中选择ISO 14692-2: 2017标准和玻璃钢管，在参数输入面板设定玻璃钢的各项性能参数。根据排舷外管原理图和管路布置图，正确输入管道的密度、管径和壁厚等性能参数，以及加载温度、压力、加速度、船体变形、波浪抨击等计算参数，确定相应的载荷工况组合方法，应力计算模型见图3。

图3 排舷外管应力计算模型

3.4 计算结果分析

根据项目应力计算规格书的要求，本文共设置75个工况：42个基本工况以及由基本工况组合而成的33个组合工况，分别用来校核操作工况下的持续载荷、膨胀载荷、操作载荷、偶然载荷和疲劳应力，以及拖航工况下的持续载荷、偶然载荷。根据计算结果，对部分支架和管道布置进行优化，以使各项校核内容满足标准及项目实际需求。

3.4.1 许用应力

根据载荷条件和工况条件，计算管道系统在各节点处的应力，保证应力计算值小于ISO 14692-2: 2017标准的许用应力，确保管道系统的安全。玻璃钢管道的应力校核是反复优化管路的过程，首先对玻璃钢管道进行初步布置和应力计算，若应力计算结果超标，通过改变管道走向、调整支架间距、增加固定支撑等方法来增加管道柔性，降低管道的应力水平，直至所有管道的一次应力和二次应力值都满足标准要求。

3.4.2 支架受力

在操作工况和拖航工况下，管线在各种载荷的作用下会给支架一定的力和力矩，需要对支架的受力进行校核以保证支架设计的合理性。通常情况下，在支架竖直方向的载荷超过30 kN、水平方向的载荷超过10 kN时，需要将计算结果反馈给结构专业人员评估结构的承受能力以确安全。

3.4.3 变形

由管线自重、内部流体重力和集中载荷等导致的竖向变形不得超过12.5 mm。若管线的横向变形结果大于25 mm，在管路设计时需要保留足够的间隙，避免与其他管路或结构干涉。

3.4.4 法兰泄漏

除承受内部压力外，管道中的法兰还要承受管道和介质的重量、温度、振动等载荷引起的轴向力和弯矩。为防止在操作条件下发生泄漏风险，本文采用NC 3658.3最大屈服强度法对法兰进行可靠性校核。对有泄漏风险的法兰，通常采用2种方法进行改进：1）适当修改管道走向，增加柔性，减小作用于法兰的载荷；2）提高法兰的压力等级，增强法兰的承载能力，进而降低泄漏风险。

3.4.5 振动分析

受到流体作用和动态载荷的影响，管道会产生振动，需对管路系统进行模态分析以确定其固有频率。对于该FPSO项目，正常操作工况下的固有频率需大于5 Hz。为防止管线自身固有频率太小导致管道共振，玻璃钢管线按照厂家规定设置支架间距，在弯头附近设置导向支架，但注意支架距离弯头不宜太近，以免限制弯头处变形，进而导致应力集中及支反力过大。

4 结论

FPSO服役环境恶劣，其管道设计必须满足玻璃钢管校核标准和厂家的要求，必须进行严格的管道柔性分析以保证其服役过程的连续性和安全性。本文以服役于深海的FPSO的排舷外管道为实例，从玻璃钢管的性能、管道载荷工况、应力计算方法等方面对玻璃钢管的应力分析进行了介绍。本文介绍的玻璃钢管道应力计算方法及改进措施经过了项目验证，为玻璃钢管的规范化计算提供了参考，对玻璃钢在海洋工程领域的应用具有借鉴意义。